蓄电池紧急牵引用充电机控制系统研究

王成波

（江苏常牵庞巴迪牵引技术有限公司，江苏 常州 213100）

蓄电池紧急牵引用充电机控制系统研究

王成波

（江苏常牵庞巴迪牵引技术有限公司，江苏 常州 213100）

紧急牵引用蓄电池是地铁车辆的动力能源，蓄电池的再充电一直是地铁车辆的薄弱环节。基于北京地铁16号线车辆的需求，开发了一款零电压移相全桥结构的数字智能化蓄电池充电机。分析了充电机的基本工作原理、硬件结构系统，在此基础上，设计了基于充电模式自动切换的数字闭环控制策略。最后，实验验证了该充电机控制系统的有效性和可靠性。

零电压；蓄电池；充电机；数字控制

当地铁车辆处于紧急情况，例如，出现架空接触网的功率损耗、接触网故障时，为了确保AW3载荷列车能在合理的时间内自我牵引到下一个站台，便于乘客安全撤离，车辆中必须配备紧急牵引用蓄电池。基于上述现象存在的考虑，北京地铁16号线（简称BJL16）提出了在列车中配备紧急牵引用蓄电池和充电机，在接触网正常情况下始终保证蓄电池处于充满电状态，当出现紧急情况时，牵引蓄电池能保证列车安全运行到下一站台，保证乘客的安全，也便于故障的排除和检修［1］。

基于地铁业主的需求，开发了一款15 kW的蓄电池紧急牵引用充电机，硬件结构上采用零电压的软开关技术，软件上基于DSPTMS320F28335实现了数字智能化的移相控制。

文中给出了充电机的硬件框图，分析了其工作原理。在此基础上，提出了电压、电流闭环的PI数字控制策略，为了验证所提出控制方法的有效性，文中构建了基于电压、电流闭环的数字控制系统。最后，通过蓄电池的充电实验，验证了其控制方法的有效性和可靠性，保证充电机输出电压纹波控制在±1%范围内，使蓄电池能安全稳定地再充电，从而提高蓄电池的蓄电容量和使用寿命。

1 蓄电池牵引用充电机工作机理

BJL16蓄电池紧急牵引用充电机的硬件拓扑结构如图1所示。

图1中，L3为输入滤波器，输入侧为交流380V，来自地铁车辆上的ACM输出信号（辅助变流器模块），由于ACM的输出电压含有谐波分量和高频干扰，在输入侧加入EMI电抗器的目的就是为了滤除谐波以及消除高频干扰；VD1～VD6组成半控三相全桥整流电路，上桥臂选用半控的晶闸管，下桥臂选用不可控二极管，半控桥整流电路的选用可以使充电机实现软启动的功能，即充电机启动时刻，直流母线电容C1，C2上的电压缓慢上升，这很大程度上起到对电容保护的功能；L1，C1，C2起到对直流母线滤波的作用，使得母线电压稳定，无波动；VT1～VT4构成单相全桥逆变电路，滤波电容C3，C4以及隔直电容C6和变压器的原边漏感使得VT1，VT3组成的超前桥臂实现零电压关断和开通，进而降低IGBT开关管的开通和关断损耗，提高了蓄电池紧急牵引用充电机的转化效率，详细的开关管转化过程、变换过程见文献［2-3］；高频降压变压器T1主要将原边的高频大电压信号转变为副边的高频小电压信号，此外，还起到输入、输出隔离的功能；D2～D5构成单相全桥不可控整流电路；L2，C5构成输出滤波电路。

图1 零电压移相全桥软开关牵引充电机硬件拓扑Fig.1 Hardware topology of propulsion battery charger based on zero voltage phase shift full bridge soft switch

当接触电网正常时，地铁车辆受电弓升弓，升弓后若ACM工作正常，即充电机输入侧有交流380（1±0.1）V电压，整流后转换为DC 450～564 V的直流电压信号，经过移相全桥变换器逆变后转换为AC 450～564 V高频交流电压信号，经过高频变压器和单相全桥整流电路输出电压的范围为DC 242～300 V，经过滤波电路后，使输出电压、电流稳定输出。

2 数字智能化蓄电池牵引用充电机硬件系统

紧急牵引用蓄电池是地铁车辆的动力能源，蓄电池的再充电一直是地铁车辆的薄弱环节，如何提高蓄电池的蓄电容量以及使用寿命，对于地铁车辆而言非常关键，本文提及的充电机是基于DSP TMS320LF28335数字信号处理器实现移相控制的零电压软开关技术，基于DSP的移相全桥充电机的硬件结构示意图如图2所示。

图2 移相全桥充电机系统结构Fig.2 System structure of phase shift full bridge battery charger

从图2可以看出，零电压移相全桥蓄电池紧急牵引用充电机通过数字控制实现蓄电池的智能化充电，在给定蓄电池充电曲线的基础上，通过分别控制蓄电池的充电电流以及蓄电池的充电电压使蓄电池按照要求充电。软件中，除了实现恒流、恒压的蓄电池充电的闭环控制外，还需处理如下任务：输出短路保护；输出过流保护；输入、输出过欠压保护；蓄电池温度过温保护等。下面分别对蓄电池的充电方式以及控制系统加以研究。

