內(nèi)燃機車電壓調(diào)整器的優(yōu)化設(shè)計探析

馬帥

摘要：針對內(nèi)燃機車電壓調(diào)整器日常應(yīng)用中存在的無蓄電池充電管理功能以及溫度補償功能，易影響蓄電池應(yīng)用壽命等不足，基于內(nèi)燃機運用特點，設(shè)計了一種具有溫度補償功能，并且可實現(xiàn)限流充電、快速充電以及浮充電的新型電壓調(diào)整器，應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用該種新型電壓調(diào)整器，可很好的解決機車蓄電池日常充電過程中易出現(xiàn)的慣性鼓脹問題以及充電不良問題，延長了蓄電池使用壽命，降低了內(nèi)燃機車運用成本。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;電壓調(diào)整器;充電;蓄電池

中圖分類號：TM611.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0013-02

1? 內(nèi)燃機車電壓調(diào)整器應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的不足

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高內(nèi)燃機車的安全可靠性，必然要對其進行優(yōu)化改進。本文主要從內(nèi)燃機車電壓調(diào)整器方面著手進行優(yōu)化改進，從而讓機車安全可靠性得到提升。

內(nèi)燃機車將直流電機作為啟動發(fā)電機，在啟動內(nèi)燃機車時，柴油機作為一個串勵電動機使用，柴油機通過蓄電池提供電能盡而啟動;在內(nèi)燃機車正常運行時，柴油機會作為一個他勵電動機使用，柴油機在電壓調(diào)整器作用下進行勵磁控制，從而輸出110V的穩(wěn)定直流電。A、B兩組雙套裝置共同組成電壓調(diào)整器，其主要就是對發(fā)動機啟動勵磁電流進行自動調(diào)節(jié)，從而確保發(fā)電機的轉(zhuǎn)速始終保持在1160～2700r/min范圍內(nèi)，啟動發(fā)電機無論處于滿載狀態(tài)還是空載狀態(tài)，都會有110V直流電壓輸出。與此同時所輸出的110V直流電壓不僅要為蓄電池提供電能，還要為機車其他輔助控制系統(tǒng)提供電能。當(dāng)前，大部分電壓調(diào)整器都是將110V恒壓制作為主要控制方式，但在實際應(yīng)用中也存在很多缺點：

一是無法根據(jù)機車蓄電池充電狀態(tài)進行充電模式選擇。充電模式主要分為3種：第一種限流充電;第二種快速充電;第三種浮充電。目前只有庫內(nèi)充電機可以根據(jù)充電狀態(tài)選擇充電模式，機車電壓調(diào)整器暫不具備充電模式選擇功能，因此對蓄電池的使用充滿不利影響。

二是無法根據(jù)機車蓄電池充電狀態(tài)進行溫度補償。目前現(xiàn)有的均衡充電模式和浮充電模式，在蓄電池充電時都需要進行溫度自動補償。例如：當(dāng)蓄電池在充電時溫度補償系數(shù)為-3.5mV/℃時，蓄電池每增加1℃其充電電壓就會減小3.5mV;當(dāng)溫度每減小1℃其充電電壓就會增加3.5mV。假如蓄電池電壓調(diào)整器不具備溫度補償功能，在日常使用時經(jīng)常會出現(xiàn)過充或者充電不足的情況。當(dāng)蓄電池長時間處于充電不足狀態(tài)，就會導(dǎo)致蓄電池的蓄電量出現(xiàn)衰減。當(dāng)蓄電池長時間處于過充狀態(tài)，就會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部電解液減少、溫度升高，最終使用壽命縮短。特別是長期處于高溫狀態(tài)，蓄電池很熱容易出現(xiàn)電解液減少、故障等問題。造成此種情況的主要原因是：蓄電池內(nèi)部溫度過高，通常來說蓄電池使用環(huán)境溫度在-40～40℃范圍內(nèi)。假如在高溫狀態(tài)下進行110V恒壓充電，時間過長會讓蓄電池內(nèi)部電解液副反應(yīng)加劇產(chǎn)生氫氣和氧氣，當(dāng)氫氣和氧氣復(fù)合速度小于電解速度時，就會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部氣體逐漸增多，從而導(dǎo)致蓄電池發(fā)生鼓脹。每年夏季就會有很多機車蓄電池因為高溫天氣持續(xù)出現(xiàn)鼓脹或者爆裂。當(dāng)前蓄電池?fù)p傷大多都是物理損傷無法進行修復(fù)，這樣會對機車的安全使用造成極大影響，同時還會讓機車成本得到增加。

