DC 600 V供電客車充電機(jī)輸出過壓原因分析及改進(jìn)方案

馬善民，張從旺

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 設(shè)備監(jiān)造部，上海 200071)

客車110 V堿性電池采用8 kW充電機(jī)充電，由于現(xiàn)有8 kW充電機(jī)過壓保護(hù)功能不完善，存在充電機(jī)反饋回路失效的情況，出現(xiàn)充電機(jī)輸出電壓嚴(yán)重過壓風(fēng)險(xiǎn)。在該種情況下，堿性電池過壓充電會(huì)導(dǎo)致電解液產(chǎn)生大量的氣體且電池溫度快速上升[1]，由于電池內(nèi)部氣壓快速增大，導(dǎo)致電池破裂并爆炸。為解決該問題，本文將對(duì)導(dǎo)致8 kW充電機(jī)充電電壓失控的原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出充電機(jī)輸出過壓保護(hù)專用過壓繼電器，并提出8 kW充電機(jī)過壓保護(hù)電路的多種改進(jìn)方案。

1 8 kW充電機(jī)電路構(gòu)成

8 kW充電機(jī)由主電路和控制電路組成，主電路額定輸入電壓為DC 600 V，控制電路額定輸入電壓為DC 110 V。

1.1 主電路構(gòu)成

充電機(jī)主電路[2]主要由600 V輸入電路、熔斷器、接觸器、充電電阻、電抗器、支撐電容、IGBT、整流二極管、DC 600 V電壓傳感器TV301、DC 600 V電壓傳感器TV302、高頻降壓變壓器[3]、總電流傳感器TA301(68 A)、DC 110 V輸出電壓傳感器TV303及充電電流傳感器TA302(30 A)等部分組成，見圖1。

Z301、Z302. EMI濾波器；FU301、FU302.DC 600 V輸入保險(xiǎn)、DC 110 V輸出保險(xiǎn)；D303、D304、D305、D306. 二極管 ；KM301、KM302. DC 600 V主接觸器、預(yù)充電接觸器；L301、L302. 電感；R301、R303、R304. 電阻；C301、C302.DC 600 V支撐電容；C303、C304、C305. DC 600 V高壓吸收電容；Q301、Q302.IGBT模塊；T301.降壓隔離變壓器；C311、C312. DC 110 V輸出濾波電容。

1.2 控制電路構(gòu)成

控制電路主要由電源板、控制板、驅(qū)動(dòng)板、EMI濾波器和斷路器等主要部件組成，如圖2所示。

電源板：110 V電源經(jīng)過隔離開關(guān)Q1至DC 110 V EMI濾波器，后至電源板，電源板通過電壓變換輸出5 V、15 V、24 V、110 V等不同電壓等級(jí)電源，分別為控制板、驅(qū)動(dòng)板提供工作電源。DC 110 V正端還為主接觸器、預(yù)充電接觸器線圈及反饋觸點(diǎn)提供正電源，另一端接控制板接觸器輸出及輸入接口。

控制板：由4個(gè)輸入輸出接口與電源板、驅(qū)動(dòng)板、傳感器相連，4個(gè)接口分別為XP1、XP2、XP4、XP5。其中，XP1為傳感器供電及信號(hào)反饋接口；XP2為接觸器輸入輸出接口，用于連接接觸器線圈及反饋觸點(diǎn)；XP4為電源接口，與電源板相連；XP5為PWM控制及驅(qū)動(dòng)故障反饋接口(連接驅(qū)動(dòng)板)。另外，還設(shè)有XP3通信接口用于通信和程序維護(hù)。

圖2 8 kW充電機(jī)控制電路構(gòu)成

驅(qū)動(dòng)板：有4個(gè)輸入輸出接口，分別為XT01、XT02、XT2、XT3。其中，XT01為PWM控制及驅(qū)動(dòng)故障反饋接口(連接控制板)；XT02為±24 V電源接口(連接電源板)，XT2和XT3均為IGBT驅(qū)動(dòng)控制及故障反饋接口。

2 8 kW充電機(jī)電壓調(diào)節(jié)過程

2.1 8 kW充電機(jī)穩(wěn)壓過程

如圖3所示，8 kW充電機(jī)的輸出電壓依靠輸出電壓傳感器TV303取樣反饋至控制板的XP1/21端子。傳感器為電流型輸出，控制板通過采樣電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過運(yùn)算放大電路將采樣信號(hào)傳遞至主控芯片，主控芯片通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整輸出電壓，形成閉環(huán)控制。大部分8 kW充電機(jī)采用電壓閉環(huán)電路。正常情況下，由于某種原因?qū)е鲁潆姍C(jī)輸出電壓高于120 V時(shí)，輸出電壓傳感器TV303輸出電流增加，主控芯片調(diào)整脈寬，充電機(jī)輸出電壓降低至120 V；當(dāng)某種原因?qū)е鲁潆姍C(jī)輸出電壓低于120 V時(shí)，輸出電壓傳感器TV303輸出電流減少，主控芯片調(diào)整脈寬，充電機(jī)輸出電壓升高至120 V。

