一種公鐵兩用牽引車電氣系統設計

王文偉

【摘要】? ? 公鐵兩用牽引車是可以在鐵路和公路行駛的車輛，主要用于對列車在庫房、工位、移車臺之間的鐵路線路上牽引作業，同時可在基地道路或檢修庫房普通地面上運行。系統采用電傳動方式，以蓄電池為動力電器設計。電器系統具有節能環保，工作噪音不大于60dB，維護量低，傳動效率高，采用先進可靠的交流電機，閉環控制系統、無級變速驅動，確保運行安全可靠。

【關鍵字】? ? 驅動器? ? 控制器? ? 電池管理系統

一、設計背景

公鐵兩用車的電氣控制部分主要組成如圖1所示：

電機驅動控制器：電機驅動控制器是整車的核心部件，控制器接收來自操縱臺的的各種主令信號（主令信號主要包括加速、制動、啟動、緊急制動等指令），以及各傳感器傳送的檢測信號，通過CAN總線通訊向變頻器發送轉矩、轉速指令控制電機。通過CAN總線把車速、電池電量等信息在顯示器上顯示。

變頻器：兩用車配備的變頻器用于控制牽引電機，對電機采取轉矩控制。變頻器具有豐富的保護功能，包括過流保護、過壓保護和過熱保護等，保證驅動系統的安全可靠運行。

1.1主要控制對象

主要控制對象為驅動電機和油泵電機，也是整車最關鍵部分，下面分別介紹目前該車的電機主要參數。

1.牽引電機。牽引電機選用意大利SME公司生產的MC225型交流電機，該交流電機額定電壓48V，額定功率16kW，額定轉矩150Nm，額定轉速1500r/min，峰值功率可達到47.8kW，峰值轉矩314Nm，最高轉速4500r/min。牽引電機是鼠籠轉子交流電機，壽命長，不需要維護;電機具有0速輸出最大轉矩的能力，從而獲得最大起動轉矩。由變頻器控制主電機，對電機的控制方式有轉矩控制和轉速控制2種，可以根據指令切換;回饋制動功能將電機制動的能量給電池充電，提高了電能利用率，延長電池一次充電的工作時間;變頻器具有豐富的保護功能，包括過流保護、過壓保護和過熱保護等，保證驅動系統安全可靠運行。

2.油泵電機。除牽引電機外，系統中還有一個泵電機用來驅動油泵。泵電機采用意大利SME公司生產的MT719B2型，額定功率10kW，額定轉速1500rpm，可以為導輪、助力轉向器和剎車油泵提供動力。

二、設計思路

通過對被控制對象的分析，需要實現一套大扭矩的電動車。電氣系統部分的核心在于驅動電機控制，需要實現轉矩控制，調頻調速，制動控制，能量回收等，驅動電機為交流異步電機。縱觀市場，此類控制器也比較多，應用廣泛，如叉車、牽引車、代步車、景區擺渡車等類電動車，技術比較成熟，通過系統集成方式完成一套控制系統設計。

三、方案設計

該兩用車的電氣系統[1]，主要包括整車控制器VCU、電池管理系統BMS、驅動電機控制器、油泵電機控制器、操控系統、顯示器和燈光組等，兩用車電氣控制系統框圖如圖2：

