浅析高速动车组智能充电技术

贾亚娟 谢国坤 郑凯

摘 要：国家轨道交通事业近些年有了较快的发展，同时与动车组相关的技术也有了长足的发展。充电机主要完成对动车组紧急蓄电池充电和对动车组列车所有低压直流负载供电功能。本文介绍了充电机的技术参数、电路结构及工作原理。充电机作为动车组在高速运行时完成直流辅助供电的重要器件，它的质量、体积大小、性能参数等，都将对动车的高速运行产生关键性的影响。随着计算机技术的长足发展我们把它与半导体技术、驱动技术等相关技术相结合，同时响应国家节能减排的发展策略，未来的充电机必将向着模块、智能、高频化的方向发展。

关键词：动车组；充电机；软开关；智能化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.104

1 国内外研究概况

国外充电机技术发展较早，充电机从最早的工频整流方式，变成当前比较常见的高频开关电源方式。除了工作方式的改变外，充电机在自身电压精度、电流控制方案、动态响应时间、可靠性等方面都还有提升的空间。

国内方面，国内相关技术人员对开关电源的研究，主要采用的发展趋势是，软开关技术向着智能、高效、高可靠性的方向发展，但也存在功率普遍较小的情况，工程实践中对动车组充电机等大功率变换器的突破十分不利。国际上已经出现智能型、数字型的软开关充电机，被广泛的运用于动车组列车。

2 智能充电机介绍

在机车辅助供电系统中不可或缺的设备是充电机。以内燃机车为例，起动机车柴油机的启动离不开它，对辅助发电机输出电压（简称辅发电压）的滤波起到关键性作用。其中电力机车、动车组，机车辅助回路供电和机构动作均由蓄电池组完成；另一方面当机车辅助供电电源柜出现故障时，蓄电池组起到备用电源的作用。在日常使用过程中，车载蓄电池必须及时有效的充电。中、大功率的DC/DC直流变换器高频化的理想拓扑是移相全桥控制ZVS软开关PWM变换器，它具有软开关和恒压恒频控制的功能，图1为全桥软开关DC-DC变换器拓扑电路。

图2为控制系统总体框图。该系统主要由主控核心、脉冲驱动单元、AD采样单元、LED显示等模块组成。其中，主控核心由数控智能芯片以及其外围附加电路构成，主要功能是进行A/D转换、逻辑判断、I/O时序控制、软/硬件保护、发生IGBT控制脉冲以及设置LED数码管显示内容，是控制系统的关键部件；脉冲驱动单元将IGBT控制脉冲进行电压变换，增大它的驱动功率，用于保护脆弱的控制系统与强电部件相隔离，并且为开关器件提供过压、过流保护；AD采样单元主要是把模拟信号转换成数字信号，并对输出的信号进行滤波和限幅，为控制系统实时的提供所需的电压和电流；LED显示部分由七段显示数码管组成，实时显示充电机的工作状态和故障信息，方便了设备的操作维修和调试。四大模块分工合作，共同保证控制系统安全、高效、稳定的工作。

充电机主电路由断路器、熔断器、温度开关等硬件保护部件构成，能有效的避免充电机发生故障或减小负载损害。因为镍镉蓄电池具有放电特性好，自放电率低，充电机输出电压会根据蓄电池温度自行调节等特点，目前高速动车组辅助供电系统大多采用该电池。本课题基于理论与实际情况，进行了以下工作：蓄电池充电方式的分析、充电机主电路的设计、控制系统的设计、模型仿真与实验验证等。

3 本课题需突破的难题

（1）针对当前动车蓄电池的充电方式，充电电压不无法满足蓄电池组的参数指标。比如，铅酸蓄电池组是由2个单节蓄电池串联组成，12V为每一节蓄电池的标称电压，而每一节要求蓄电池要求的的浮充电压为13.8 ～14.7 V，所以蓄电池组（2节）要求的浮充电压是29.4V，这样将导致蓄电池组充电无法达标。

（2）当前蓄电池组基本是采用恒压充电方式，对于恒流充电方式还不能实现。

介于恒压充电方式的特征，因为无法實现恒流充电过程，所以当蓄电池组提供的电压明显下降时，将容易导致充电电流过大的原因即为充电电压和蓄电池组所剩电压差值较大，最终可能出现严重问题如：蓄电池发热厉害，极板老化变形等。

（3）开关频率高频化会增大变流器功率密度且减小其体积，但一些严重的问题也将随即产生，如：开关损耗大，抗电磁干扰能力差。因此，开关频率比较低是中大功率变流器发展过程中的一个瓶颈问题。直至早期基于RLC谐振原理的零电压开通、零电流关断软开关的出现，才有可能实现中大功率变流器的高频化。

4 本课题研究方法

4.1 充电机的充电策略

恒压式充电是目前电力机车蓄电池组充电通常采用的方式。不同型内燃机采用不同的方式获得充电电压：使用辅发电压的是东风型内燃机车；韶山型电力机车使用的是经二次变压器降压和单相半控整流桥整流后形成的直流电压。

在线恒压充电方式近乎直接对蓄电池进行充电，所以现在铁路机车上常常采用此方法充电。

4.2 新型机车充电机的技术方案

对车载蓄电池充电最基本的要求也是最重要的要求是安全高效。现在分两方面考虑：第一，针对充电电流过大的情况，应采取有效措施来抑制；第二，需对现有的充电电压进行变换，以获得最佳浮充电压。

对现在蓄电池的充电方式分析后得知，恒流充电方式可以使用在最初的充电阶段，而恒压充电方式可以在电池电压上升到限制充电电压时采用。此类方法可以尽量降低恒压充电初始阶段的充电电流，防止恒流充电结束时电池过充现象的出现。

充电器控制系统可以对充电过程实时监控，并有利于实现充电过程的平稳切换，减小大电流对蓄电池组带来的冲击。通过仿真软件对系统进行建模并仿真，仿真波形及结论充分证明了本设计方案的可行性。

硬件样机制作生产完成后，对系统各部分的功能进行了检测与调试，各项指标均能达到设计要求，并可用于大批量的生产实践中。

4.3 本课题的预期效益

以动车组列车为项目平台，本课题设计的充电机其开关频率达到15kHz，不仅能提高了充电机频率，而且使充电机滤波环节体积减小，质量减轻，达到设备的轻量化，使得输出电压与充电电流的精度都有所提高。

全数字控制是此文充电机设计的一个特点，输出电压稳态波动控制在0.2V以内，充电电流的精准控制是通过调节输出电压参考值来实现的，充电电流波动值不高于±10%。本文设计的充电机采用串口全双工485通信实现与电池的信息传递，电池管理系统可控制充电电流幅值，使电池可以完成分级恒流充电，并实时观测充电机的充电进展情况。

5 结束语

该系统具有结构简单、传输速率高、造价低廉、信息化和自动化程度高、可扩展性强、易于维护等优点，完全满足机车运行所需的监视、控制与保护等要求。为了使国产充电机设备的性能得到提升，在设计充电机时应当遵循高频化、轻量化、高精度输出、智能化的发展方向，已达到在充电机控制系统、列车控制系统与上位机监控系统实现更多的人机交互功能。

参考文献：

[1]王沛东，孔元.基于工业以太网的动车组列车网络技术研究[J].铁道机车车辆，2012（01）.

[2]孙筱琳.50V/50A移相全桥ZVS DC—DC变换器的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.

[3]杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

作者简介：贾亚娟（1984-），女，陕西西安人，讲师，研究方向：自动控制。