试验用缩尺模型车电气系统设计

王 鑫,刘利雷,许俊梅

(中车唐山机车车辆有限公司,河北 唐山 063035)

0 概述

随着我国高速铁路的快速发展以及其他高端轨道交通的逐渐兴起,为了满足国内科研院所对车辆与轨道之间振动、磨耗等相互作用问题研究的需求[1-3],研制了缩尺轨道试验用模型车,可以更有效地实现工况模拟和数据采集,并对理论计算和仿真分析结果的准确性进行试验验证。

由于研制的模型车按照1∶4比例进行缩尺设计,试验线路无法提供动力电源,车内空间无法满足有人值守进行车辆操作,因此解决动力来源、地面与车辆间的远程控制等问题是车辆电气系统开发的重点。本文对动力电池、永磁牵引电机、无线通讯等关键技术进行了研究,解决车辆在系统集成、牵引性能等方面的技术问题,并且搭建地面遥控检测台,实现对整车全功能无线远程控制。

1 电气系统设计

1.1 系统组成

试验用缩尺模型车为2辆编组,包含1辆动车和1辆拖车,最高速度为30 km/h。电气系统主要包括车辆控制、动力电池与充电、牵引、辅助供电和无线通讯等子系统。动车配置的动力电池为车辆牵引系统提供持续电源,电机控制器用于驱动永磁牵引电机,同时具有电制动功能,可以将制动能量回充给电池。通过无线通信,实现车辆与地面遥控监测台的数据交互,电气系统组成如图1所示。

图1 电气系统组成框图

1.2 整车控制系统

缩尺模型车基于TTC60控制器进行设计。TTC60在汽车及工程机械上有着广泛的应用,支持CAN2.0通讯[4]。整车控制系统作为车辆中央控制单元,是整个控制系统的核心,也是各个子系统的调控中心。整车控制器的主要功能是接收地面遥控行车指令用于车辆控制,同时采集温度、速度、电压传感器信号和蓄电池组数据,将车辆信息发送到地面用于显示车辆状态。整车采用CAN总线通讯方式,电气控制原理框图如图2所示。

图2 电气控制原理框图

1.3 动力电池与充电系统

1.3.1动力电池

动力电池为车辆动力系统和辅助供电系统提供持续电源,由锂电池组、电池管理系统以及冷却系统组成。根据试验用缩尺模型车整车性能要求,计算出牵引功率和辅助负载功率,按照持续工作8 h, 所

需最大荷电量约30 kW·h。

现有蓄电池有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等等。铅酸电池技术成熟,具有成本低廉、安全性高、支持大电流放电等特点,但其能量密度低、循环寿命短的特性无法满足续驶里程的需求。镍氢化物电池和锂离子电池目前在动力电池应用中技术成熟,但也存在单体电压低、自放电损耗大、对环境温度敏感等方面的不足,而锂离子电池具有能量密度高,充电效率高,循环寿命长等特点,具有很大的优势。而三元锂电池安全性稍差,钛酸锂电池成本较高,因此选用磷酸铁锂电池。动力电池单体标称电压3.2 V,容量100 Ah,整车共设置6组电池,每组电池16串,标称电压51.2 V,整车容量600 Ah,采用强迫风冷方式冷却。电池管理系统采用模块化设计,将采集、监控、管理、通讯等功能集成于一体,具有以下基本特性:

(1)单体过充、单体过放报警及保护功能。

(2)总压过压、总压欠压、过流、高温、低温等报警及保护功能。

(3)短路保护功能。

(4)均衡管理功能。

(5)休眠与唤醒功能。

(6)CAN/RS485/RS232多类型通讯。

1.3.2充电机

缩尺模型车上设置有动力电池外接充电接口,通过充电枪与地面充电机相连接,为动力电池充电。充电机采用全数字谐振调频技术,体积小,效率高,更加节能可靠。

充电方式采用恒功率与恒压状态自动转换充电法,将充电时间减到最少,节省了大量充电时间。采用 CAN2.0B通信协议,具有智能充电、智能监测、故障告警保护、有源功率因数校正等功能。

1.4 牵引系统

1.4.1电机控制器

电机控制器的作用主要是接收整车控制器的指令,控制牵引电机的转速与转动方向;另外,在能量回收过程中,电机控制器还负责将牵引电机电制动能量回充给动力电池。电机控制器将直流电转换为交流电,采用电机磁场定向矢量控制技术,可在整个速度范围内产生最大转矩。

