馬帥

摘要：針對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)電壓調(diào)整器日常應(yīng)用中存在的無(wú)蓄電池充電管理功能以及溫度補(bǔ)償功能，易影響蓄電池應(yīng)用壽命等不足，基于內(nèi)燃機(jī)運(yùn)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有溫度補(bǔ)償功能，并且可實(shí)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(jī)車(chē)蓄電池日常充電過(guò)程中易出現(xiàn)的慣性鼓脹問(wèn)題以及充電不良問(wèn)題，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命，降低了內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)用成本。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);電壓調(diào)整器;充電;蓄電池

中圖分類(lèi)號(hào)：TM611.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0013-02

1? 內(nèi)燃機(jī)車(chē)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(jī)車(chē)的安全可靠性，必然要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文主要從內(nèi)燃機(jī)車(chē)電壓調(diào)整器方面著手進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而讓機(jī)車(chē)安全可靠性得到提升。

內(nèi)燃機(jī)車(chē)將直流電機(jī)作為啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，在啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)時(shí)，柴油機(jī)作為一個(gè)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)使用，柴油機(jī)通過(guò)蓄電池提供電能盡而啟動(dòng);在內(nèi)燃機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)會(huì)作為一個(gè)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)使用，柴油機(jī)在電壓調(diào)整器作用下進(jìn)行勵(lì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而確保發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持在1160～2700r/min范圍內(nèi)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)無(wú)論處于滿(mǎn)載狀態(tài)還是空載狀態(tài)，都會(huì)有110V直流電壓輸出。與此同時(shí)所輸出的110V直流電壓不僅要為蓄電池提供電能，還要為機(jī)車(chē)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(shí)際應(yīng)用中也存在很多缺點(diǎn)：

一是無(wú)法根據(jù)機(jī)車(chē)蓄電池充電狀態(tài)進(jìn)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(kù)內(nèi)充電機(jī)可以根據(jù)充電狀態(tài)選擇充電模式，機(jī)車(chē)電壓調(diào)整器暫不具備充電模式選擇功能，因此對(duì)蓄電池的使用充滿(mǎn)不利影響。

二是無(wú)法根據(jù)機(jī)車(chē)蓄電池充電狀態(tài)進(jìn)行溫度補(bǔ)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(shí)都需要進(jìn)行溫度自動(dòng)補(bǔ)償。例如：當(dāng)蓄電池在充電時(shí)溫度補(bǔ)償系數(shù)為-3.5mV/℃時(shí)，蓄電池每增加1℃其充電電壓就會(huì)減小3.5mV;當(dāng)溫度每減小1℃其充電電壓就會(huì)增加3.5mV。假如蓄電池電壓調(diào)整器不具備溫度補(bǔ)償功能，在日常使用時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)充或者充電不足的情況。當(dāng)蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于充電不足狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致蓄電池的蓄電量出現(xiàn)衰減。當(dāng)蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)充狀態(tài)，就會(huì)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(zhǎng)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(wèn)題。造成此種情況的主要原因是：蓄電池內(nèi)部溫度過(guò)高，通常來(lái)說(shuō)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(jìn)行110V恒壓充電，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(shí)，就會(huì)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(huì)有很多機(jī)車(chē)蓄電池因?yàn)楦邷靥鞖獬掷m(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?yè)p傷無(wú)法進(jìn)行修復(fù)，這樣會(huì)對(duì)機(jī)車(chē)的安全使用造成極大影響，同時(shí)還會(huì)讓機(jī)車(chē)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(duì)獨(dú)立的，當(dāng)其中一組發(fā)生故障無(wú)法使用時(shí)，需要人工改變扁插才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為故障維修帶來(lái)了很大不便，與此同時(shí)扁插連接還很容易發(fā)生電氣故障。

2? 設(shè)計(jì)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(jī);第二部分蓄電池工作溫度檢測(cè)系統(tǒng);第三部分蓄電池充電電流檢測(cè)系統(tǒng);第四部分蓄電池工作電壓檢測(cè)系統(tǒng)。其系統(tǒng)主機(jī)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(jī)顯示互動(dòng)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(guò)程

當(dāng)機(jī)車(chē)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電壓傳感器會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)兩端連接的蓄電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，電壓傳感器將檢測(cè)信號(hào)傳遞給系統(tǒng)主機(jī)，然后通過(guò)ADC采樣功能模塊對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而得到蓄電池即時(shí)電壓，與此同時(shí)，電池傳感器對(duì)會(huì)蓄電池正極輸出的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后通過(guò)ADC采樣功能模塊對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而得到蓄電池即時(shí)電流。最后，溫度傳感器對(duì)蓄電池內(nèi)部工作溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)ADC采樣功能模塊對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而系統(tǒng)主機(jī)得到蓄電池內(nèi)部工作溫度。系統(tǒng)主機(jī)主要通過(guò)上述3個(gè)傳感器對(duì)蓄電池工作溫度、電流以及電壓進(jìn)行獲取，同時(shí)在和蓄電池使用需求相結(jié)合，對(duì)蓄電池進(jìn)行電壓以及溫度補(bǔ)償;然后根據(jù)PI調(diào)整器對(duì)蓄電池的充電使用模式進(jìn)行選擇;再次，通過(guò)PWN控制功能模塊來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)管功率進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行間接控制，從而對(duì)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的輸出電壓進(jìn)行控制。最后將所獲取的蓄電池放充電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給主機(jī)，以便維護(hù)人員對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

