电力机车车载控制电源的新设计方案

宫治国

摘 要：阀控式铅酸蓄电池以其特殊优点成为目前国内电力机车行业的首选电池。但是该电池对充电电压、充电电流也有着较苛刻的要求，只有当充电过程中的电压、电流按照特定的要求不断调整时才能实现设计寿命，否则蓄电池组寿命将大幅降低。这就要求蓄电池充电电压不断变化。而机车电气设备在标称控制电压下工作时才能实现功能、效率、寿命的最优化，即要求恒压。为有效解决两者对电源特性要求不同的矛盾，本文提出一种新的机车控制电源设计方案。

关键词：电力机车；控制电源设计；车载阀控式铅酸蓄电池

蓄电池组是铁路机车系统的重要组成部件，对电力机车来说更是尤为重要。蓄电池组与电力机车控制电源柜构成互补电源，在控制电源柜不工作时蓄电池组作为电源向机车供电。而在控制电源柜工作时，蓄电池组则成为控制系统中的一个特殊负载存在，成为电能的消耗者。因此保证其性能正常对机车安全运行尤为重要。阀控式铅酸蓄电池以其容量大、电压稳定、瞬间输出电流大、无泄漏、且使用中不用补水等特点，获得铁路系统青睐。但受其自身特性的影响，一旦使用不当，寿命将大大缩短。影响蓄电池寿命的因素有许多，充电控制是其中非常重要的一项。只有当充电过程中的电压、电流按照特定的曲线不断调整，同时兼顾温度补偿时才能达到设计寿命、保证蓄电池状态正常。

而传统机车电源缺乏蓄电池充电管理，或者在少量考虑蓄电池充电特性的同时损失了机车用电系统的特性需求。本研究针对阀控式铅酸蓄电池在电力机车行业这一特殊使用环境，提出了一种新的机车控制电源设计方案，即针对铅酸蓄电池充电方式要求的变压、变流、温度补偿等参数进行专门的设计，又符合机车电源应用特性要求，兼顾机车用电的高可靠性。

1传统机车电源结构

根据机车运用的特殊性，控制电线路结构有如下两点要求：

1.1 蓄电池组直接接在控制电母线上，保证机车设备任何时候都有控制电供给。

1.2 控制电源采用n+1沉余设计。即控制电源除有N（N最小为1）组工作外，至少保留有1组电源作为后备电源，以防有电源损坏时机车运行受影响。

传统机车控制系统电路如下图1。

这里以HXD3型电力机车的控制电路系统为例（其他电力机车电路结构大体都与此相同）。HXD3型机车控制电源由2组电源组成，1组供电，另1组作为备份。当工作电源1故障时备用电源2投入使用，向机车供电。

当电源工作时，蓄电池处于浮充电状态。有此电路图我们不难看出：蓄电池的端电压（充电电压）与机车控制系统电压相同。为满足蓄电池充电的要求，在变化充电电压时，机车控制电压也跟着变化。使用电设备不能在最理想的控制电压下工作，对效率，性能等都造成一些影响，而且影响设备寿命。

2 新型电源设计方案

为解决传统电源出现的矛盾。我们采用图2的结构设计。

通过电路改进，形成一种线路上的半隔离电源，将充电线路与控制系统线路分离开，实现一路稳压输出，另一路变压输出的设计。解决机车控制系统与车载蓄电池组对用电电源特性要求不同这一矛盾。

（1）正常情况下电源1与电源2同时工作，通过逆流二级管将电源输出隔离。电源1以恒定电压向负载供电。电源2以电压、电流按充电曲线要求向蓄电池进行充电。（2）当电源没有工作时，蓄电池通过二极管D1向机车控制系统供电。（3）当电源1故障时，电源2通过二极管D1向机车控制系统供电。同时为蓄电池充电。（4）当电源2故障时，系统控制接触器K1吸合。由电源1向机车控制系统供电。同时为蓄电池充电。

正常工作外的其他情况中，电路结构均与图1中的机车传统电源电路相同。保证机车控制系统的用电安全，未降低系统可靠性。

3 可行性说明

这种隔离是利用二极管D1的单向导电性特性实现的半隔离。我们只要保证电源2输出电压小于电源1输出电压即可实现隔离。而且实际上，电力机车的控制电源电压额定为DC110V。电池组额定电压98V。标准情况下浮充电曲线的最大值为DC109V。即电源2输出电压小于电源1输出。实际应用中建议减少1或2节蓄电池降低蓄电池组总电压，这样可增大充电电压波动的幅度，增加充电管理的灵活性。

4 结束语

本电源设计可以针对蓄电池进行专门的充电管理，有效延长蓄电池使用寿命，保证车载蓄电池组长期处于高效状态。同时满足机车控制电源用电系统使用要求，是设备长期工作于理想状态。有效解决两者对电特性要求不同的矛盾。由此大幅提高机车控制电供电系统的可靠性。