3.1電機控制器

通過對市場上蓄電池交流電機控制的比較，決定選擇謀公司的123x系列控制器，下面具體介紹該款控制器的特性與應用。

1.先進的設計和功能

a. 主要功能，操作和系統都要優于直流系統。

b. 0到300赫茲的頻率范圍，低噪音運行。

c. 24到80伏的電池電壓系統，2分鐘運行電流達到 350到850安培。

d. 強大的操作系統，保證了車輛控制，電機控制和用戶端程序同時運行。

e. 先進的脈寬調制技術，保證了電池被高效率利用，減少了電機能耗和扭矩轉換的損失。

f. 科蒂斯的交流控制器可以適配任何型號的交流電機。

g. 內置了電池電量狀態和計時器功能。

h. 現場調試編程，內置閃存可隨時下載軟件。

2.優異的驅動控制

a. 使用矢量控制技術，結合科蒂斯的運算法則，保證了控制器能始終提供峰值扭矩和最佳效率。

b. 扭矩和速度的工作區域非常寬廣，再生性能也非常完美。

c. 內部閉環控制的速度和扭矩模式保證了最優性能，而不需要任何其它的裝置。

d. 通過編程參數設置，調節驅動和制動性能至最佳。

e. 扭矩控制模式提供獨特的性能，保證了平穩轉換，并在任何狀態下都可以積極響應。

f. 獨有的泵控模式，對液壓變化反應敏捷。

3.高安全性和可靠性

a. 金屬基座提供了極佳的散熱性，提升了控制器的可靠性。

b. 自動防故障功率器件設計。

c. 硬件看門狗。

d. 電池電極反接保護。

e. 輸出驅動的短路保護。

f. 過熱保護，警告以及自動關機設置提供了對電機以及電控的保護。

g. IP65防護標準，滿足惡劣環境的使用要求。

4.接口與控制

謀型號的123x系列電機控制器使用非常方便，連接好主回路和控制IO就可以完成對電機控制，具體接線圖如圖3所示。

圖中詳細給出了控制器的配線圖，提供的接口完全滿足系統的控制要求。另外該控制器提供了數據顯示功能，可以作為選配。

5.型號選擇

123x系列提供了多個型號選擇，根據電機型號匹配，驅動電機控制器選擇1238-56xx比較合適，最大輸出功率可以達到41KW。泵電機控制器選擇1236-53xx，最大輸出功率可以達到16KW。

3.2整車控制器

整車控制器主要完成和模擬的協調、控制、檢測等功能，需要自帶的通訊接口（CAN、RS485、RS422），IO接口、模擬輸入輸出等，主要用于完成各種指示燈、照明燈、報警燈、喇叭等的控制和系統故障的檢測等，完成的任務有單一和連鎖的，要具有仿制誤操作的考慮。整車控制器可以選擇在工業中大量使用的穩定可靠的PLC或者自研相應控制主板。最后根據控制邏輯編程實現相應功能。方案中選擇經常使用的謀廠家CX5040型號。采用PLC優點就是系統搭建方便，方便整機部署調試。

3.3電源轉化HV-LV

HV-LV高壓轉低壓模塊主要完成低壓設備的供電[2]，為了增加抗干擾，系統選擇隔離DC-DC來實現。低壓負載主要為圖4.1中藍色代表的模塊，主要為模塊中的電路板、喇叭、指示燈等，根據對負載的計算，選擇功率為200W的DC/DC電源模塊。此類模塊市場比較多，選擇是要充分考慮可靠性和冗余量，這里選擇謀公司的300W LD300E-M電源，該模塊工作可靠，可工作在-40℃～85℃之間，安裝方便，利于散熱，適合汽車電子使用。

3.4電池管理系統（BMS）

電池管理系統是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶[3]，其主要功能包括：電池物理參數實時監測;電池狀態估計;在線診斷與預警;充、放電與預充控制;均衡管理和熱管理等。傳感器選擇某公司的YX-S蓄電池智能參數傳感器單體型，主控通過485接口連接各蓄電池傳感器，可精確對蓄電池進行管理，保證蓄電池使用安全性可靠。

3.5安全控制

安全控制主要由電鎖、急停開關、充電互鎖開關組成，電鎖和電動車的電鎖功能一樣;急停開關提供緊急情況下的斷電，急停開關位于車前后左右四個位置;充電互鎖開關主要解決行駛和充電不能同時進行，通過雙向開關完成。

3.6蓄電池

蓄電池選擇48V/125Ah電池，循環不小于1500次充放電，通過10塊電池并聯使用，可做到48V/1250Ah，保證最大功率和續航能夠滿足整車電器需求。

四、結束語

公鐵兩用牽引車系統設計通過對整車電氣需求的分析，采用系統集成方式選擇匹配的電控設備，完成一正套電氣系統設計。設計充分考慮了運行指標，操控性，安全性，可靠性等。實際技術指標還需要配合公鐵兩用牽引車機械結構進行整機調試，優化電氣和機械結構的配合，獲取實際的測試參數。

參? 考? 文? 獻

[1] 萊夫.汽車電氣與電子[M]. 北京：北京理工大學出版社，2014：22.

[2] 徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術[M]. 北京：科學出版社，2006：31.

[3] 徐曉明.動力電池熱管理技術[M]. 北京：機械工業出版社，2018：45.