三是目前電壓調(diào)整器中的A、B兩組雙套裝置都是相對獨立的，當(dāng)其中一組發(fā)生故障無法使用時，需要人工改變扁插才能進行轉(zhuǎn)換，為故障維修帶來了很大不便，與此同時扁插連接還很容易發(fā)生電氣故障。

2? 設(shè)計方案

2.1 裝置硬件構(gòu)成

新型電壓調(diào)整器主要由如下四部分共同組成：第一部分系統(tǒng)主機;第二部分蓄電池工作溫度檢測系統(tǒng);第三部分蓄電池充電電流檢測系統(tǒng);第四部分蓄電池工作電壓檢測系統(tǒng)。其系統(tǒng)主機主要分為五大功能模塊：第一主控芯片功能模塊;第二ADC采樣功能模塊;第三PWN控制功能模塊;第四人機顯示互動功能模塊以及第五通訊接口功能模塊。

2.2 裝置工作原理

2.2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖（圖1）

2.2.2 系統(tǒng)工作過程

當(dāng)機車處于正常工作狀態(tài)時，電壓傳感器會對發(fā)動機兩端連接的蓄電池電壓進行實時檢測，電壓傳感器將檢測信號傳遞給系統(tǒng)主機，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉(zhuǎn)化，從而得到蓄電池即時電壓，與此同時，電池傳感器對會蓄電池正極輸出的電流進行實時檢測，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉(zhuǎn)化，從而得到蓄電池即時電流。最后，溫度傳感器對蓄電池內(nèi)部工作溫度進行檢測，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉(zhuǎn)化，從而系統(tǒng)主機得到蓄電池內(nèi)部工作溫度。系統(tǒng)主機主要通過上述3個傳感器對蓄電池工作溫度、電流以及電壓進行獲取，同時在和蓄電池使用需求相結(jié)合，對蓄電池進行電壓以及溫度補償;然后根據(jù)PI調(diào)整器對蓄電池的充電使用模式進行選擇;再次，通過PWN控制功能模塊來對開關(guān)管功率進行控制，同時對勵磁電流進行間接控制，從而對發(fā)電機所產(chǎn)生的輸出電壓進行控制。最后將所獲取的蓄電池放充電實時數(shù)據(jù)傳遞給主機，以便維護人員對其狀態(tài)進行監(jiān)控。

2.3 系統(tǒng)主機設(shè)計

2.3.1 主控芯片模塊

系統(tǒng)主機所采用的主控芯片是PICCOLO系列的DSP芯片，其工作頻率為60MHz，PWM共有12路，AD共有16路。此系統(tǒng)主機在工作環(huán)境相對復(fù)雜的逆變器以及DC/DC電源中經(jīng)常被用到。其系統(tǒng)內(nèi)部配置有AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在和蓄電池放充電狀態(tài)實時溫度、電流以及電壓相結(jié)合。系統(tǒng)是采用Bootloader+Application模式設(shè)計而成，后期升級維護相對簡單便捷。軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖2所示。

2.3.2 ADC采樣模塊

系統(tǒng)需要對機車蓄電池額實時溫度、電流以及電壓物理模擬量進行實時收集。因此，需要在系統(tǒng)中設(shè)計模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化電路，通過傳感器對模擬信號進行采集，然后經(jīng)過ADC功能模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后主控芯片根據(jù)機車蓄電池的實時溫度、電流以及電壓對其進行計算分析。

