一種公鐵兩用牽引車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王文偉

【摘要】? ? 公鐵兩用牽引車是可以在鐵路和公路行駛的車輛，主要用于對列車在庫房、工位、移車臺(tái)之間的鐵路線路上牽引作業(yè)，同時(shí)可在基地道路或檢修庫房普通地面上運(yùn)行。系統(tǒng)采用電傳動(dòng)方式，以蓄電池為動(dòng)力電器設(shè)計(jì)。電器系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保，工作噪音不大于60dB，維護(hù)量低，傳動(dòng)效率高，采用先進(jìn)可靠的交流電機(jī)，閉環(huán)控制系統(tǒng)、無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)，確保運(yùn)行安全可靠。

【關(guān)鍵字】? ? 驅(qū)動(dòng)器? ? 控制器? ? 電池管理系統(tǒng)

一、設(shè)計(jì)背景

公鐵兩用車的電氣控制部分主要組成如圖1所示：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器是整車的核心部件，控制器接收來自操縱臺(tái)的的各種主令信號(hào)（主令信號(hào)主要包括加速、制動(dòng)、啟動(dòng)、緊急制動(dòng)等指令），以及各傳感器傳送的檢測信號(hào)，通過CAN總線通訊向變頻器發(fā)送轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速指令控制電機(jī)。通過CAN總線把車速、電池電量等信息在顯示器上顯示。

變頻器：兩用車配備的變頻器用于控制牽引電機(jī)，對電機(jī)采取轉(zhuǎn)矩控制。變頻器具有豐富的保護(hù)功能，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過熱保護(hù)等，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1.1主要控制對象

主要控制對象為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和油泵電機(jī)，也是整車最關(guān)鍵部分，下面分別介紹目前該車的電機(jī)主要參數(shù)。

1.牽引電機(jī)。牽引電機(jī)選用意大利SME公司生產(chǎn)的MC225型交流電機(jī)，該交流電機(jī)額定電壓48V，額定功率16kW，額定轉(zhuǎn)矩150Nm，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，峰值功率可達(dá)到47.8kW，峰值轉(zhuǎn)矩314Nm，最高轉(zhuǎn)速4500r/min。牽引電機(jī)是鼠籠轉(zhuǎn)子交流電機(jī)，壽命長，不需要維護(hù);電機(jī)具有0速輸出最大轉(zhuǎn)矩的能力，從而獲得最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由變頻器控制主電機(jī)，對電機(jī)的控制方式有轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制2種，可以根據(jù)指令切換;回饋制動(dòng)功能將電機(jī)制動(dòng)的能量給電池充電，提高了電能利用率，延長電池一次充電的工作時(shí)間;變頻器具有豐富的保護(hù)功能，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過熱保護(hù)等，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2.油泵電機(jī)。除牽引電機(jī)外，系統(tǒng)中還有一個(gè)泵電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)油泵。泵電機(jī)采用意大利SME公司生產(chǎn)的MT719B2型，額定功率10kW，額定轉(zhuǎn)速1500rpm，可以為導(dǎo)輪、助力轉(zhuǎn)向器和剎車油泵提供動(dòng)力。

二、設(shè)計(jì)思路

通過對被控制對象的分析，需要實(shí)現(xiàn)一套大扭矩的電動(dòng)車。電氣系統(tǒng)部分的核心在于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制，需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)頻調(diào)速，制動(dòng)控制，能量回收等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為交流異步電機(jī)。縱觀市場，此類控制器也比較多，應(yīng)用廣泛，如叉車、牽引車、代步車、景區(qū)擺渡車等類電動(dòng)車，技術(shù)比較成熟，通過系統(tǒng)集成方式完成一套控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

三、方案設(shè)計(jì)

該兩用車的電氣系統(tǒng)[1]，主要包括整車控制器VCU、電池管理系統(tǒng)BMS、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、油泵電機(jī)控制器、操控系統(tǒng)、顯示器和燈光組等，兩用車電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2：

3.1電機(jī)控制器

通過對市場上蓄電池交流電機(jī)控制的比較，決定選擇謀公司的123x系列控制器，下面具體介紹該款控制器的特性與應(yīng)用。

1.先進(jìn)的設(shè)計(jì)和功能

a. 主要功能，操作和系統(tǒng)都要優(yōu)于直流系統(tǒng)。

b. 0到300赫茲的頻率范圍，低噪音運(yùn)行。

c. 24到80伏的電池電壓系統(tǒng)，2分鐘運(yùn)行電流達(dá)到 350到850安培。

d. 強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，保證了車輛控制，電機(jī)控制和用戶端程序同時(shí)運(yùn)行。