圖3 8 kW充電機(jī)電壓反饋回路

2.2 8 kW充電機(jī)充電電壓失控

當(dāng)輸出電壓傳感器TV303、連接電纜、XP1端子、控制板接口電路、采樣電路R1及R2、運(yùn)放、運(yùn)放輔助部件等元件及焊接點(diǎn)的任意電路開路時(shí)，均有可能導(dǎo)致主控芯片得不到輸出電壓傳感器TV303輸出信號(hào)。如果輸出電壓傳感器TV303輸出斷線，此時(shí)輸出電流為0，則主控芯片調(diào)整脈寬，使得輸出電壓升高，輸出電壓升高后，主控芯片無法及時(shí)獲得該信息，導(dǎo)致主控芯片繼續(xù)調(diào)整脈寬，輸出電壓繼續(xù)升高，直到輸出電壓失控，此時(shí)輸出電壓最高。

3 8 kW充電機(jī)電壓失控后果分析

3.1 模擬試驗(yàn)電壓失控狀態(tài)

本文分別采用2個(gè)不同廠家生產(chǎn)的統(tǒng)型25T型DC 600 V電源裝置模擬斷開TV303輸出線，當(dāng)充電機(jī)輸入額定電壓為DC 600 V，充電機(jī)帶載功率分別為1 kW、2 kW、3 kW，此時(shí)充電機(jī)輸出電壓達(dá)170 V；充電機(jī)帶載功率為0.4 kW時(shí)，充電機(jī)輸出電壓甚至達(dá)到190 V。當(dāng)DC 600 V電壓升高時(shí)，充電機(jī)輸出電壓也同步升高，輸入電壓和輸出電壓呈現(xiàn)正相關(guān)。

3.2 后果分析

經(jīng)過對(duì)充電機(jī)電壓反饋回路(圖3)分析研究，該種充電機(jī)只有1個(gè)輸出電壓傳感器，該傳感器參與電壓檢測、電壓穩(wěn)壓過程。正常情況下電壓不會(huì)失控。但是由于該充電機(jī)缺少獨(dú)立有效的過壓保護(hù)電路，一旦輸出電壓傳感器、XP1端子、控制板接口電路、控制板與主控芯片之間的連線、采樣電路、運(yùn)算放大電路的任意電路開路，充電電壓便會(huì)瞬間失控。

電壓失控后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定電壓(170 V)的充電電壓加載在額定電壓只有93.6 V的電池組上，電池會(huì)因嚴(yán)重過壓使得電解液快速分解為氫氣和氧氣，進(jìn)而導(dǎo)致電池干枯，電池壽命降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電池爆炸，存在嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 8 kW充電機(jī)輸出過壓保護(hù)電路的改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 設(shè)計(jì)專用過壓繼電器

根據(jù)上述分析，25T型客車充電機(jī)存在設(shè)計(jì)缺陷。為了解決該問題，提高充電機(jī)工作可靠性，本文設(shè)計(jì)了充電機(jī)專用過壓繼電器。

如圖4所示，采用555時(shí)基電路為核心[4]，1、2腳為DC 110 V轉(zhuǎn)DC 12 V電源模塊輸入端，模塊輸出DC 12 V電壓作為過壓繼電器工作電源。3、4腳接充電機(jī)充電輸出端。KA為控制繼電器，5、6腳為控制繼電器常開觸點(diǎn)，通過將5、6觸點(diǎn)串接于充電機(jī)控制回路或主接觸器線圈回路，當(dāng)3、4腳過壓時(shí)，繼電器KA常開觸點(diǎn)斷開，充電機(jī)停止工作，可以有效保護(hù)電池不超壓。在繼電器正常吸合時(shí)，DC 12 V電源正端、三極管VT3、繼電器KA和電阻器形成回路，DC 12 V電源對(duì)KA進(jìn)行供電。當(dāng)3、4腳之間過壓時(shí)，VT1導(dǎo)通，此時(shí)，555時(shí)基電路腳得到一個(gè)低電平，555 時(shí)基電路立刻置位，555輸出高電平，發(fā)光二極管 LED 點(diǎn)亮。同時(shí)，555 時(shí)基電路內(nèi)的放電管懸空，三極管VT3 截止，KA繼電器線圈斷開，KA常開觸點(diǎn)斷開，VT2為保持三極管，當(dāng)4腳電壓降低后，仍然保持VT1導(dǎo)通，當(dāng)切斷1、2腳DC 110 V電源時(shí)，電路恢復(fù)初始狀態(tài)。若3、4腳之間還是過壓，則KA繼電器常開觸點(diǎn)仍然斷開，從而達(dá)到了電路對(duì)電池過壓充電的保護(hù)作用。過壓繼電器主要保護(hù)參數(shù)：4腳和3腳之間DC 110 V達(dá)到128 V時(shí)動(dòng)作，電壓低于DC 125 V時(shí)斷電復(fù)位。

