某型动车组国产化充电机外接供电信号异常输出分析

2023-10-23邹颖，徐廷

机电产品开发与创新 2023年5期

关键词：充电机网关蓄电池

邹颖，徐廷

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063035）

0 引言

我国高速铁路总里程已超过4 万公里，每天开行4000 多组，已经逐步形成贯通南北、衔接东西的“八纵八横”铁路运输网。 2021 年2 月，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，到2035 年高速铁路运营里程将达到7 万公里。

1 充电机概述

充电机是各型动车组辅助供电关键部件，输出DC110V。通常8 编组动车组设置两个充电机，互为冗余；本车型，充电机设在04、05 车。

国产化充电机电路见图1，其中X4 的A3、A4 是外部DC 110V 电源检测触点。

图1 充电机电路图

2 存在问题及原因分析

2.1 存在问题

2021 年某日，某动车组施加牵引时，动车组发生牵引封锁，全列无牵引电流，无法动车。

由CCU 数据可知，运行途中05 车报651F（启动外部供电）、0822（M1300 控制程序故障，M1300 为原型充电机主控制板）和0819（外部电源已插上），当车组停车后报出90AA（因为外部电源供电而禁止运行），导致全列牵引封锁。

2.2 调查分析

通过数据分析，判断引起本次故障原因是动车组05车充电机通过MVB 错误发送了蓄电池正在外接供电的信号。导致该故障的可能原因，一是外部充电反馈线故障，二是充电机控制模块故障。

库内检查05 车充电机至蓄电池外部供电线路，导通及绝缘均正常，排除该原因。在依次更换05 车充电机控制模块内的网络通讯模块、网关扩展卡DIO 模块、网关扩展卡AIO 模块，发现只有在更换网关扩展卡DIO 模块后，0819、0822、651F 故障消除，车组状态正常，牵引测试正常，判断是网关扩展卡DIO 故障。

遂判断为05 车充电机内部网关扩展卡DIO 模块故障，导致异常输出高电平信号，主控制器误认为接入外接电源，报出651F 等代码，当车组速度为零时，封锁牵引。更换05 车充电机网关扩展卡DIO 模块后正常。

2.3 原理分析

2.3.1 控制单元架构

控制单元架构图见图2。

图2 充电机控制单元架构图

网关单元由具有MVB 通信的HSEC500-MVB 主机及开关量和模拟量扩展模块构成，统称为HSEC500。

主控单元由HSEC 200 主控板和电源板一起装在一个盒子中，有统一的外部连接器引出线，统称为HSEC200。主控单元系统是整个充电机的控制单元，负责整个系统的控制和计算，包含内部信号的控制，系统逻辑的控制，IGBT PWM 的控制。

2.3.2 外部供电信号的软件控制逻辑

外部供电信号走向见图3。

图3 外部供电信号走向

（1）开关量扩展模块控制逻辑。开关量扩展模块一方面负责外部信号的采集，同时承担与网关主机通信功能，通信方式为差分总线。当主机需要获取开关量的状态时，直接从开关量扩展模块中读取；同时在开关量扩展模块内部有心跳计数器，可供主机读取，用作诊断扩展模块是否在线。

（2）网关主机的采集。网关主机模块通过总线从开关量扩展模块中读取开关量状态，“110 V 外接供电辅助触点”硬件开关信号连接在DI0 端子，网关读取该硬件信号的高低电平状态（110 V 为高电平读为“1”，0 V 为低电平读为“0”）；同时网关通过RS485 通信（应用层使用MODBUS 协议）将该状态发送给充电机控制板。

（3）主控板的采集和处理。主控板通过RS485 通信接收网关发送的“110V 外接供电辅助触点”状态信号；若状态位为1 则充电机做停机处理，若状态位为0 则不做处理；同时将该信号转发至RS485 发送端口发送给网关。

（4）网关的转发（RS485-MVB）。网关将从主控板读取的RS485 数据“110V 外接供电辅助触点”状态信号，按照MVB 通讯协议将数据处理。

（5）蓄电池外部供电原理。当蓄电池需要外部电源供电时，通过X21 插头与外部电源连接。X11 插头的3、4 口将外部充电的信息传递至充电机内的控制模块，由控制模块将外部充电信号通过MVB 发送至CCU 中。正常情况下，蓄电池无需外部供电，此时外部供电信号处于低电平（MVB 反馈信号为0）状态。

根据列车控制逻辑，当蓄电池处于外部供电时（信号为高电平），为防止闭合主断路器后冲击辅助供电系统（充电机、蓄电池及外部供电设备等），列车将封锁本牵引单元的TCU，防止主断路器闭合。

当CCU 接收到蓄电池外部供电激活时，报出651F。若车组静止状态，辅助供电系统将禁止牵引，导致牵引封锁无输出。若车组非静止状态，不会影响牵引。

2.4 试验情况

2.4.1 网关及扩展模块试验

将外部供电的信号接到网关扩展开关量模块的输入端，模拟外部信号输入，使用PC 机中的通信软件，模拟主控单元，接收网关发送的开关量，通过对网关及扩展模块的单独测试，外部信号的闭合或断开都能被网关采集，未发现信号异常的现象，未重现车上相关的故障现象，如图4 所示。

图4 网关及扩展模块试验原理

2.4.2 网关及扩展模块整机试验

将故障设备替换到样机上，模拟列车通讯环境，连接外部通信以及硬件信号，外部信号的闭合或断开都能被网关采集并通过网络上传，未发现信号异常的现象，未重现车上相关的故障现象，如图5 所示。

图5 网关及扩展模块整机试验原理

2.4.3 故障还原疲劳性循环试验

历经3 天，共断合DC 110 V 外接信号21934 次，信号施加10s，取消10s，循环操作；当硬件信号试验次数达到1000 次时，断充电机一次，充电机重新上电21 次，未发现故障现象，未重现车上相关的故障现象。

2.4.4 产品外部供电的EMC 试验

充电机信号端口X4-A4 干扰源干扰测试，测试项点包括：快速瞬变脉冲群、浪涌，射频场感应传导骚扰抗干扰度，未发现故障现象，未重现车上相关的故障现象，见表1。

表1 EMC 试验要求

4 项试验都未出现车上相关的故障现象。

2.5 对比分析

在进一步核对充电机软件时，发现无论列车是否运行都会发送该信号，列车速度未参与该信号的控制逻辑；同时“外接充电开关闭合”信号未采取滤波处理，直接将该信号转发送给列车网络，存在干扰时不排除会出现误报现象。而原供应商充电机的主控器针对“外接充电开关闭合”信号设置了软件滤波功能。

3 解决措施

线上遇到因充电机内部故障导致误报651F、0819、0822 等故障，造成牵引封锁的，在充电机空开复位无效的情况下，可通过断开故障充电机供电空开32-F51，再进行断蓄电池复位恢复牵引，牵引恢复后可维持正常运行。

651F 故障代码现为3 级代码且不上屏，将651F 代码优化为1 级代码，同时弹屏提示，以便及时发现问题，快速应急处理。

充电机优化：①充电机软件将增加滤波处理，将“外接充电开关闭合”信号设定滤波时间持续200ms，才认为是有效信号；②充电机将增加列车速度参与“外接充电开关闭合”信号上传逻辑。列车运行时出现的外接充电开关闭合信号，不再上传到列车网络中；③充电机将增加拓展模块、控制板响应异常的内部检测，当模块异常时，上报模块故障；④增加硬件容错能力，将110V 外接供电信号分别接入DI0 接口和DI7 接口，网关采集两路信号，信号相同时才认为有效。