1.4.2牵引电机

牵引电机采用永磁无刷电动机,结构简单,体积小,重量轻,效率高。由于缩尺模型车车型的特殊性,无法参考轨道交通车辆牵引计算方式确定电机参数,最终采用电动汽车电机匹配计算方式实现电机的参数选择。在评价电动汽车动力性能时,主要考虑加速性能、最高车速、爬坡能力以及续航里程。缩尺模型车运行轨迹固定,线路无坡道,并且充电方便,因此主要考虑满足最高车速性能要求。按照文献[5]中有所阐述的匹配计算方法,结合缩尺模型车车重、迎风面积、轮径等整车参数(见表1),最终确定牵引电机的额定功率为3.5 kW,额定转矩8.4 N·m,额定转速2 250 r/min。

表1 整车参数表

1.5 辅助供电系统

缩尺模型车辅助供电系统分为交流供电系统和直流供电系统,由电源模块和负载设备组成。如图3所示,DC/DC电源模块将锂电池组输出的DC48 V转换为DC24 V,一方面为照明等常用低压电器供电,另一方面为整车控制器、无线通讯模块、通讯转换模块等辅件供电。DC/AC电源模块将锂电池组DC48 V转换为AC220 V/50 Hz,为车辆插座提供电源,用于外接测试设备的供电。2种电源模块具有输入防反接保护,输入欠压保护,输入过压保护,输出过流短路保护,过温保护等功能。

图3 辅助供电系统框图

1.6 无线通讯系统

由于缩尺模型车车辆应用空间狭小,行驶中无人值守,因此在车辆与地面建立无线通讯基站,实现车辆控制和状态数据传输。分别在车辆和地面设置2台无线通讯模块,并配置户外增益天线,用于增强无线网络信号,保证覆盖范围内的通讯质量。

2 上位机界面设计

地面遥控监测台上位机界面简洁、直观,用于显示监测数据及状态,以及控制指令的发送。主要包括以下5个界面:

(1)用户管理界面:针对不同操作人员进行权限管理。

(2)远程控制界面:该界面为主界面,用于进行方向、牵引、制动、限速、照明等操作指令的操作,以及速度、电源电压、电池电量、无线通讯信号强度、车内温度等实时数据和冷却风扇、故障报警等状态的显示,如图4所示。

图4 无线通讯质量测试

(3)数据查询界面:可以按日期查询和导出操作记录与故障数据。

(4)检测数据界面:用于显示车内加装检测设备采集的数据信息。

(5)地面充电系统显示界面:动力电池充电时,用于实时显示充电电压、充电电流、温度、电量等数据以及故障报警状态。

3 地面试验

为了验证缩尺模型车电气系统的功能和性能参数,搭建了地面测试试验平台,包括车载电气系统和地面遥控监测系统2个部分,主要对通讯质量、远程测试和牵引性能等方面进行了试验测试。

3.1 无线通讯质量试验

无线通讯质量试验时保证2个无线通讯模块间传输距离大于500 m,对信号强度和通讯传输质量进行测试,试验结果如图4所示,信号强度为42%,通讯传输质量为97.4%,分别满足不低于40%和不低于95%的要求。

3.2 远程测试试验

远程测试试验包括远程控制试验和远程数据显示2个部分。

(1)远程控制试验:在地面遥控监测台主界面操作“牵引使能”、“1#单机”、“2#单机”、“联机”等按钮,选择“向前”按钮或者“向后”按钮,调节车速控制条给定预定车速,各种工况下均可控制驱动器驱动牵引电机;操作“2级制动”可控制电磁制动装置动作;操作“前照灯”、“逆变器”按钮,可实现前照灯和DC48 V/AC220 V逆变器的远程控制。

(2)远程数据显示:在地面遥控监测台主界面能够正确显示车辆运行状态,电池电量、工作电流、辅助电源电压、逆变电源电压等参数。

3.3 牵引性能试验

通过在地面遥控监测台主界面设置牵引电机发挥最大转速,如图5所示,通过示波器采样外置速度传感器波形,计算后最高速度可达到30 km/h。

图5 牵引最高速测试

4 总结

本文中试验用缩尺模型车采用了锂电池作为动力源,能够更好地适应试验环境;将成熟的整车控制器应用于轨道车辆,验证了其可行性和可靠性;重点进行了车地无线通信和远程控制的设计开发,对通信的平台架构、传输质量、传输距离及传输可靠性等进行了分析研究。目前该套电气系统已经完成调试,运行可靠,可根据不同的研究需求,在此缩尺模型车电气系统的基础上进行功能开发和性能优化。