蔣斌鵬

(廣深鐵路股份有限公司 廣州機(jī)務(wù)段， 廣州 510010)

內(nèi)燃機(jī)車在未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)有必要對(duì)機(jī)車相關(guān)電氣技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)來適應(yīng)當(dāng)今對(duì)牽引動(dòng)力設(shè)備高可靠性的要求。在內(nèi)燃機(jī)車110 V電壓調(diào)整器功能的控制方面，進(jìn)行優(yōu)化研究，以提升機(jī)車質(zhì)量可靠性。

內(nèi)燃機(jī)車采用的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)為直流電機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它作為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由蓄電池供電來起動(dòng)柴油機(jī)；當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)完畢運(yùn)轉(zhuǎn)后，作為他勵(lì)發(fā)電機(jī)(由柴油機(jī)的聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn))，通過電壓調(diào)整器控制勵(lì)磁，發(fā)出110 V的直流電。電壓調(diào)整器為A、B組雙套裝置，其作用是通過自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使啟動(dòng)發(fā)電機(jī)在1 160～2 700 r/min(相當(dāng)于柴油機(jī)430～1 000 r/min)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，無論啟動(dòng)發(fā)電機(jī)是空載還是滿載，其輸出電壓均保持DC 110 V。此時(shí)110 V輸出電壓分別給蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電以及提供機(jī)車控制、輔助系統(tǒng)工作所需的電源。目前，現(xiàn)行的電壓調(diào)整器控制輸出為110 V恒壓制，在實(shí)際運(yùn)行中主要存在以下不足：

一是無法對(duì)機(jī)車蓄電池狀態(tài)進(jìn)行判斷并采取合理的充電模式。充電分為限流充電、快速充電和浮充電3種模式，現(xiàn)僅庫內(nèi)充電機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同模式的切換，而機(jī)車上的電壓調(diào)整器無法自動(dòng)調(diào)整適宜的充電模式，降低了蓄電池的使用壽命和質(zhì)量可靠性。

二是無機(jī)車蓄電池工作溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。無論是采用浮充電方式還是采用均衡充電方式，充電電壓都要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如：某蓄電池單節(jié)的溫度補(bǔ)償系數(shù)為-3.5 mV/℃(不同產(chǎn)品單節(jié)補(bǔ)償系數(shù)不同，有的為-4.0 mV/℃，內(nèi)燃機(jī)車一般有48個(gè)單節(jié)), 即溫度每升高1 ℃，蓄電池單節(jié)的浮充或均充電壓應(yīng)降低3.5 mV，而溫度每降低1 ℃，蓄電池單節(jié)的浮充或均充電壓應(yīng)升高3.5 mV。如果在長期使用過程中，蓄電池的充電設(shè)備沒有溫度補(bǔ)償功能，浮充或均充電壓值不變，那么在溫度較低時(shí)會(huì)造成蓄電池充電不足，而在溫度較高時(shí)又會(huì)造成蓄電池過充。蓄電池長期充電不足，會(huì)引起蓄電池的容量非正常衰減。而蓄電池長期過充電，會(huì)引起蓄電池內(nèi)的電解液干涸、蓄電池內(nèi)阻增加、蓄電池單節(jié)溫度異常升高鼓脹，最終導(dǎo)致蓄電池壽命提前終止。尤其在我們?nèi)A南地區(qū)，從5月1日～11月1日均為長時(shí)間的高溫天氣，蓄電池組經(jīng)常發(fā)生單節(jié)鼓脹、開路及電解液損耗大等慣性問題。其原因?yàn)椋盒铍姵叵鋬?nèi)溫度過高(尤其是調(diào)車機(jī)最為嚴(yán)重，其運(yùn)行速度較低，電池箱內(nèi)部氣流不強(qiáng)致蓄電池組溫度達(dá)60 ℃～70 ℃)，一般蓄電池的工作環(huán)境溫度為：-40～50 ℃或-40～40 ℃，而此時(shí)在110 V的恒壓、高溫下補(bǔ)充電會(huì)導(dǎo)致蓄電池長時(shí)間嚴(yán)重過充，其電解水的副反應(yīng)速率大增，電解水的產(chǎn)物是生成氧氣和氫氣。氫氣在蓄電池內(nèi)部不能復(fù)合，氫氣會(huì)在蓄電池氣室內(nèi)不斷累積，同時(shí)如果氧氣產(chǎn)生的速率大于氧氣在負(fù)極的復(fù)合速率，氧氣也會(huì)在氣室內(nèi)累積，最后蓄電池單節(jié)內(nèi)的壓力不斷增大，致使蓄電池單節(jié)鼓脹或爆裂。每年夏季廣州機(jī)務(wù)段因高溫天氣導(dǎo)致機(jī)車蓄電池組爆裂、鼓脹的有20多臺(tái)份。因電池單節(jié)為物理損壞，大部分電池均無法恢復(fù)，只能作報(bào)廢處理，嚴(yán)重影響了機(jī)車質(zhì)量安全，增加了機(jī)車檢修成本。

