某型充電電源典型故障分析及對策研究

梁洪濤 王 騰 陳小雷 王陸童

（1.海裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引言

2012年起某型蓄電池牽引電機(jī)車充電電源和電瓶牽引車充電電源陸續(xù)交用于兩型裝備車輛充電，為大型裝備提供牽引動力。至2020年一套充電電源電流表不亮（見圖1），電源其它指示燈正常。經(jīng)系統(tǒng)分析認(rèn)為電流表不適應(yīng)沿海的高溫、高濕環(huán)境，造成損壞所致，最初解決措施為更換電流表。后經(jīng)深入分析排查發(fā)現(xiàn)該兩型車輛充電電源在長時(shí)間使用后，暴露出電流表和電壓表損壞現(xiàn)象突出、調(diào)壓功能設(shè)計(jì)不合理、自動斷電功能時(shí)好時(shí)壞、蓄電池充電存在發(fā)熱著火隱患等一系列故障，嚴(yán)重影響使用。為徹底排除裝備故障，從設(shè)計(jì)源頭入手，及時(shí)對裝備設(shè)計(jì)原理、工作機(jī)制、使用環(huán)境進(jìn)行了全面復(fù)查和分析，找準(zhǔn)問題原因，采取可行措施，提高裝備安全性；另外針對實(shí)用需求優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高裝備的可靠性和實(shí)用性[1，2]。經(jīng)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證和一年多實(shí)際使用，證明改進(jìn)方案合理可行，改進(jìn)措施有效。

圖1 電流表損壞后情況

2 典型故障分析及更改措施

蓄電池牽引電機(jī)車充電電源和電瓶牽引車充電電源交付時(shí)間較長，使用中出現(xiàn)各種故障概率不斷增大，為保障裝備質(zhì)量良好，必須及時(shí)評估裝備狀態(tài)，解決各種問題，確保實(shí)際使用需要。通過現(xiàn)場檢查、設(shè)計(jì)原理復(fù)查和全面的分析評估，蓄電池牽引電機(jī)車充電電源和電瓶牽引車充電電源充電電源裝備中出現(xiàn)的以上幾類問題是目前裝備故障的主要原因，嚴(yán)重影響裝備的使用性能，需要及時(shí)完善設(shè)計(jì)，從源頭徹底消除隱患。

2.1 調(diào)壓功能簡化

原設(shè)計(jì)中的調(diào)壓電路主要作為電源研制初期便于調(diào)試，同時(shí)兼顧用戶不同電壓的電池充電。實(shí)際使用過程中全部定壓充電，專電源專用，調(diào)壓功能設(shè)計(jì)的輸出控制電路、電壓表、電流表成為多余電路，目前設(shè)備檢定要求多，電壓電流表臨近使用壽命故障率較高，增加了維護(hù)保養(yǎng)工作，降低了系統(tǒng)可靠性。

充電電源改為固定輸出電壓后，將不需調(diào)壓，取消調(diào)壓電位器，同時(shí)電壓固定后，電壓電流顯示需求相對降低，考慮表頭需年檢、易損原因，取消電壓表和電流表。原面板圖見圖2，改進(jìn)后面板圖見圖3。改進(jìn)完成后可使充電電源操作簡化，無需確定輸出電壓，電源開機(jī)就給電池充電，“正在充電”和“主充”指示燈亮，電源充電到設(shè)定均流電壓點(diǎn)后，“主充”指示燈滅，“均充”指示燈亮、“正在充電”亮，計(jì)時(shí)到設(shè)定延時(shí)時(shí)間，充電電源停止充電。改進(jìn)前電路圖見圖4，改進(jìn)后固定輸出電路見圖5。通過此更改簡化了設(shè)計(jì)電路和控制邏輯，不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[3]。

圖2 更改前的面板圖

圖3 更改后的面板圖

圖4 調(diào)壓電路原設(shè)計(jì)（部分）

圖5 改進(jìn)后固定輸出電路（部分）

2.2 充電管理改進(jìn)調(diào)整

針對自動斷電功能異常問題，復(fù)查裝備生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)充電電源設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)指標(biāo)為：充滿自動關(guān)機(jī)判據(jù)為小于10A 均流電流，延時(shí)3h 關(guān)機(jī)，電池組長期使用后，內(nèi)阻變化，造成充電電流不能小于10A 均流電流，導(dǎo)致電源無法自動關(guān)機(jī)；裝備自動斷電功能失效后，如長時(shí)間充電蓄電池充電存在的發(fā)熱著火故障模式，復(fù)查充電電源設(shè)計(jì)方案，無對應(yīng)溫度監(jiān)測措施，存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

