王成波

（江蘇常牽龐巴迪牽引技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213100）

蓄電池緊急牽引用充電機(jī)控制系統(tǒng)研究

王成波

（江蘇常牽龐巴迪牽引技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213100）

緊急牽引用蓄電池是地鐵車(chē)輛的動(dòng)力能源，蓄電池的再充電一直是地鐵車(chē)輛的薄弱環(huán)節(jié)?；诒本┑罔F16號(hào)線車(chē)輛的需求，開(kāi)發(fā)了一款零電壓移相全橋結(jié)構(gòu)的數(shù)字智能化蓄電池充電機(jī)。分析了充電機(jī)的基本工作原理、硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于充電模式自動(dòng)切換的數(shù)字閉環(huán)控制策略。最后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該充電機(jī)控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。

零電壓；蓄電池；充電機(jī)；數(shù)字控制

當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛處于緊急情況，例如，出現(xiàn)架空接觸網(wǎng)的功率損耗、接觸網(wǎng)故障時(shí)，為了確保AW3載荷列車(chē)能在合理的時(shí)間內(nèi)自我牽引到下一個(gè)站臺(tái)，便于乘客安全撤離，車(chē)輛中必須配備緊急牽引用蓄電池?；谏鲜霈F(xiàn)象存在的考慮，北京地鐵16號(hào)線（簡(jiǎn)稱(chēng)BJL16）提出了在列車(chē)中配備緊急牽引用蓄電池和充電機(jī)，在接觸網(wǎng)正常情況下始終保證蓄電池處于充滿(mǎn)電狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，牽引蓄電池能保證列車(chē)安全運(yùn)行到下一站臺(tái)，保證乘客的安全，也便于故障的排除和檢修［1］。

基于地鐵業(yè)主的需求，開(kāi)發(fā)了一款15 kW的蓄電池緊急牽引用充電機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)上采用零電壓的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，軟件上基于DSPTMS320F28335實(shí)現(xiàn)了數(shù)字智能化的移相控制。

文中給出了充電機(jī)的硬件框圖，分析了其工作原理。在此基礎(chǔ)上，提出了電壓、電流閉環(huán)的PI數(shù)字控制策略，為了驗(yàn)證所提出控制方法的有效性，文中構(gòu)建了基于電壓、電流閉環(huán)的數(shù)字控制系統(tǒng)。最后，通過(guò)蓄電池的充電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其控制方法的有效性和可靠性，保證充電機(jī)輸出電壓紋波控制在±1%范圍內(nèi)，使蓄電池能安全穩(wěn)定地再充電，從而提高蓄電池的蓄電容量和使用壽命。

1 蓄電池牽引用充電機(jī)工作機(jī)理

BJL16蓄電池緊急牽引用充電機(jī)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，L3為輸入濾波器，輸入側(cè)為交流380V，來(lái)自地鐵車(chē)輛上的ACM輸出信號(hào)（輔助變流器模塊），由于ACM的輸出電壓含有諧波分量和高頻干擾，在輸入側(cè)加入EMI電抗器的目的就是為了濾除諧波以及消除高頻干擾；VD1～VD6組成半控三相全橋整流電路，上橋臂選用半控的晶閘管，下橋臂選用不可控二極管，半控橋整流電路的選用可以使充電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的功能，即充電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻，直流母線電容C1，C2上的電壓緩慢上升，這很大程度上起到對(duì)電容保護(hù)的功能；L1，C1，C2起到對(duì)直流母線濾波的作用，使得母線電壓穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)；VT1～VT4構(gòu)成單相全橋逆變電路，濾波電容C3，C4以及隔直電容C6和變壓器的原邊漏感使得VT1，VT3組成的超前橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和開(kāi)通，進(jìn)而降低IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，提高了蓄電池緊急牽引用充電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率，詳細(xì)的開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)化過(guò)程、變換過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［2-3］；高頻降壓變壓器T1主要將原邊的高頻大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦边叺母哳l小電壓信號(hào)，此外，還起到輸入、輸出隔離的功能；D2～D5構(gòu)成單相全橋不可控整流電路；L2，C5構(gòu)成輸出濾波電路。

圖1 零電壓移相全橋軟開(kāi)關(guān)牽引充電機(jī)硬件拓?fù)銯ig.1 Hardware topology of propulsion battery charger based on zero voltage phase shift full bridge soft switch

當(dāng)接觸電網(wǎng)正常時(shí)，地鐵車(chē)輛受電弓升弓，升弓后若ACM工作正常，即充電機(jī)輸入側(cè)有交流380（1±0.1）V電壓，整流后轉(zhuǎn)換為DC 450～564 V的直流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)移相全橋變換器逆變后轉(zhuǎn)換為AC 450～564 V高頻交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻變壓器和單相全橋整流電路輸出電壓的范圍為DC 242～300 V，經(jīng)過(guò)濾波電路后，使輸出電壓、電流穩(wěn)定輸出。