三是現(xiàn)在的電壓調(diào)整器A、B組獨(dú)立的雙套裝置(兩組調(diào)整器無任何電氣關(guān)聯(lián))，當(dāng)一組故障需轉(zhuǎn)換到另一組時(shí)須人工調(diào)換扁插，故障應(yīng)急處置不便，且扁插連接可靠性差，極易出現(xiàn)電氣接觸不良故障。

1 設(shè)計(jì)方案確立

為解決舊設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中多方面的不足，研發(fā)新的電壓調(diào)整器來提升機(jī)車質(zhì)量可靠性，新產(chǎn)品具備以下功能和指標(biāo)：

(1) 對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。充電方式分為限流充電，快速充電和浮充電3種模式，其中限流充電和快速充電屬于均充模式。均充充電壓設(shè)定為112 V，浮充電壓設(shè)定為108 V。當(dāng)監(jiān)控模塊檢測到蓄電池電壓放電低于96 V時(shí)，電壓調(diào)整器將工作在均充快速充電狀態(tài)，輸出電壓為112 V，充電電流最大為45 A；隨著充電過程的持續(xù)，當(dāng)充電電流小于25 A時(shí)，轉(zhuǎn)為浮充電狀態(tài)，輸出電壓為108 V。

(2) 對(duì)充電器的各種工作狀態(tài)、參數(shù)和故障進(jìn)行滾動(dòng)顯示。

(3) 根據(jù)蓄電池實(shí)際工作溫度，按照不同廠家的蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償(因不同廠家、型號(hào)的電池溫度補(bǔ)償系數(shù)各異，可利用主機(jī)的功能按鍵進(jìn)行大小設(shè)置)，防止蓄電池單節(jié)過充或欠充問題的發(fā)生。

(4) 系統(tǒng)工作電壓為DC 70～130 V，輸出電壓值為106～112 V。

(5) 新型電壓調(diào)整器輸出電壓分析。內(nèi)燃機(jī)車輸出端電壓要求為(110±2) V(即：最高電壓為112 V)，新型電壓調(diào)整器的最高輸出電壓也為112 V，符合原車技術(shù)要求；內(nèi)燃機(jī)車固定發(fā)電端電壓要求為105～108 V (即：最低電壓為105 V)，新型電壓調(diào)整器最低輸出電壓為106 V，符合原車技術(shù)要求。

綜上述，機(jī)車新型電壓調(diào)整器的輸出電壓為106～112 V，在內(nèi)燃機(jī)車供電電壓105～112 V的區(qū)間范圍內(nèi)，因此內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)合理。

2 設(shè)計(jì)方案實(shí)施

2.1 裝置硬件構(gòu)成

新型電壓調(diào)整器由系統(tǒng)主機(jī)、蓄電池溫度檢測電路、蓄電池電流檢測電路、蓄電池電壓檢測電路等組成。

其中，系統(tǒng)主機(jī)由以下幾個(gè)功能模塊組成：主控芯片模塊，ADC采樣模塊，PWM控制模塊，顯示與人機(jī)互動(dòng)模塊以及通訊接口模塊。

