城軌充電機充電限流與強浮充轉換測試優化

褚衍廷 周湘杰

[摘?要]?針對城軌蓄電池充電機出現的充電電流過流以及輸出電流的紋波比出廠測試參數偏大的問題，以某型號城軌蓄電池充電機為例，通過分析蓄電池充電機的工作原理，結合生產現場實際遇到的問題，對現有以電阻為負載的測試方法進行改進，提出了使用蓄電池作為蓄電池充電機負載的測試方法，并通過仿真及現場試驗驗證其可行性和有效性。

[關鍵詞]?蓄電池充電機;充電限流;強浮充轉換;測試優化

[中圖分類號]?U 269.6??[文獻標志碼]?A??[文章編號]?1005-0310（2020）02-0008-06

Test Optimization of Charging Current Limit and Strong Floating Charge Conversion for Urban Rail Charger

Chu Yanting1，2，Zhou Xiangjie1

（1. College of Railway Power Supply and Electrical Engineering， Hunan Vocational College of Railway Technology， Zhuzhou Hunan 412000， China; 2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd， Zhuzhou Hunan 412000， China）

Abstract： In view of the problem that the charging current is overcurrent and the ripple of the output current is larger than the factory test parameters during the actual operation process of the urban rail battery charger， this research， combined with the actual problems encountered in the production site and taking a certain type of urban rail battery charger

as an example， proposes a test method using the battery as the load of the battery charger by analyzing the working principle of the battery charger after the existing resistance test method with a load is improved. In addition， its feasibility and effectiveness are verified by simulation and field tests.

Keywords： Battery charger;Charge current limiting;Strong floating charge conversion;Test optimization

[收稿日期]?2019-12-25

[基金項目]?湖南省自然科學基金項目（2019JJ70051），湖南省教育廳科學研究項目（19C1220），湖南鐵路科技職業技術學院科研課題重點項目（HNTKY-KT2020-2）。

[作者簡介]?褚衍廷（1989—），男，山東濟寧人，湖南鐵路科技職業技術學院鐵道供電與電氣學院、株洲中車時代電氣股份有限公司工程師，碩士，主要研究方向為電力系統自動化、測試技術;周湘杰（1986—），男，湖南衡陽人，湖南鐵路科技職業技術學院鐵道供電與電氣學院副教授，碩士，主要研究方向為電力系統自動化、新能源發電。E-mail：328193612@qq.com

0?引言

城軌蓄電池充電機是為負載供電和蓄電池充電的變流器，城市軌道交通均裝配車載蓄電池，車載蓄電池僅用于應急供電，在供電網絡中斷的情況下，向列車的照明系統、通風系統和通信廣播系統進行供電[1]。當電網電壓處于正常供電狀態時，充電機向列車的各負載供電和給蓄電池充電。當電網停電或無法正常供電時，就由蓄電池為列車上的負載設備進行供電。目前，蓄電池充電機在實際運行過程中，時有出現充電電流過流，輸出電流的紋波比出廠調試參數偏大的現象[2-3]。本文以蓄電池充電機的工作原理為基礎，根據實際應用存在的問題，對現有測試方法進行改進，提出以蓄電池作為充電機負載的測試方法，并通過試驗驗證其可行性。

1?城軌蓄電池充電機工作原理及仿真分析

1.1?城軌蓄電池充電機原理簡析

城軌蓄電池充電機分為兩種，一種是直接將電網的DC 1 500 V或DC 750 V電壓轉換為DC 110 V電壓，如圖1所示。另一種是將輔助變流器輸出的三相AC 380 V電壓轉換為DC 110 V電壓，如圖2所示。兩種電路的原理都是將輸入的直流電或整流后的直流電通過半橋逆變電路逆變為高頻交流電，再通過高頻變壓器隔離、降壓，最后通過高頻整流和LC濾波得到穩定的DC 110 V電壓[4]，通過控制IGBT觸發脈沖的占空比來穩定輸出電壓。可以看到充電機有兩路輸出，其中串聯二極管的一路輸出是給列車上其他110 V負載供電，另一路是給車載蓄電池充電。

