一種電氣化公路受電弓的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 超,張華俊

中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

國(guó)際能源署(IEA)提出,公路貨運(yùn)電氣化已成為發(fā)展方向,并預(yù)測(cè)到2050年,36%的重型貨運(yùn)卡車將采用受電弓方案。2017年,交通運(yùn)輸部、財(cái)政部等14個(gè)部門也在文件中提出要全面推動(dòng)城市貨運(yùn)車輛電動(dòng)化的進(jìn)程。

傳統(tǒng)公路運(yùn)輸中重型卡車燃油車污染高,《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)2018年度報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示:占汽車保有量3.4%的重型柴油貨車和大型客車(分別為84萬(wàn)輛和617萬(wàn)輛)的尾氣污染物排放分別占全部汽車CO、HC、NOx和PM總排放的25.7%,32.0%,70.8%和75.2%。

一般電動(dòng)儲(chǔ)能式卡車?yán)m(xù)航差,一般電動(dòng)重卡續(xù)航里程為300 km左右,還需要配套的充電設(shè)備,在極冷環(huán)境下,續(xù)航還會(huì)縮水,電池也存在使用壽命的問題。而采用輕量電池加接觸網(wǎng)的形式,能夠既保持車輛續(xù)航性又解決碳排放的問題,有接觸網(wǎng)隨時(shí)給車輛提供動(dòng)力,無(wú)接觸網(wǎng)時(shí)采用其輕量蓄電池能夠短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)行駛。

車輛從電網(wǎng)取得電力,驅(qū)動(dòng)卡車行駛。其中受電弓是最重要的部分,但受電弓一般應(yīng)用在城軌、高鐵、地鐵和部分公交車上,公交車上的受電弓長(zhǎng)6 m,只適用于時(shí)速40～50 km,而且不支持動(dòng)態(tài)升降,接觸面小,高鐵上的受電弓雖然可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)升降,但是成本很高,而且列車網(wǎng)和汽車網(wǎng)采用的是不同的通信網(wǎng)絡(luò)。所以要專門針對(duì)電氣化公路的受電弓進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]中提到了用受電弓進(jìn)行取電的方式,文獻(xiàn)[2]也對(duì)接觸網(wǎng)公路受電弓進(jìn)行了研究。本文對(duì)受電弓控制設(shè)計(jì)和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分基于汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂撇糠滞ㄟ^選用運(yùn)動(dòng)控制器、布置壓力開關(guān)、采用行程開關(guān)對(duì)受電弓的升降進(jìn)行控制,并對(duì)狀態(tài)反饋、脫網(wǎng)檢測(cè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在我國(guó)首條電氣化公路示范線進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用裝車考核,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)。

1 工況對(duì)比

分析鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸?shù)牟煌r,見表1。

表1 鐵路和公路運(yùn)行工況對(duì)比

針對(duì)電氣化公路受電弓的運(yùn)行工況,需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)通過CAN網(wǎng)絡(luò)與車輛建立網(wǎng)絡(luò)通信,接收車輛控制指令。

2)針對(duì)公路運(yùn)輸復(fù)雜的運(yùn)行路面狀況,需及時(shí)反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)給車輛,確定是處于升弓搭觸接觸網(wǎng)狀態(tài)還是降弓折疊狀態(tài)。

3)針對(duì)公路運(yùn)輸中特殊情況,車輛搭網(wǎng)取電行駛過程中可能開出接觸網(wǎng)范圍時(shí),需要對(duì)受電弓進(jìn)行降弓保護(hù)。

2 設(shè)計(jì)過程

受電弓控制系統(tǒng)包括通信模塊、接觸網(wǎng)脫網(wǎng)監(jiān)測(cè)、受電弓升降弓監(jiān)測(cè)、控制處理、升降弓控制幾個(gè)部分?？刂屏鞒虉D如圖1所示。

圖1 受電弓控制系統(tǒng)程序流程

2.1 受電弓控制系統(tǒng)接入車輛網(wǎng)絡(luò)

高鐵受電弓通信系統(tǒng)為MVB(multifunction vehicle bus)多功能車輛總線,或者TRDP(train real-time data protocol)協(xié)議,用于軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò),均不符合汽車行業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。汽車行業(yè)采用CAN(controller area network)總線協(xié)議進(jìn)行通信,CAN通信通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,所以本設(shè)計(jì)選用一款支持CoDeSys編程和CAN通信的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行開發(fā)。受電弓控制系統(tǒng)采用CAN通信接入車輛網(wǎng)絡(luò)。

信號(hào)傳遞的設(shè)計(jì)分為車輛發(fā)送給受電弓的控制信號(hào)和受電弓發(fā)送給車輛的反饋信號(hào)。首先對(duì)車輛和受電弓之間的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行通信協(xié)議的定義。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為8字節(jié),對(duì)每個(gè)字節(jié)的位進(jìn)行點(diǎn)位定義,包括信號(hào)名稱、信號(hào)描述、起始字節(jié)、起始位、信號(hào)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型。車輛到受電弓的控制命令定義如表2所示。受電弓控制系統(tǒng)到車輛的信號(hào)定義如表3所示。

表2 車輛控制信號(hào)

表3 受電弓狀態(tài)信號(hào)

2.2 受電弓升降弓狀態(tài)監(jiān)測(cè)