2.2 裝置工作原理

2.2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2.2系統(tǒng)工作過程

在機(jī)車正常運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)兩端并聯(lián)的電壓傳感器實(shí)時(shí)檢測蓄電池的電壓，系統(tǒng)主機(jī)通過采取傳感器電壓信號(hào)經(jīng)過ADC采樣模塊轉(zhuǎn)化獲取蓄電池的實(shí)時(shí)電壓值，同時(shí)，安裝在蓄電池正極的電流傳感器實(shí)時(shí)檢測蓄電池的電流，系統(tǒng)主機(jī)同樣通過采集傳感器的電流信號(hào)經(jīng)過ADC采樣模塊轉(zhuǎn)化獲取蓄電池的實(shí)時(shí)電流值，最后，安裝在蓄電池箱內(nèi)部的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集的蓄電池溫度值也通過ADC采樣模塊轉(zhuǎn)化被系統(tǒng)主機(jī)獲取。系統(tǒng)主機(jī)通過這3個(gè)傳感器獲取到的蓄電池即時(shí)電壓，電流和溫度值，結(jié)合用戶蓄電池充放電需求，先對(duì)蓄電池溫度補(bǔ)償表對(duì)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，然后通過軟件內(nèi)部PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，確定充放電的電流、電壓以及充放電模式，然后，通過調(diào)節(jié)主機(jī)的PWM模塊的PWM波占空比來控制一個(gè)大功率開關(guān)管，間接控制勵(lì)磁繞組的電流大小，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓大小。最后檢測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和蓄電池充放電狀態(tài)等信息將在主機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，供維護(hù)人員監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計(jì)

2.3.1主控芯片模塊

系統(tǒng)主機(jī)的主控芯片采用TI的PICCOLO系列的32位DSP，運(yùn)行頻率為60 MHz具有12路PWM，16路12 bit的AD。被廣泛用做環(huán)境復(fù)雜的DC/DC電源和逆變器等。使用MCU自帶的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，結(jié)合傳感器采集發(fā)電電壓、充電電流和蓄電池箱溫度3個(gè)模擬物理量。系統(tǒng)軟件采用Bootloader+Application的方式，方便后期維護(hù)與升級(jí)。軟件架構(gòu)圖如圖2所示。

2.3.2ADC采樣模塊

系統(tǒng)需要同時(shí)采集機(jī)車蓄電池的電壓、電流和溫度3個(gè)模擬物理量，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三路模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，通過系統(tǒng)主機(jī)外部的傳感器采集到對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，主控芯片對(duì)采集到的電壓，電流和溫度值進(jìn)行綜合判斷計(jì)算。

2.3.3PWM控制模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有PWM(脈沖寬度調(diào)制)模塊，主要用于調(diào)節(jié)和控制機(jī)車蓄電池電壓大小。通過系統(tǒng)主控芯片輸出實(shí)時(shí)變化的占空比的脈沖方波電壓，脈沖電壓控制系統(tǒng)主機(jī)上的功率開關(guān)管，開關(guān)管再通過打開和關(guān)斷的頻率控制機(jī)車上勵(lì)磁繞組的電流大小，從而控制輔助發(fā)電機(jī)的輸出電壓大小。驅(qū)動(dòng)采用隔離型專用芯片F(xiàn)OD3084，配套電源為BCP011515,功率管為高壓MOS管FOD50N50。DS間耐電壓最高500 V，最大電流50 A,設(shè)計(jì)有RC和二極管吸收回路，對(duì)過電壓進(jìn)一步吸收。

圖2 軟件架構(gòu)圖

2.3.4顯示與人機(jī)互動(dòng)模塊

系統(tǒng)采用一塊6位的LED數(shù)碼顯示屏及4個(gè)按鍵，數(shù)碼顯示屏直接集成到電壓調(diào)節(jié)器的主機(jī)上，循環(huán)顯示系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和蓄電池狀態(tài)，包括電壓、電流值和溫度值等參數(shù)。同時(shí)，維護(hù)人員可通過主機(jī)面板上的功能按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，包括電壓、電流門限值修改等。

2.3.5通訊接口模塊

通訊接口設(shè)計(jì)為一個(gè)RS232的DB9(母端口)串行接口。系統(tǒng)通訊接口模塊主要是用于專業(yè)人員的調(diào)試和產(chǎn)品維護(hù)人員的軟件程序升級(jí)使用，平時(shí)采用防塵帽遮蓋。

2.4 系統(tǒng)主機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)外圍電路主要由3個(gè)傳感器電路組成，包括蓄電池溫度檢測電路、蓄電池電流檢測電路、蓄電池電壓檢測電路。

蓄電池溫度檢測電路由一個(gè)溫度傳感器及其傳感器線路組成，溫度傳感器置于機(jī)車蓄電池箱內(nèi)，傳感器須貼近蓄電池表面以獲得蓄電池最真實(shí)的實(shí)時(shí)溫度。選型采用PT100溫度變送器對(duì)應(yīng)0 ℃～100 ℃輸出4～20 mA。