2 數(shù)字智能化蓄電池牽引用充電機(jī)硬件系統(tǒng)

緊急牽引用蓄電池是地鐵車(chē)輛的動(dòng)力能源，蓄電池的再充電一直是地鐵車(chē)輛的薄弱環(huán)節(jié)，如何提高蓄電池的蓄電容量以及使用壽命，對(duì)于地鐵車(chē)輛而言非常關(guān)鍵，本文提及的充電機(jī)是基于DSP TMS320LF28335數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)移相控制的零電壓軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，基于DSP的移相全橋充電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 移相全橋充電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of phase shift full bridge battery charger

從圖2可以看出，零電壓移相全橋蓄電池緊急牽引用充電機(jī)通過(guò)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)蓄電池的智能化充電，在給定蓄電池充電曲線的基礎(chǔ)上，通過(guò)分別控制蓄電池的充電電流以及蓄電池的充電電壓使蓄電池按照要求充電。軟件中，除了實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓的蓄電池充電的閉環(huán)控制外，還需處理如下任務(wù)：輸出短路保護(hù)；輸出過(guò)流保護(hù)；輸入、輸出過(guò)欠壓保護(hù)；蓄電池溫度過(guò)溫保護(hù)等。下面分別對(duì)蓄電池的充電方式以及控制系統(tǒng)加以研究。

2.1 蓄電池充電方式

蓄電池的充電技術(shù)與其應(yīng)用有著密切的聯(lián)系，過(guò)充或欠充現(xiàn)象非常普遍，為了提高蓄電池的壽命及充電效率需要一個(gè)最優(yōu)的充電方式，目前常見(jiàn)的幾種充電方式如下：

1）恒壓充電。充電過(guò)程中充電電壓保持恒定不變，充電電流隨著蓄電池兩端電動(dòng)勢(shì)的增大而減小。充電初期，充電電流較大，可以實(shí)現(xiàn)快速充電。在此充電過(guò)程中，電流無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，也無(wú)法對(duì)蓄電池去極化處理，在蓄電池充電后期，充電電流較小，極板深處活性物質(zhì)不能恢復(fù)［4］，因此可能導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)欠充現(xiàn)象；

2）恒流充電。充電全程電流恒定，當(dāng)蓄電池充滿(mǎn)后還會(huì)以很小的電流對(duì)蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)［5］；

3）恒壓恒流充電。充電過(guò)程中既有恒壓充電也有恒流充電。

圖3為本蓄電池廠家給出的充電曲線，實(shí)際蓄電池充電試驗(yàn)中的充電曲線與之吻合，能保證蓄電池充滿(mǎn)而不過(guò)充，對(duì)蓄電池本身也是一種維護(hù)，可提高電池的使用次數(shù)和壽命，這樣充電機(jī)的控制邏輯將會(huì)更簡(jiǎn)單，同時(shí)也可以降低蓄電池的電解液損耗，為此，本充電機(jī)采用此恒壓恒流兩階段充電方式［6］。

圖3 蓄電池的充電曲線Fig.3 Battery′s charging curves

2.2 牽引用充電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

針對(duì)蓄電池的充電特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP（即數(shù)字信號(hào)處理器）充電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 緊急牽引用蓄電池充電機(jī)控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of battery charger for emergency propulsion

圖4 中，蓄電池充電初始時(shí)刻，以恒流充電方式充電，電流的參考值為蓄電池充電曲線上給出的電流值，充電機(jī)的輸出電流作為反饋量，給定值與反饋值作偏差作為PI控制器的輸入信號(hào)，變壓器原邊電流經(jīng)過(guò)電流傳感器采樣作為第2級(jí)PI控制器的反饋量，與第1級(jí)PI控制器輸出信號(hào)作差分后經(jīng)過(guò)第2級(jí)PI控制器得到的信號(hào)作為全橋變換器的移相角，通過(guò)控制移相角使開(kāi)關(guān)管的占空比不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在恒流充電階段，當(dāng)蓄電池兩端的電動(dòng)勢(shì)升高到當(dāng)前蓄電池溫度對(duì)應(yīng)的電壓值時(shí)（具體有蓄電池溫度補(bǔ)償曲線決定），充電模式自動(dòng)切換到恒壓模式，恒壓模式整個(gè)控制流程與恒流模式相似，如圖4所示。恒壓模式階段，蓄電池上的充電電流逐漸減小至0，至此，蓄電池充滿(mǎn)電處于浮充狀態(tài)。圖4中，采樣變壓器原邊電流作為第2級(jí)控制器的反饋信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是防止占空比大于50%時(shí)，發(fā)生次諧波振蕩。