針對此問題，采取取消輸出接觸器、預(yù)充接觸器等電路簡化措施，調(diào)整后電源交流輸入接通后，以固定電壓直接開始給電池充電，操作簡化，可靠性提高。取消輸出通斷電路的同時(shí)需相應(yīng)改進(jìn)如下：

a.充電關(guān)斷改進(jìn)

由于原充電電源充電完畢后，通過關(guān)斷輸出接觸器達(dá)到結(jié)束充電，取消輸出接觸器后將無法實(shí)現(xiàn)充電結(jié)束后關(guān)斷充電功能，需將關(guān)斷充電更改為：在充電結(jié)束后，關(guān)斷原邊控制脈沖，電源無輸出。具體實(shí)現(xiàn)途徑為：取消分流器R100、接觸器KM2、接觸器KM3、接觸器KM4 和電阻R6，增加輸出二極管。調(diào)整后充電電源在交流輸入接觸器KM1 接通后，充電電源將直接給電池充電。具體實(shí)現(xiàn)電路圖見圖6、圖7。

圖6 原充電電源輸出電路圖

圖7 更改后充電電源輸出電路圖

取消輸出通斷電路后，充電電源啟動后將直接給電池充電，最惡劣情況為電池?zé)o剩余電量，充電電源啟動后，充電電源加壓并應(yīng)直接進(jìn)入限流狀態(tài)。

為防止電源斷電后輸出電路和電池不能斷開，導(dǎo)致電池給輸出電路放電，在輸出正母線增加阻斷二極管V5，選用超快恢復(fù)二極管MURP20040CT，其反向浪涌電壓為400V，正向平均電流為200A，壓降1.25V。

b.充電策略完善

原充電策略：充電電源最先進(jìn)入恒流充電階段（限流100A、降壓），隨著電池電量增加充電電壓上升到額定值，充電電源進(jìn)入恒壓充電階段，電流開始下降，當(dāng)電流降到10A 時(shí)，充電電源進(jìn)入均充延時(shí)階段，計(jì)時(shí)180～270min 后關(guān)斷電源輸出。

改進(jìn)后充電策略：改進(jìn)后充電策略分為一個(gè)主充電策略、一個(gè)分階段計(jì)時(shí)策略、一個(gè)總計(jì)時(shí)策略。主充電策略基本與原充電策略相同，分階段計(jì)時(shí)策略針對電池性能變化后充電電流不能下降造成蓄電池發(fā)熱著火事隱患，分不同電流段，通過計(jì)時(shí)充電電流不能下降到要求值，進(jìn)行關(guān)斷充電，改進(jìn)后充電策略詳見表1，分階段計(jì)時(shí)策略具體階段劃分及判據(jù)見表2?？傆?jì)時(shí)策略是在策略2 失效后總備保策略，該策略與電流無關(guān)，電池一個(gè)完整充電時(shí)間為17h10min，更改總充電策略后充電電源在開始充電就計(jì)時(shí)，工作18h 關(guān)機(jī)，有效避免過充風(fēng)險(xiǎn)。

表1 充電電源改進(jìn)后充電策略

表2 分階段計(jì)時(shí)策略表

c.充電管理板設(shè)計(jì)優(yōu)化

充電管理板保留原接口和尺寸，檢測輸出電流，實(shí)現(xiàn)對整機(jī)充電管理，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定均充電流10A 時(shí)，充電電源進(jìn)行主充模式，當(dāng)輸出電流降到均充10A，延時(shí)3h，充電關(guān)斷。同時(shí)增加分階段計(jì)時(shí)策略和總計(jì)時(shí)策略，分級時(shí)間段內(nèi)電流下降不到要求值，關(guān)斷充電，如果主充和分階段計(jì)時(shí)策略均不能正常關(guān)機(jī)，設(shè)計(jì)開機(jī)計(jì)時(shí)（總充電計(jì)時(shí)），累積計(jì)時(shí)18h 后充電關(guān)斷。