2.1 蓄电池充电方式

蓄电池的充电技术与其应用有着密切的联系，过充或欠充现象非常普遍，为了提高蓄电池的寿命及充电效率需要一个最优的充电方式，目前常见的几种充电方式如下：

1）恒压充电。充电过程中充电电压保持恒定不变，充电电流随着蓄电池两端电动势的增大而减小。充电初期，充电电流较大，可以实现快速充电。在此充电过程中，电流无法自动调节，也无法对蓄电池去极化处理，在蓄电池充电后期，充电电流较小，极板深处活性物质不能恢复［4］，因此可能导致蓄电池出现欠充现象；

2）恒流充电。充电全程电流恒定，当蓄电池充满后还会以很小的电流对蓄电池继续充电，使极板内部较多的活性物质参与化学反应［5］；

3）恒压恒流充电。充电过程中既有恒压充电也有恒流充电。

图3为本蓄电池厂家给出的充电曲线，实际蓄电池充电试验中的充电曲线与之吻合，能保证蓄电池充满而不过充，对蓄电池本身也是一种维护，可提高电池的使用次数和寿命，这样充电机的控制逻辑将会更简单，同时也可以降低蓄电池的电解液损耗，为此，本充电机采用此恒压恒流两阶段充电方式［6］。

图3 蓄电池的充电曲线Fig.3 Battery′s charging curves

2.2 牵引用充电机闭环控制系统

针对蓄电池的充电特点，设计了基于DSP（即数字信号处理器）充电机的闭环控制系统，如图4所示。

图4 紧急牵引用蓄电池充电机控制系统Fig.4 Control system of battery charger for emergency propulsion

图4 中，蓄电池充电初始时刻，以恒流充电方式充电，电流的参考值为蓄电池充电曲线上给出的电流值，充电机的输出电流作为反馈量，给定值与反馈值作偏差作为PI控制器的输入信号，变压器原边电流经过电流传感器采样作为第2级PI控制器的反馈量，与第1级PI控制器输出信号作差分后经过第2级PI控制器得到的信号作为全桥变换器的移相角，通过控制移相角使开关管的占空比不断变化，从而实现零电压软开关技术。在恒流充电阶段，当蓄电池两端的电动势升高到当前蓄电池温度对应的电压值时（具体有蓄电池温度补偿曲线决定），充电模式自动切换到恒压模式，恒压模式整个控制流程与恒流模式相似，如图4所示。恒压模式阶段，蓄电池上的充电电流逐渐减小至0，至此，蓄电池充满电处于浮充状态。图4中，采样变压器原边电流作为第2级控制器的反馈信号，优点是防止占空比大于50%时，发生次谐波振荡。

3 试验研究

BJL16列车采用铅酸蓄电池组，整车采用3组蓄电池组，蓄电池的额定电压为DC 242 V，单体安时数为180 A·h，根据上述控制系统设计充电机的软件，在接触网处于正常状态时，列车受电弓升弓，对蓄电池组进行充电实验。

图5为移相全桥电路超前桥臂上管和滞后桥臂下管的驱动波形。从图5中可以看出这一组PWM波形具有明显的移相角，图中光标ⓐ，ⓑ之间相距52.76 μs，周期为105.52 μs，移相角为180°。通过控制此移相角的变化，进而使占空比不断变化，使充电机稳定输出，从而实现蓄电池的恒压、恒流充电。

图5 移相PWM驱动波形Fig.5 Drive wave forms of shift phase PWM

在蓄电池充电过程中，示波器同时测量蓄电池充电电压、充电电流以及超前桥臂上管的驱动波形，分别为图6中的通道④（纵轴为电压，单位为V（100 V/格））、通道③（横轴为时间，单位为s（4s/格），纵轴为电流，单位为A（15 A/格））以及通道①（横轴为时间，单位为s（4 s/格），纵轴为幅值，单位为V（10 V/格））。

图6 蓄电池充电过程中充电机的输出波形Fig.6 Output waveforms of battery charger during battery′s charging

从实验波形可以看出当有高频PWM驱动信号时，充电机约有12 s左右的缓启动过程，在缓启动过程中输出电压、输出电流缓慢上升，没有出现振荡或过大的尖峰电压，电流、最大充电电压可以稳定在DC 280 V，最大充电电流可以维持在DC 30 A，输出电压、电流纹波较小，经测量纹波控制在±1%范围内。满足蓄电池充电的性能指标要求，同时也验证了控制方法的有效性。

4 结论

针对BJL16地铁车辆的需求，开发了一款蓄电池紧急牵引用充电机，本文简要地分析了充电机的工作原理，硬件结构系统，提出了蓄电池的充电模式。在此基础上，设计了充电机的控制系统，根据此控制系统进行了蓄电池的充电实验验证，实验结果表明，本充电机实现蓄电池充电模块在充电模式下最大的充电电流为30 A，最大充电电压为280 V，充电效率高于90%，能完全匹配蓄电池温度补偿曲线，实验证实了此模块具有良好的稳态性能和动态性能。

［1］雷元林，黄元峰，袁霄宇.一种电动汽车蓄电池智能充电器的设计［J］.电子设计工程，2013，21（24）：113-117.

［2］郝振宇，王洪庆.基于DSP的移相全桥变换器的研究［J］.电气传动，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］赵永强，侯红玲.蓄电池智能充电系统的设计与研究［J］.陕西理工学院学报（自然科学版），2010，26（3）：4-8.

［5］张小群.智能型大功率蓄电池充电机设计与实现［D］.上海：上海大学，2007.

［6］季昕.蓄电池充电机研究与实现［D］.南京：南京航空航天大学，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，硕士，工程师，Email：cbw_2010@126.com

2016-08-24

修改稿日期：2016-11-01