1.2?城軌蓄電池充電機仿真分析

使用simulink搭建仿真模型如圖3所示。

高頻變壓器輸入端電壓波形如圖4所示，直流輸出電壓的仿真波形如圖5所示。

通過仿真結果可以看出，該主電路拓撲結構的充電機能夠輸出穩定的DC 110 V電壓。

2?充電限流與強浮充轉換測試優化分析

北京聯合大學學報2020年4月第34卷第2期褚衍廷等：城軌充電機充電限流與強浮充轉換測試優化

充電機對蓄電池充電時，充電電流與充電電壓的關系是非線性的，且充電電壓還要隨溫度的改變而改變。根據分析，可能引起充電機充電電流過大的情況有：充電限流時，由于蓄電池的非線性導致電流值大于限流值;充電機強浮充轉換時，比如在某一小電流下充電機本應該處于浮充狀態，但是充電機突然轉為強充狀態，導致電壓升高，電流突然增大。

城軌蓄電池充電機出廠測試的功能性項目有啟動和重啟動試驗、充電限流試驗、額定負載試驗、輕載試驗、負載突變試驗、控制電源試驗、溫度補償試驗和老化試驗等[5]。本文針對現場實際問題，進行充電限流試驗和強浮充轉換試驗，并根據試驗結果進行優化分析。

2.1?充電限流試驗

充電限流試驗主要是測試充電機的充電限流值，蓄電池的充電電壓和充電電流須符合圖6所示的三階段充電法曲線[6]。第一階段為恒流充電，采用限流充電控制方式;當電壓達到u0時，進入第二階段，為恒壓充電模式，第一階段和第二階段又屬于快充充電狀態;當電流下降到臨界電流i1時，進入第三階段，該階段為浮充充電狀態，浮充充電可以補償蓄電池自放電損失的容量，采用恒壓小電流的方式最大限度地將蓄電池充滿。另外，蓄電池的性能指標受溫度的影響較大[7]。如果蓄電池的溫度變化較大，則須根據溫度補償曲線對其進行必要的補償，調整充電電壓和充電電流。

目前，出廠測試所用的負載為電阻負載，電阻負載分組構成如表1所示。蓄電池充電機的充電限流值設置的測試點有77±2 A、57±2 A、52±2 A、48±2 A、44±2 A、36±2 A、32±2 A、12±3 A等。

測試充電限流值的方法是增加電阻負載，直到輸出電壓下降到u0，記錄此時的充電限流值。

電阻負載有兩個缺陷：電阻負載不可以連續調節;電阻負載屬于線性負載， 不能完全滿足充電機試驗需求。

首先，我們從表中可以看到負載的變化是分級的，這將導致無法確定在限流的拐點附近充電機是否還能滿足限流要求。例如，一個充電限流值為12±3 A的蓄電池充電機，在某一溫度下輸出電壓為DC 110 V。根據表1，先使用1組11 Ω/10 A和22 Ω/5 A負載，使得輸出電流為15 A，這時輸出電壓可能還是110 V，為了使電壓下降，須再增加一個22 Ω/5 A負載，此時負載電流為20 A。這種方法不能測出負載電流為15～20 A時能否滿足限流條件，充電機的充電電流可能會大于限流值12±3 A，形成測試盲區。

其次，電阻負載為線性負載，只能測試限流區域的幾個點，不能滿足對充電機進行更為嚴格的限流考核要求。當蓄電池充電機處于實際運行工況中，運行在限流充電工作模式時，蓄電池的電壓會升高，充電機的電壓也要升高來維持電流不變，這對充電機的要求更加嚴苛。