3 試驗(yàn)研究

BJL16列車(chē)采用鉛酸蓄電池組，整車(chē)采用3組蓄電池組，蓄電池的額定電壓為DC 242 V，單體安時(shí)數(shù)為180 A·h，根據(jù)上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)充電機(jī)的軟件，在接觸網(wǎng)處于正常狀態(tài)時(shí)，列車(chē)受電弓升弓，對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。

圖5為移相全橋電路超前橋臂上管和滯后橋臂下管的驅(qū)動(dòng)波形。從圖5中可以看出這一組PWM波形具有明顯的移相角，圖中光標(biāo)?，?之間相距52.76 μs，周期為105.52 μs，移相角為180°。通過(guò)控制此移相角的變化，進(jìn)而使占空比不斷變化，使充電機(jī)穩(wěn)定輸出，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒壓、恒流充電。

圖5 移相PWM驅(qū)動(dòng)波形Fig.5 Drive wave forms of shift phase PWM

在蓄電池充電過(guò)程中，示波器同時(shí)測(cè)量蓄電池充電電壓、充電電流以及超前橋臂上管的驅(qū)動(dòng)波形，分別為圖6中的通道④（縱軸為電壓，單位為V（100 V/格））、通道③（橫軸為時(shí)間，單位為s（4s/格），縱軸為電流，單位為A（15 A/格））以及通道①（橫軸為時(shí)間，單位為s（4 s/格），縱軸為幅值，單位為V（10 V/格））。

圖6 蓄電池充電過(guò)程中充電機(jī)的輸出波形Fig.6 Output waveforms of battery charger during battery′s charging

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出當(dāng)有高頻PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，充電機(jī)約有12 s左右的緩啟動(dòng)過(guò)程，在緩啟動(dòng)過(guò)程中輸出電壓、輸出電流緩慢上升，沒(méi)有出現(xiàn)振蕩或過(guò)大的尖峰電壓，電流、最大充電電壓可以穩(wěn)定在DC 280 V，最大充電電流可以維持在DC 30 A，輸出電壓、電流紋波較小，經(jīng)測(cè)量紋波控制在±1%范圍內(nèi)。滿(mǎn)足蓄電池充電的性能指標(biāo)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了控制方法的有效性。

4 結(jié)論

針對(duì)BJL16地鐵車(chē)輛的需求，開(kāi)發(fā)了一款蓄電池緊急牽引用充電機(jī)，本文簡(jiǎn)要地分析了充電機(jī)的工作原理，硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，提出了蓄電池的充電模式。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了充電機(jī)的控制系統(tǒng)，根據(jù)此控制系統(tǒng)進(jìn)行了蓄電池的充電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本充電機(jī)實(shí)現(xiàn)蓄電池充電模塊在充電模式下最大的充電電流為30 A，最大充電電壓為280 V，充電效率高于90%，能完全匹配蓄電池溫度補(bǔ)償曲線，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此模塊具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

［1］雷元林，黃元峰，袁霄宇.一種電動(dòng)汽車(chē)蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（24）：113-117.

［2］郝振宇，王洪慶.基于DSP的移相全橋變換器的研究［J］.電氣傳動(dòng)，2007，37（1）：26-29.

［3］WKlontz K，Esser A，Wolfs PJ，et al.Converter Selection for Electrical Vehicle Charger Systems with a High-power Link［J］.IEEE Transactions on Industry Electronics，1994，36（3）：455-462.

［4］趙永強(qiáng)，侯紅玲.蓄電池智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，26（3）：4-8.

［5］張小群.智能型大功率蓄電池充電機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海大學(xué)，2007.

［6］季昕.蓄電池充電機(jī)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

Control System Research on Battery Charger Used for Emergency Propulsion

WANG Chengbo
（Bombardier CPC Propulsion System Co.，Ltd.，Changzhou 213100，Jiangsu，China）

Battery used for emergency propulsion is the power source of the metro vehicle.The battery′s recharging is always a weak link to the vehicle.Based on the requirement of the vehicle in Beijing metro line 16，a intelligent digital battery charger was developed based on zero-voltage phase shift full bridge structure.The basic working principle and the hardware system of battery charger were analyzed，on the basis，the digital closed loop control strategy that could make the battery charging mode switch automatically was designed.Finally，the validity and reliability of the control system were verified by experiment.

zero voltage；battery；battery charger；digital control

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20171008

王成波（1983-），男，碩士，工程師，Email：cbw_2010@126.com

2016-08-24

修改稿日期：2016-11-01