e. 先進(jìn)的脈寬調(diào)制技術(shù)，保證了電池被高效率利用，減少了電機(jī)能耗和扭矩轉(zhuǎn)換的損失。

f. 科蒂斯的交流控制器可以適配任何型號(hào)的交流電機(jī)。

g. 內(nèi)置了電池電量狀態(tài)和計(jì)時(shí)器功能。

h. 現(xiàn)場調(diào)試編程，內(nèi)置閃存可隨時(shí)下載軟件。

2.優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)控制

a. 使用矢量控制技術(shù)，結(jié)合科蒂斯的運(yùn)算法則，保證了控制器能始終提供峰值扭矩和最佳效率。

b. 扭矩和速度的工作區(qū)域非常寬廣，再生性能也非常完美。

c. 內(nèi)部閉環(huán)控制的速度和扭矩模式保證了最優(yōu)性能，而不需要任何其它的裝置。

d. 通過編程參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)性能至最佳。

e. 扭矩控制模式提供獨(dú)特的性能，保證了平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，并在任何狀態(tài)下都可以積極響應(yīng)。

f. 獨(dú)有的泵控模式，對液壓變化反應(yīng)敏捷。

3.高安全性和可靠性

a. 金屬基座提供了極佳的散熱性，提升了控制器的可靠性。

b. 自動(dòng)防故障功率器件設(shè)計(jì)。

c. 硬件看門狗。

d. 電池電極反接保護(hù)。

e. 輸出驅(qū)動(dòng)的短路保護(hù)。

f. 過熱保護(hù)，警告以及自動(dòng)關(guān)機(jī)設(shè)置提供了對電機(jī)以及電控的保護(hù)。

g. IP65防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足惡劣環(huán)境的使用要求。

4.接口與控制

謀型號(hào)的123x系列電機(jī)控制器使用非常方便，連接好主回路和控制IO就可以完成對電機(jī)控制，具體接線圖如圖3所示。

圖中詳細(xì)給出了控制器的配線圖，提供的接口完全滿足系統(tǒng)的控制要求。另外該控制器提供了數(shù)據(jù)顯示功能，可以作為選配。

5.型號(hào)選擇

123x系列提供了多個(gè)型號(hào)選擇，根據(jù)電機(jī)型號(hào)匹配，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器選擇1238-56xx比較合適，最大輸出功率可以達(dá)到41KW。泵電機(jī)控制器選擇1236-53xx，最大輸出功率可以達(dá)到16KW。

3.2整車控制器

整車控制器主要完成和模擬的協(xié)調(diào)、控制、檢測等功能，需要自帶的通訊接口（CAN、RS485、RS422），IO接口、模擬輸入輸出等，主要用于完成各種指示燈、照明燈、報(bào)警燈、喇叭等的控制和系統(tǒng)故障的檢測等，完成的任務(wù)有單一和連鎖的，要具有仿制誤操作的考慮。整車控制器可以選擇在工業(yè)中大量使用的穩(wěn)定可靠的PLC或者自研相應(yīng)控制主板。最后根據(jù)控制邏輯編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。方案中選擇經(jīng)常使用的謀廠家CX5040型號(hào)。采用PLC優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)搭建方便，方便整機(jī)部署調(diào)試。

3.3電源轉(zhuǎn)化HV-LV

HV-LV高壓轉(zhuǎn)低壓模塊主要完成低壓設(shè)備的供電[2]，為了增加抗干擾，系統(tǒng)選擇隔離DC-DC來實(shí)現(xiàn)。低壓負(fù)載主要為圖4.1中藍(lán)色代表的模塊，主要為模塊中的電路板、喇叭、指示燈等，根據(jù)對負(fù)載的計(jì)算，選擇功率為200W的DC/DC電源模塊。此類模塊市場比較多，選擇是要充分考慮可靠性和冗余量，這里選擇謀公司的300W LD300E-M電源，該模塊工作可靠，可工作在-40℃～85℃之間，安裝方便，利于散熱，適合汽車電子使用。

3.4電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)是連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶[3]，其主要功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測;電池狀態(tài)估計(jì);在線診斷與預(yù)警;充、放電與預(yù)充控制;均衡管理和熱管理等。傳感器選擇某公司的YX-S蓄電池智能參數(shù)傳感器單體型，主控通過485接口連接各蓄電池傳感器，可精確對蓄電池進(jìn)行管理，保證蓄電池使用安全性可靠。

3.5安全控制

安全控制主要由電鎖、急停開關(guān)、充電互鎖開關(guān)組成，電鎖和電動(dòng)車的電鎖功能一樣;急停開關(guān)提供緊急情況下的斷電，急停開關(guān)位于車前后左右四個(gè)位置;充電互鎖開關(guān)主要解決行駛和充電不能同時(shí)進(jìn)行，通過雙向開關(guān)完成。

3.6蓄電池

蓄電池選擇48V/125Ah電池，循環(huán)不小于1500次充放電，通過10塊電池并聯(lián)使用，可做到48V/1250Ah，保證最大功率和續(xù)航能夠滿足整車電器需求。

四、結(jié)束語

公鐵兩用牽引車系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過對整車電氣需求的分析，采用系統(tǒng)集成方式選擇匹配的電控設(shè)備，完成一正套電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)充分考慮了運(yùn)行指標(biāo)，操控性，安全性，可靠性等。實(shí)際技術(shù)指標(biāo)還需要配合公鐵兩用牽引車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，優(yōu)化電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合，獲取實(shí)際的測試參數(shù)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 萊夫.汽車電氣與電子[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：22.

[2] 徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006：31.

[3] 徐曉明.動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：45.