一種電氣化公路受電弓的控制系統設計

周 超,張華俊

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

國際能源署(IEA)提出,公路貨運電氣化已成為發展方向,并預測到2050年,36%的重型貨運卡車將采用受電弓方案。2017年,交通運輸部、財政部等14個部門也在文件中提出要全面推動城市貨運車輛電動化的進程。

傳統公路運輸中重型卡車燃油車污染高,《中國機動車環境管理年報2018年度報告》數據顯示:占汽車保有量3.4%的重型柴油貨車和大型客車(分別為84萬輛和617萬輛)的尾氣污染物排放分別占全部汽車CO、HC、NOx和PM總排放的25.7%,32.0%,70.8%和75.2%。

一般電動儲能式卡車續航差,一般電動重卡續航里程為300 km左右,還需要配套的充電設備,在極冷環境下,續航還會縮水,電池也存在使用壽命的問題。而采用輕量電池加接觸網的形式,能夠既保持車輛續航性又解決碳排放的問題,有接觸網隨時給車輛提供動力,無接觸網時采用其輕量蓄電池能夠短時間內繼續行駛。

車輛從電網取得電力,驅動卡車行駛。其中受電弓是最重要的部分,但受電弓一般應用在城軌、高鐵、地鐵和部分公交車上,公交車上的受電弓長6 m,只適用于時速40～50 km,而且不支持動態升降,接觸面小,高鐵上的受電弓雖然可以隨時動態升降,但是成本很高,而且列車網和汽車網采用的是不同的通信網絡。所以要專門針對電氣化公路的受電弓進行二次設計。文獻[1]中提到了用受電弓進行取電的方式,文獻[2]也對接觸網公路受電弓進行了研究。本文對受電弓控制設計和通信網絡進行研究。通信網絡設計部分基于汽車行業標準的CAN總線協議進行設計。控制部分通過選用運動控制器、布置壓力開關、采用行程開關對受電弓的升降進行控制,并對狀態反饋、脫網檢測進行了設計。在我國首條電氣化公路示范線進行實際運用裝車考核,各項指標均達到運用標準。

1 工況對比

分析鐵路運輸和公路運輸的不同工況,見表1。

表1 鐵路和公路運行工況對比

針對電氣化公路受電弓的運行工況,需要從以下幾個方面進行設計。

1)通過CAN網絡與車輛建立網絡通信,接收車輛控制指令。

2)針對公路運輸復雜的運行路面狀況,需及時反饋自身狀態給車輛,確定是處于升弓搭觸接觸網狀態還是降弓折疊狀態。

3)針對公路運輸中特殊情況,車輛搭網取電行駛過程中可能開出接觸網范圍時,需要對受電弓進行降弓保護。

2 設計過程

受電弓控制系統包括通信模塊、接觸網脫網監測、受電弓升降弓監測、控制處理、升降弓控制幾個部分。控制流程圖如圖1所示。

圖1 受電弓控制系統程序流程

2.1 受電弓控制系統接入車輛網絡

高鐵受電弓通信系統為MVB(multifunction vehicle bus)多功能車輛總線,或者TRDP(train real-time data protocol)協議,用于軌道交通實時以太網絡,均不符合汽車行業通信標準。汽車行業采用CAN(controller area network)總線協議進行通信,CAN通信通過ISO11898及ISO11519進行了標準化,現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議,所以本設計選用一款支持CoDeSys編程和CAN通信的運動控制器進行開發。受電弓控制系統采用CAN通信接入車輛網絡。

信號傳遞的設計分為車輛發送給受電弓的控制信號和受電弓發送給車輛的反饋信號。首先對車輛和受電弓之間的數據通信進行通信協議的定義。數據長度均為8字節,對每個字節的位進行點位定義,包括信號名稱、信號描述、起始字節、起始位、信號長度和數據類型。車輛到受電弓的控制命令定義如表2所示。受電弓控制系統到車輛的信號定義如表3所示。

