某型充電電源典型故障分析及對策研究

梁洪濤 王 騰 陳小雷 王陸童

（1.海裝駐北京地區第一軍事代表室，北京 100076；2.北京航天發射技術研究所，北京 100076）

1 引言

2012年起某型蓄電池牽引電機車充電電源和電瓶牽引車充電電源陸續交用于兩型裝備車輛充電，為大型裝備提供牽引動力。至2020年一套充電電源電流表不亮（見圖1），電源其它指示燈正常。經系統分析認為電流表不適應沿海的高溫、高濕環境，造成損壞所致，最初解決措施為更換電流表。后經深入分析排查發現該兩型車輛充電電源在長時間使用后，暴露出電流表和電壓表損壞現象突出、調壓功能設計不合理、自動斷電功能時好時壞、蓄電池充電存在發熱著火隱患等一系列故障，嚴重影響使用。為徹底排除裝備故障，從設計源頭入手，及時對裝備設計原理、工作機制、使用環境進行了全面復查和分析，找準問題原因，采取可行措施，提高裝備安全性；另外針對實用需求優化設計，提高裝備的可靠性和實用性[1，2]。經充分的試驗驗證和一年多實際使用，證明改進方案合理可行，改進措施有效。

圖1 電流表損壞后情況

2 典型故障分析及更改措施

蓄電池牽引電機車充電電源和電瓶牽引車充電電源交付時間較長，使用中出現各種故障概率不斷增大，為保障裝備質量良好，必須及時評估裝備狀態，解決各種問題，確保實際使用需要。通過現場檢查、設計原理復查和全面的分析評估，蓄電池牽引電機車充電電源和電瓶牽引車充電電源充電電源裝備中出現的以上幾類問題是目前裝備故障的主要原因，嚴重影響裝備的使用性能，需要及時完善設計，從源頭徹底消除隱患。

2.1 調壓功能簡化

原設計中的調壓電路主要作為電源研制初期便于調試，同時兼顧用戶不同電壓的電池充電。實際使用過程中全部定壓充電，專電源專用，調壓功能設計的輸出控制電路、電壓表、電流表成為多余電路，目前設備檢定要求多，電壓電流表臨近使用壽命故障率較高，增加了維護保養工作，降低了系統可靠性。

充電電源改為固定輸出電壓后，將不需調壓，取消調壓電位器，同時電壓固定后，電壓電流顯示需求相對降低，考慮表頭需年檢、易損原因，取消電壓表和電流表。原面板圖見圖2，改進后面板圖見圖3。改進完成后可使充電電源操作簡化，無需確定輸出電壓，電源開機就給電池充電，“正在充電”和“主充”指示燈亮，電源充電到設定均流電壓點后，“主充”指示燈滅，“均充”指示燈亮、“正在充電”亮，計時到設定延時時間，充電電源停止充電。改進前電路圖見圖4，改進后固定輸出電路見圖5。通過此更改簡化了設計電路和控制邏輯，不存在技術風險[3]。

圖2 更改前的面板圖

圖3 更改后的面板圖

圖4 調壓電路原設計（部分）

圖5 改進后固定輸出電路（部分）

2.2 充電管理改進調整

針對自動斷電功能異常問題，復查裝備生產產品技術狀態，發現充電電源設計時，技術指標為：充滿自動關機判據為小于10A 均流電流，延時3h 關機，電池組長期使用后，內阻變化，造成充電電流不能小于10A 均流電流，導致電源無法自動關機；裝備自動斷電功能失效后，如長時間充電蓄電池充電存在的發熱著火故障模式，復查充電電源設計方案，無對應溫度監測措施，存在著一定的安全風險[4]。

針對此問題，采取取消輸出接觸器、預充接觸器等電路簡化措施，調整后電源交流輸入接通后，以固定電壓直接開始給電池充電，操作簡化，可靠性提高。取消輸出通斷電路的同時需相應改進如下：

a.充電關斷改進

由于原充電電源充電完畢后，通過關斷輸出接觸器達到結束充電，取消輸出接觸器后將無法實現充電結束后關斷充電功能，需將關斷充電更改為：在充電結束后，關斷原邊控制脈沖，電源無輸出。具體實現途徑為：取消分流器R100、接觸器KM2、接觸器KM3、接觸器KM4 和電阻R6，增加輸出二極管。調整后充電電源在交流輸入接觸器KM1 接通后，充電電源將直接給電池充電。具體實現電路圖見圖6、圖7。