圖4 過壓繼電器原理圖

4.2 充電機(jī)輸出過壓保護(hù)電路改進(jìn)方案1

4.2.1 改進(jìn)方案

如圖5所示，在充電機(jī)內(nèi)部增加過壓繼電器，將過壓繼電器2、3腳相連后接-110，1腳接+110，4腳接D+，6腳接充電機(jī)控制板XP2/10端子，5腳接充電機(jī)主接觸器KM301線圈，線圈另一端接DC 110 V+(未更改)。當(dāng)充電機(jī)輸出電壓過壓時(shí)，設(shè)定保護(hù)值126 V時(shí)，過壓繼電器動(dòng)作，充電機(jī)主接觸器KM301斷開，充電機(jī)停止工作，能夠保證電池不過壓充電。

圖5 改進(jìn)方案1

4.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用某臺(tái)2016年生產(chǎn)的統(tǒng)型8 kW充電機(jī)，按照?qǐng)D5所示電路圖接線，且斷開XP1/21端子，分別給充電機(jī)通DC 600 V主電源和DC 110 V控制電源，模擬充電機(jī)反饋回路失效。充電機(jī)主接觸器KM301斷開，充電機(jī)停止輸出。按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行了5次試驗(yàn)，充電機(jī)均能保護(hù)，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)充電機(jī)有任何異常。連接控制板XP1/21端子，再次開機(jī)，充電機(jī)工作正常。

4.3 充電機(jī)輸出過壓保護(hù)電路改進(jìn)方案2

4.3.1 改進(jìn)方案

如圖6所示，在充電機(jī)內(nèi)部增加過壓繼電器，將過壓繼電器2、3腳相連后接-110，1腳接+110，4腳接D+，6腳接充電機(jī)DC 110 V控制電源(EMI下口)，原來充電機(jī)EMI下口電線接過壓繼電器5腳。當(dāng)充電機(jī)輸出電壓過壓，設(shè)定保護(hù)值126 V時(shí)，過壓繼電器動(dòng)作，充電機(jī)無DC 110 V控制電源，充電機(jī)停止工作，能夠保證電池不過壓充電。

圖6 改進(jìn)方案2

4.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用某臺(tái)2016年生產(chǎn)的統(tǒng)型8 kW充電機(jī)，按照?qǐng)D6所示電路圖接線，且斷開XP1/21端子，分別給充電機(jī)通DC 600 V主電源和DC 110 V控制電源，模擬充電機(jī)反饋回路失效。充電機(jī)因無DC 110 V控制電源，充電機(jī)無法工作，停止輸出。按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行了5次試驗(yàn)，充電機(jī)均能保護(hù)，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)充電機(jī)有任何異常。連接控制板XP1/21端子，再次開機(jī)，充電機(jī)工作正常。

4.4 充電機(jī)輸出過壓保護(hù)電路改進(jìn)方案3

4.4.1 改進(jìn)方案

如圖7所示，在客車電氣綜合控制柜安裝過壓繼電器，其中繼電器1、2腳接DC 110 V母線電源，且接在Q20空開下端，5、6腳串接于充電機(jī)控制回路，5腳接Q36下口，6腳接充電機(jī)控制輸出線，4腳接L+，且接在Q30下口，3腳與2腳連接，同時(shí)在5腳和6腳之間并接Q(6A)。

圖7 改進(jìn)方案3

4.4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用某臺(tái)2016年生產(chǎn)的統(tǒng)型8 kW充電機(jī)，按照?qǐng)D7所示電路圖在電氣綜合控制柜增加過壓繼電器后，斷開充電機(jī)XP1/21端子，分別給充電機(jī)通DC 600 V主電源和DC 110 V控制電源，模擬充電機(jī)反饋回路失效。此時(shí)，過壓繼電器動(dòng)作且過壓繼電器故障燈亮，表明充電機(jī)因無DC 110 V控制電源，充電機(jī)無法工作，停止輸出。按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行了5次試驗(yàn)，過壓繼電器均能可靠保護(hù)。試驗(yàn)過程中控制柜及充電機(jī)未發(fā)現(xiàn)有任何異常。連接控制板XP1/21端子，再次開機(jī)，充電機(jī)工作正常。模擬過壓繼電器器件故障，閉合Q，此時(shí)，過壓繼電器不起作用，保證了過壓繼電器故障時(shí)，充電機(jī)能正常上電。

5 結(jié)束語

針對(duì)DC 600 V供電客車充電機(jī)輸出電壓失控會(huì)導(dǎo)致電池過充[5]，存在嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)的問題，本文對(duì)8 kW充電機(jī)輸出過壓保護(hù)電路進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了專用過壓繼電器，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的專用過壓繼電器體積小，安裝改造簡單，既可以安裝在車上控制柜，也可以安裝在充電機(jī)內(nèi)部，便于在現(xiàn)有客車上改造。采取以上任何一種方案均能有效預(yù)防充電機(jī)輸出過壓，可有效防止DC 110 V電池爆裂故障。