表2 車輛控制信號

表3 受電弓狀態信號

2.2 受電弓升降弓狀態監測

CoDeSys程序中定義2點和3點的IO引腳,通過控制器IO監測壓力開關的點位的通斷狀態,判斷升弓降弓是否到位(見圖2)。

圖2 升降弓狀態點位定義

在受電弓氣路中增加壓力開關來檢測升降弓狀態,預設升弓時的壓力值,當進氣壓力P大于設定值時,壓力開關1～3點接通、1～2點斷開,表示壓力已達到升弓氣壓,升弓到位。當進氣壓力P小于設定值時壓力開關1～3點斷開、1～2點接通,表示已達到降弓氣壓,降弓到位(見圖3)。

圖3 壓力開關工作原理圖

從程序接收到車輛CAN網絡的升弓信號,到升弓到位這段時間為升弓過程。在CAN網絡升弓指令給出一定時間后判斷氣壓是否達到升弓條件,從而判斷升弓是否有異常。

從程序接收到車輛CAN網絡的降弓信號,到降弓到位這段時間為降弓過程。在CAN網絡降弓指令給出一定時間后判斷氣壓是否達到降弓條件,從而判斷降弓是否有異常,異常均通過CAN網絡發送給車輛,以便車輛進行判斷。

2.3 升降弓控制

受電弓的升降弓由升弓閥的得電時間控制,升弓閥得電時受電弓氣路打開,受電弓氣囊做功頂起受電弓下臂進行升弓。升弓閥失電時受電弓氣路關閉,并進行排氣,受電弓降弓。

快降閥是在降弓過程中加快排氣的設備,得電時快速排除氣囊氣壓,實現快速降弓。升弓閥、降弓閥共同控制受電弓的狀態,控制狀態見表4。

表4 升降弓閥控制受電弓狀態

控制系統接到車輛的升降弓指令后,通過IO輸出引腳控制升弓閥和快降閥的得電時間,控制氣路氣壓,從而實現升弓和降弓。CoDeSys程序中定義DO_X12引腳控制升弓閥,DO_X13控制快降閥(見圖4)。

圖4 引腳控制升弓電磁閥和快降電磁閥通電

2.4 接觸網脫網監測

車輛由于行駛運行時,受到線路條件、司機駕駛水平、道路顛簸、讓車等影響,存在左右位移超過車頂接觸網線的情況,此時需要受電弓快速降弓以防止刮蹭接觸網。

通過在受電弓碳滑板兩端加裝限位開關,觸發后判斷為脫網狀態,受電弓自動快速降弓,同時發送故障信號給車輛,起到保護作用(見圖5)。

圖5 微動開關安裝位置

限位開關選用微動開關來實現,當接觸網壓到機械限位時開關閉合,通過控制系統的IO檢測開合狀態來獲取脫網信息。開關一端由控制器供電,另一端檢測電壓來判斷是否接通(見圖6)。

圖6 引腳讀取微動開關通斷狀態

CoDeSys程序中定義DI_X02引腳、DI_X03引腳分別來檢測2個微動開關的通斷狀態(見圖7)。

圖7 微動開關工作示意圖

3 應用效果

受電弓控制器搭載在受電弓上,并接入車輛CAN網絡總線,供電后接收車輛控制信號后,受電弓正常升降,表示網絡通信功能正常、受電弓動作控制正常。通過車輛顯示屏能夠顯示受電弓處于升弓狀態表示狀態信息反饋正常。車輛在經過起伏路、上下陡坡、搓板路、緊急制動各種工況下,受電弓仍然保持正常受流。車輛在運行過程中特意偏離接觸網,微動開關正常觸發,受電弓自動降弓,表示脫網監測功能正常,應用效果見圖8。

圖8 現場應用

4 結束語

本文根據受電弓在電氣化汽車行業裝車的條件,提出一種基于CAN網絡的控制系統設計方案,滿足了受電弓在電氣化公路上的運用條件,具備狀態檢測和接觸網脫網保護功能,能更好地適應公路的運行狀況。并且搭載在電氣化公路示范線卡車的受電弓上,在電氣化公路示范線上運行通過了考核。