d.均流充電開啟增加滯環(huán)比較器

原設(shè)計(jì)中，充電電流大于10A 時(shí)，電源處于主充模式，隨著充電電流減小到均流的10A，運(yùn)放組成的比較器翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入均流模式，但是如果電流在10A 左右震蕩，將出現(xiàn)充電電源在主充和均充之間來回切換的風(fēng)險(xiǎn)。在均流判斷中增加滯環(huán)比較器，在均流判斷電流點(diǎn)附近形成滯環(huán)帶，滯環(huán)帶內(nèi)狀態(tài)保持，避免了均流判斷電流點(diǎn)震蕩引起的來回切換問題[5]。

3 更改驗(yàn)證情況

兩型充電電源在取消輸出通斷電路后，充電電源啟動后將直接給電池充電，最惡劣情況為電池?zé)o剩余電量，充電電源啟動后，充電電源加壓并應(yīng)直接進(jìn)入限流狀態(tài)。為驗(yàn)證消輸出通斷電路后電源能正常啟動、工作，用模擬電源進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，該電源與充電電源除輸出電壓不同、無電池管理電路外，完全與充電電源相同。

試驗(yàn)主要驗(yàn)證從交流側(cè)開機(jī)即充電，不限流狀態(tài)工作和限流工作兩種模式。

a.驗(yàn)證從交流輸入開機(jī)，不限流狀態(tài)工作

由于電源輸出電壓為110～160V，所以將電源輸出調(diào)整到以下電壓試驗(yàn)：113V，直接開機(jī)，分別啟動20A、66A；140V，直接開機(jī)，啟動83A；160V，直接開機(jī)，啟動94A。

以上分別開機(jī)、關(guān)斷動作30 多次，電源工作正常，通過示波器觀察波形穩(wěn)定，驗(yàn)證了不限流工作性能。

b.驗(yàn)證從交流輸入開機(jī)，電源充電限流啟動

電源輸出160V，限流點(diǎn)在95.5A，啟動139A 負(fù)載，開機(jī)后電源直接進(jìn)入電流模式，電源工作正常，開機(jī)、關(guān)斷動作30 多次電源工作穩(wěn)定、正常。

4 使用驗(yàn)證情況

按設(shè)計(jì)的最新方案，完成一套充電電源的改進(jìn)，并進(jìn)行功能性能測試，完成功能性能測試后試用，與實(shí)際電池進(jìn)行聯(lián)試工作均正常，進(jìn)一步驗(yàn)證了方案的正確性。

對于2012年交付的4 套產(chǎn)品，結(jié)合設(shè)備8年中修按以上方案進(jìn)行更改。中修主要針對實(shí)物的更改方案：

a.更換充電電源前面板；

b.更換充電管理板為新狀態(tài)；

c.控制電路適應(yīng)性更改。

目前已完成裝備及后續(xù)出廠產(chǎn)品的改進(jìn)工作，兩型裝備改進(jìn)交付后，經(jīng)近兩年時(shí)間使用和各項(xiàng)任務(wù)保障，狀態(tài)良好，改進(jìn)后設(shè)備工作穩(wěn)定、操作性好，極大提高了裝備使用效率。

5 結(jié)束語

a.解決裝備使用質(zhì)量問題不應(yīng)只關(guān)注使用性、安全性和現(xiàn)象性問題，更應(yīng)關(guān)注設(shè)計(jì)原理、功能實(shí)現(xiàn)，立足全面分析從根源解決問題。本次針對充電裝備使用中的具體問題，采取更換充電電源前面板、更換充電管理板、控制電路適應(yīng)性更改等措施，能有效改善現(xiàn)有裝備性能，確保裝備耐用。

b.裝備設(shè)計(jì)生產(chǎn)監(jiān)督中應(yīng)更多關(guān)注裝備可靠性、實(shí)用性和保障性，針對使用環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)強(qiáng)壯性和環(huán)境適應(yīng)性。

c.改進(jìn)研制中創(chuàng)新提出電流分段管理方案，杜絕電池充電中不能斷電和電池發(fā)熱甚至燃燒的問題，極大提升了產(chǎn)品可靠性和安全性。