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)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(jī)在工作環(huán)境相對(duì)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(shí)時(shí)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(jì)而成，后期升級(jí)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)機(jī)車(chē)蓄電池額實(shí)時(shí)溫度、電流以及電壓物理模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)收集。因此，需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化電路，通過(guò)傳感器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)ADC功能模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后主控芯片根據(jù)機(jī)車(chē)蓄電池的實(shí)時(shí)溫度、電流以及電壓對(duì)其進(jìn)行計(jì)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(duì)蓄電池電壓值進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。首先主控芯片實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖方波電壓輸出，然后在經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管對(duì)控制系統(tǒng)主機(jī)輸出功率進(jìn)行控制，在次通過(guò)改變勵(lì)磁繞組對(duì)所產(chǎn)生電流大小進(jìn)行控制，最后就是通過(guò)輔助控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的輸出電壓進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配套電源型號(hào)為BCP011515，配套專(zhuān)用芯片型號(hào)為FOD3084，配套功率開(kāi)關(guān)管型號(hào)為FOD50N50。

2.3.4 顯示與人機(jī)互動(dòng)模塊

系統(tǒng)所采用的人機(jī)顯示互動(dòng)模塊主要是由4個(gè)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(jī)是直接集成在一塊的，循環(huán)顯示系統(tǒng)主要作用就是對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池的實(shí)時(shí)溫度、電流以及電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和收集。與此同時(shí)，工作人員可以通過(guò)功能按鍵對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(jì)

雙套冗余設(shè)計(jì)作為本次新型電壓調(diào)整器的主要亮點(diǎn)，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(shí)，維修人員可以通過(guò)扁插開(kāi)關(guān)將其切換到B套備份系統(tǒng)，同時(shí)扁插開(kāi)關(guān)必須采用安全性極高的航空插頭，以避免因扁插問(wèn)題導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)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(guò)多次討論驗(yàn)證，終于完成新型電壓調(diào)整器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。新設(shè)備經(jīng)過(guò)多次工業(yè)試驗(yàn)，各項(xiàng)功能參數(shù)都很正常。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的實(shí)際運(yùn)行狀況分析，最終決定將DF型調(diào)車(chē)機(jī)做為本次試驗(yàn)對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證考核。其安裝方案具體如下：首先通過(guò)開(kāi)孔設(shè)備在蓄電池表面上加工1個(gè)？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(guò)圓孔接觸到蓄電池單節(jié)邊表面，從而對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量;然后在蓄電池一端正極處串聯(lián)TBC300 TBH型傳感器，從而對(duì)實(shí)時(shí)電流值進(jìn)行準(zhǔn)確采集;再次在輔助發(fā)電機(jī)兩端正負(fù)極處并聯(lián)LV25型傳感器，從而對(duì)實(shí)時(shí)電壓值進(jìn)行準(zhǔn)確采集;最后根據(jù)原車(chē)安裝尺寸對(duì)新型電壓調(diào)整器外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便能夠?qū)εf設(shè)備進(jìn)行直接替換。

重點(diǎn)提醒：當(dāng)柴油機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，必須通過(guò)斷開(kāi)輔發(fā)扳鍵來(lái)對(duì)A、B兩套新型電壓調(diào)整器進(jìn)行切換調(diào)整，從而避免系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)硬件系統(tǒng)被損壞。

截止到目前為止，經(jīng)過(guò)為期一年的工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試，新型電壓調(diào)整器的工作功能完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求，不僅讓機(jī)車(chē)蓄電池的安全性能得到有效提高，同時(shí)還對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池的使用壽命得到有效延長(zhǎng)。新型電壓調(diào)整器無(wú)論在工作原理、電氣線(xiàn)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(jī)車(chē)。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(jī)車(chē)蓄電池更加安全可靠。

4? 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，新型電壓調(diào)整器運(yùn)行效果良好。無(wú)論是硬件設(shè)計(jì)方面，還是軟件設(shè)計(jì)方面都符合設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)車(chē)維修費(fèi)用進(jìn)行有效降低，同時(shí)還可以對(duì)機(jī)車(chē)安全可靠性進(jìn)行有效提高。

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