蓄電池電流檢測電路由一個(gè)電流傳感器及其傳感器線路組成，電流傳感器采用霍爾電流傳感器，環(huán)套于機(jī)車蓄電池正極線路上。選型采用TBC300TBH型電流傳感器采集蓄電池充放電電流，比例為300 A∶3 V。

蓄電池電壓檢測電路由一個(gè)電壓傳感器及其傳感器線路組成，采用霍爾電壓傳感器，電壓傳感器并聯(lián)在機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)的正負(fù)兩極上，以獲取蓄電池的實(shí)時(shí)電壓。選型采用LV25型電壓傳感器，比例為188.40 V∶3 V。

2.5 系統(tǒng)雙套冗余設(shè)計(jì)

新型電壓調(diào)整器采用雙套冗余設(shè)計(jì)，采用冷備份的方式運(yùn)行。雙套系統(tǒng)分為A、B兩套，B套為備份系統(tǒng)，機(jī)車檢修、司乘人員可通過系統(tǒng)切換開關(guān)迅速切換到備份系統(tǒng)，且對(duì)外插頭采用一個(gè)高可靠的航空插頭連接，解決原扁插頭易接觸不良及應(yīng)急處置不人性化等缺點(diǎn)。

3 新型電壓調(diào)整器的應(yīng)用

經(jīng)對(duì)現(xiàn)場需求及反復(fù)論證，新型電壓調(diào)整器樣品已研發(fā)成型，新設(shè)備在地面及試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，相關(guān)功能均正常?？紤]到廣州機(jī)務(wù)段內(nèi)燃調(diào)車機(jī)運(yùn)行速度低，其蓄電池箱內(nèi)溫度更高，環(huán)境更惡劣情況，決定首先以DF5調(diào)車機(jī)為考核運(yùn)用機(jī)型。DF5機(jī)車新型電壓調(diào)整器對(duì)外接口圖如圖3所示。

圖3 對(duì)外接口圖

具體的安裝方案為：在機(jī)車蓄電池箱外壁開一φ10孔，將PT100溫度變送器感溫桿穿入孔后用螺母緊固好，此時(shí)感溫元件可貼近蓄電池單節(jié)表面獲得最準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)溫度；TBC300TBH型電流傳感器環(huán)套于機(jī)車蓄電池正極線路上，實(shí)時(shí)采集電池的電流大?。籐V25型電壓傳感器并聯(lián)在機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)的正負(fù)兩極上，實(shí)時(shí)采集電池的電壓大小；新型電壓調(diào)整器的安裝尺寸按原車設(shè)計(jì)，可直接替換舊設(shè)備。

特別提醒：當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，新型電壓調(diào)整器A、B組需轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)，必須斷開輔發(fā)扳鍵開關(guān)(5K)后方可轉(zhuǎn)換操作，防止帶電轉(zhuǎn)換損壞系統(tǒng)硬件。

目前，新型電壓調(diào)整器在廣州機(jī)務(wù)段DF5機(jī)車上運(yùn)行了一年多，其性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，有效提升了機(jī)車蓄電池的質(zhì)量可靠性。新型電壓調(diào)整器在所有內(nèi)燃機(jī)車上的電氣控制線路、控制原理，安裝方案、尺寸均一致，下一步將逐步推廣應(yīng)用于廣州機(jī)務(wù)段DF4B、DF4C、DF11和DF12等內(nèi)燃機(jī)型上，確保機(jī)車蓄電池質(zhì)量穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過對(duì)電壓調(diào)整器相關(guān)功能進(jìn)行了深入研究，分析梳理了三項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)化項(xiàng)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)車運(yùn)用特性，研制了新的電壓調(diào)整器，并在DF5機(jī)車上運(yùn)用考核良好，其軟、硬件均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求，使蓄電池質(zhì)量得到了大的提升。目前，內(nèi)燃機(jī)車均用電壓調(diào)整器來控制110 V輸出，因此其他路局機(jī)務(wù)段存在同樣的問題困擾。新設(shè)計(jì)的電壓調(diào)整器具有通用性，在內(nèi)燃機(jī)車上均可適用，可有效解決現(xiàn)行設(shè)備運(yùn)行的諸多弊端,提升了機(jī)車質(zhì)量安全,降低了機(jī)車檢修成本。