圖6 原充電電源輸出電路圖

圖7 更改后充電電源輸出電路圖

取消輸出通斷電路后，充電電源啟動后將直接給電池充電，最惡劣情況為電池無剩余電量，充電電源啟動后，充電電源加壓并應直接進入限流狀態。

為防止電源斷電后輸出電路和電池不能斷開，導致電池給輸出電路放電，在輸出正母線增加阻斷二極管V5，選用超快恢復二極管MURP20040CT，其反向浪涌電壓為400V，正向平均電流為200A，壓降1.25V。

b.充電策略完善

原充電策略：充電電源最先進入恒流充電階段（限流100A、降壓），隨著電池電量增加充電電壓上升到額定值，充電電源進入恒壓充電階段，電流開始下降，當電流降到10A 時，充電電源進入均充延時階段，計時180～270min 后關斷電源輸出。

改進后充電策略：改進后充電策略分為一個主充電策略、一個分階段計時策略、一個總計時策略。主充電策略基本與原充電策略相同，分階段計時策略針對電池性能變化后充電電流不能下降造成蓄電池發熱著火事隱患，分不同電流段，通過計時充電電流不能下降到要求值，進行關斷充電，改進后充電策略詳見表1，分階段計時策略具體階段劃分及判據見表2。總計時策略是在策略2 失效后總備保策略，該策略與電流無關，電池一個完整充電時間為17h10min，更改總充電策略后充電電源在開始充電就計時，工作18h 關機，有效避免過充風險。

表1 充電電源改進后充電策略

表2 分階段計時策略表

c.充電管理板設計優化

充電管理板保留原接口和尺寸，檢測輸出電流，實現對整機充電管理，當輸出電流大于設定均充電流10A 時，充電電源進行主充模式，當輸出電流降到均充10A，延時3h，充電關斷。同時增加分階段計時策略和總計時策略，分級時間段內電流下降不到要求值，關斷充電，如果主充和分階段計時策略均不能正常關機，設計開機計時（總充電計時），累積計時18h 后充電關斷。

d.均流充電開啟增加滯環比較器

原設計中，充電電流大于10A 時，電源處于主充模式，隨著充電電流減小到均流的10A，運放組成的比較器翻轉，進入均流模式，但是如果電流在10A 左右震蕩，將出現充電電源在主充和均充之間來回切換的風險。在均流判斷中增加滯環比較器，在均流判斷電流點附近形成滯環帶，滯環帶內狀態保持，避免了均流判斷電流點震蕩引起的來回切換問題[5]。

3 更改驗證情況

兩型充電電源在取消輸出通斷電路后，充電電源啟動后將直接給電池充電，最惡劣情況為電池無剩余電量，充電電源啟動后，充電電源加壓并應直接進入限流狀態。為驗證消輸出通斷電路后電源能正常啟動、工作，用模擬電源進行驗證試驗，該電源與充電電源除輸出電壓不同、無電池管理電路外，完全與充電電源相同。

試驗主要驗證從交流側開機即充電，不限流狀態工作和限流工作兩種模式。

a.驗證從交流輸入開機，不限流狀態工作

由于電源輸出電壓為110～160V，所以將電源輸出調整到以下電壓試驗：113V，直接開機，分別啟動20A、66A；140V，直接開機，啟動83A；160V，直接開機，啟動94A。

以上分別開機、關斷動作30 多次，電源工作正常，通過示波器觀察波形穩定，驗證了不限流工作性能。

b.驗證從交流輸入開機，電源充電限流啟動

電源輸出160V，限流點在95.5A，啟動139A 負載，開機后電源直接進入電流模式，電源工作正常，開機、關斷動作30 多次電源工作穩定、正常。

4 使用驗證情況

按設計的最新方案，完成一套充電電源的改進，并進行功能性能測試，完成功能性能測試后試用，與實際電池進行聯試工作均正常，進一步驗證了方案的正確性。

對于2012年交付的4 套產品，結合設備8年中修按以上方案進行更改。中修主要針對實物的更改方案：

a.更換充電電源前面板；

b.更換充電管理板為新狀態；

c.控制電路適應性更改。

目前已完成裝備及后續出廠產品的改進工作，兩型裝備改進交付后，經近兩年時間使用和各項任務保障，狀態良好，改進后設備工作穩定、操作性好，極大提高了裝備使用效率。

5 結束語

a.解決裝備使用質量問題不應只關注使用性、安全性和現象性問題，更應關注設計原理、功能實現，立足全面分析從根源解決問題。本次針對充電裝備使用中的具體問題，采取更換充電電源前面板、更換充電管理板、控制電路適應性更改等措施，能有效改善現有裝備性能，確保裝備耐用。

b.裝備設計生產監督中應更多關注裝備可靠性、實用性和保障性，針對使用環境和應用環境及時優化設計，提高設計強壯性和環境適應性。

c.改進研制中創新提出電流分段管理方案，杜絕電池充電中不能斷電和電池發熱甚至燃燒的問題，極大提升了產品可靠性和安全性。