CoDeSys程序中定義2點(diǎn)和3點(diǎn)的IO引腳,通過控制器IO監(jiān)測(cè)壓力開關(guān)的點(diǎn)位的通斷狀態(tài),判斷升弓降弓是否到位(見圖2)。

圖2 升降弓狀態(tài)點(diǎn)位定義

在受電弓氣路中增加壓力開關(guān)來檢測(cè)升降弓狀態(tài),預(yù)設(shè)升弓時(shí)的壓力值,當(dāng)進(jìn)氣壓力P大于設(shè)定值時(shí),壓力開關(guān)1～3點(diǎn)接通、1～2點(diǎn)斷開,表示壓力已達(dá)到升弓氣壓,升弓到位。當(dāng)進(jìn)氣壓力P小于設(shè)定值時(shí)壓力開關(guān)1～3點(diǎn)斷開、1～2點(diǎn)接通,表示已達(dá)到降弓氣壓,降弓到位(見圖3)。

圖3 壓力開關(guān)工作原理圖

從程序接收到車輛CAN網(wǎng)絡(luò)的升弓信號(hào),到升弓到位這段時(shí)間為升弓過程。在CAN網(wǎng)絡(luò)升弓指令給出一定時(shí)間后判斷氣壓是否達(dá)到升弓條件,從而判斷升弓是否有異常。

從程序接收到車輛CAN網(wǎng)絡(luò)的降弓信號(hào),到降弓到位這段時(shí)間為降弓過程。在CAN網(wǎng)絡(luò)降弓指令給出一定時(shí)間后判斷氣壓是否達(dá)到降弓條件,從而判斷降弓是否有異常,異常均通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車輛,以便車輛進(jìn)行判斷。

2.3 升降弓控制

受電弓的升降弓由升弓閥的得電時(shí)間控制,升弓閥得電時(shí)受電弓氣路打開,受電弓氣囊做功頂起受電弓下臂進(jìn)行升弓。升弓閥失電時(shí)受電弓氣路關(guān)閉,并進(jìn)行排氣,受電弓降弓。

快降閥是在降弓過程中加快排氣的設(shè)備,得電時(shí)快速排除氣囊氣壓,實(shí)現(xiàn)快速降弓。升弓閥、降弓閥共同控制受電弓的狀態(tài),控制狀態(tài)見表4。

表4 升降弓閥控制受電弓狀態(tài)

控制系統(tǒng)接到車輛的升降弓指令后,通過IO輸出引腳控制升弓閥和快降閥的得電時(shí)間,控制氣路氣壓,從而實(shí)現(xiàn)升弓和降弓。CoDeSys程序中定義DO_X12引腳控制升弓閥,DO_X13控制快降閥(見圖4)。

圖4 引腳控制升弓電磁閥和快降電磁閥通電

2.4 接觸網(wǎng)脫網(wǎng)監(jiān)測(cè)

車輛由于行駛運(yùn)行時(shí),受到線路條件、司機(jī)駕駛水平、道路顛簸、讓車等影響,存在左右位移超過車頂接觸網(wǎng)線的情況,此時(shí)需要受電弓快速降弓以防止刮蹭接觸網(wǎng)。

通過在受電弓碳滑板兩端加裝限位開關(guān),觸發(fā)后判斷為脫網(wǎng)狀態(tài),受電弓自動(dòng)快速降弓,同時(shí)發(fā)送故障信號(hào)給車輛,起到保護(hù)作用(見圖5)。

圖5 微動(dòng)開關(guān)安裝位置

限位開關(guān)選用微動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn),當(dāng)接觸網(wǎng)壓到機(jī)械限位時(shí)開關(guān)閉合,通過控制系統(tǒng)的IO檢測(cè)開合狀態(tài)來獲取脫網(wǎng)信息。開關(guān)一端由控制器供電,另一端檢測(cè)電壓來判斷是否接通(見圖6)。

圖6 引腳讀取微動(dòng)開關(guān)通斷狀態(tài)

CoDeSys程序中定義DI_X02引腳、DI_X03引腳分別來檢測(cè)2個(gè)微動(dòng)開關(guān)的通斷狀態(tài)(見圖7)。

圖7 微動(dòng)開關(guān)工作示意圖

3 應(yīng)用效果

受電弓控制器搭載在受電弓上,并接入車輛CAN網(wǎng)絡(luò)總線,供電后接收車輛控制信號(hào)后,受電弓正常升降,表示網(wǎng)絡(luò)通信功能正常、受電弓動(dòng)作控制正常。通過車輛顯示屏能夠顯示受電弓處于升弓狀態(tài)表示狀態(tài)信息反饋正常。車輛在經(jīng)過起伏路、上下陡坡、搓板路、緊急制動(dòng)各種工況下,受電弓仍然保持正常受流。車輛在運(yùn)行過程中特意偏離接觸網(wǎng),微動(dòng)開關(guān)正常觸發(fā),受電弓自動(dòng)降弓,表示脫網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能正常,應(yīng)用效果見圖8。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)受電弓在電氣化汽車行業(yè)裝車的條件,提出一種基于CAN網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,滿足了受電弓在電氣化公路上的運(yùn)用條件,具備狀態(tài)檢測(cè)和接觸網(wǎng)脫網(wǎng)保護(hù)功能,能更好地適應(yīng)公路的運(yùn)行狀況。并且搭載在電氣化公路示范線卡車的受電弓上,在電氣化公路示范線上運(yùn)行通過了考核。