2.3.3 PWM控制模塊

作為系統(tǒng)的主要組成部分，PWM功能模塊主要功能就是對蓄電池電壓值進行控制和調(diào)節(jié)。首先主控芯片實時進行脈沖方波電壓輸出，然后在經(jīng)過開關(guān)管對控制系統(tǒng)主機輸出功率進行控制，在次通過改變勵磁繞組對所產(chǎn)生電流大小進行控制，最后就是通過輔助控制系統(tǒng)對發(fā)電機所產(chǎn)生的輸出電壓進行控制。驅(qū)動系統(tǒng)配套電源型號為BCP011515，配套專用芯片型號為FOD3084，配套功率開關(guān)管型號為FOD50N50。

2.3.4 顯示與人機互動模塊

系統(tǒng)所采用的人機顯示互動模塊主要是由4個按鍵以及1塊LED數(shù)碼顯示屏共同組成。其中數(shù)碼顯示屏和系統(tǒng)主機是直接集成在一塊的，循環(huán)顯示系統(tǒng)主要作用就是對機車蓄電池的實時溫度、電流以及電壓數(shù)據(jù)進行檢測和收集。與此同時，工作人員可以通過功能按鍵對系統(tǒng)參數(shù)進行修改和設(shè)置，其中包含溫度、電壓等系統(tǒng)參數(shù)。

2.4 系統(tǒng)雙套冗余設(shè)計

雙套冗余設(shè)計作為本次新型電壓調(diào)整器的主要亮點，其主要將A、B兩套系統(tǒng)集成在一起，其中B套作為備系統(tǒng)，當(dāng)A系統(tǒng)發(fā)生故障時，維修人員可以通過扁插開關(guān)將其切換到B套備份系統(tǒng)，同時扁插開關(guān)必須采用安全性極高的航空插頭，以避免因扁插問題導(dǎo)致系統(tǒng)無法切換的情況出現(xiàn)。

3? 新型電壓調(diào)整器的應(yīng)用

經(jīng)過多次討論驗證，終于完成新型電壓調(diào)整器的產(chǎn)品設(shè)計。新設(shè)備經(jīng)過多次工業(yè)試驗，各項功能參數(shù)都很正常。根據(jù)內(nèi)燃機車的實際運行狀況分析，最終決定將DF型調(diào)車機做為本次試驗對象并對其進行驗證考核。其安裝方案具體如下：首先通過開孔設(shè)備在蓄電池表面上加工1個？準(zhǔn)10的圓孔，在把PT100溫度傳感器的重要組成部分感溫桿穿過圓孔接觸到蓄電池單節(jié)邊表面，從而對實時溫度進行準(zhǔn)確測量;然后在蓄電池一端正極處串聯(lián)TBC300 TBH型傳感器，從而對實時電流值進行準(zhǔn)確采集;再次在輔助發(fā)電機兩端正負(fù)極處并聯(lián)LV25型傳感器，從而對實時電壓值進行準(zhǔn)確采集;最后根據(jù)原車安裝尺寸對新型電壓調(diào)整器外形進行設(shè)計，以便能夠?qū)εf設(shè)備進行直接替換。

重點提醒：當(dāng)柴油機處于正常工作狀態(tài)時，必須通過斷開輔發(fā)扳鍵來對A、B兩套新型電壓調(diào)整器進行切換調(diào)整，從而避免系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時硬件系統(tǒng)被損壞。

截止到目前為止，經(jīng)過為期一年的工業(yè)試驗測試，新型電壓調(diào)整器的工作功能完全能夠滿足實際需求，不僅讓機車蓄電池的安全性能得到有效提高，同時還對機車蓄電池的使用壽命得到有效延長。新型電壓調(diào)整器無論在工作原理、電氣線路排布方面，還是在安裝尺寸方面都適應(yīng)絕大多數(shù)內(nèi)燃機車。因此，下一步工作就是加大新設(shè)產(chǎn)品使用推廣力度，以便機車蓄電池更加安全可靠。

4? 結(jié)束語

經(jīng)過多次試驗驗證，新型電壓調(diào)整器運行效果良好。無論是硬件設(shè)計方面，還是軟件設(shè)計方面都符合設(shè)計需求，為蓄電池的安全使用提供了巨大保障。新型電壓調(diào)整器在安裝適用性方面具有較大的通用性，不僅可以對機車維修費用進行有效降低，同時還可以對機車安全可靠性進行有效提高。

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