2.2?強浮充轉換試驗

充電機分為強充（快充）溫度補償與浮充溫度補償，在一段溫度范圍內，浮充和強充的電壓是不同的。蓄電池強充與浮充之間轉換的條件是，電流大于8.0 A時為強充，電流小于4.8 A時為浮充。強浮充轉換試驗就是通過改變負載的大小，使充電機在強充狀態和浮充狀態下切換，記錄輸出電壓的值。

例如某一充電機，當充電電流小于9 A時要工作在浮充狀態，當充電電流大于12 A時要工作在強充狀態。所以，在使用電阻負載測試浮充溫度補償時，會使用一個22 Ω/5 A負載或空載，使充電機工作在浮充模式。在測試快充溫度補償時，會使用一個22 Ω/5 A和一個11 Ω/10 A負載（可能會加更大的負載），使充電機工作在強充模式。用這種方式無法測試出當電流在5～9 A、12～15 A時，充電機是否分別工作在浮充模式或強充模式。

另外，給蓄電池充電時，蓄電池的電壓或電流是不斷變化的，而且蓄電池的內阻也是不斷變化的，這些原因都可能導致充電電流的波動值過大。電阻負載為線性負載，電阻的電流隨電壓線性增加，且試驗時電阻負載不會連續的變化，所以使用電阻負載是無法得到充電機的充電曲線的，也就無法真實測量出充電機的性能。

2.3?蓄電池負載仿真

如果使用蓄電池作為負載，充電機能夠在調試的過程中更貼合地模擬列車上的運行環境，也可以得到更為精確的充電曲線。

圖7為使用蓄電池負載時的simulink仿真模型，在該模型中首先用36 A的恒定電流對蓄電池充電，當蓄電池電壓達到DC 110 V時改用DC 110 V恒壓充電。

圖8為蓄電池電壓電流的仿真波形，蓄電池充電機剛開始工作在限流狀態，此時恒流充電，充電電壓開始上升，當上升到額定輸出電壓時，充電電流開始下降，此時為恒壓充電。整個過程都是連續的，并且可以檢測充電機是否存在過流。

2.4?充電限流與強浮充轉換測試優化可行性分析

蓄電池負載的接線圖如圖9所示，其輸出為4路額定電壓DC 110 V，柜內控制電壓為AC 220 V。該蓄電池柜可切換蓄電池組的不同電壓等級，浮充電壓可在DC 105～120 V之間切換。

根據蓄電池的參數可知，該蓄電池負載可以滿足城軌蓄電池充電機的充電需求，同時蓄電池的放電時間達到了1 h。對于不同的充電機，充電電流不同，充電的時間也不同。為了縮短測試時間，對出廠測試現場提出優化建議如下：

1） 利用充電機老化（功率考核）時間（1 h）做充電限流試驗。

2） 由于電阻負載不連續，所以針對充電限流試驗時無法準確識別電流波動的問題，選取圖6中t1兩端區域的蓄電池狀態進行充電限流試驗，一方面可以減少蓄電池充放電時間，另一方面可以測試出限流值以及限流狀態轉強充狀態是否滿足要求。

3） 針對強浮充轉換試驗中無法準確識別蓄電池強浮充轉換的問題，使用蓄電池來進行強浮充轉換試驗，但蓄電池的充電時間將會很長，降低測試的效率。因為強浮充轉換的電流值都會有±2 A的裕量，所以通過增加一路55 Ω/2 A的電阻負載可以完美解決此問題。

3?結束語

本文通過分析電阻負載對于充電機限流試驗和強浮充轉換試驗所存在的測試盲區，提出了使用蓄電池作為負載和優化電阻負載的測試方法。針對城軌蓄電池充電機在實際運行過程中，出現充電電流過流以及輸出電流的紋波比出廠調試參數偏大的問題，以時代電氣某型號城軌蓄電池充電機為例，結合生產現場實際工況，對以電阻為負載的測試方法存在的問題進行分析和改進，提出了使用蓄電池作為蓄電池充電機負載的測試方法。新的測試方法更接近于蓄電池充電機的實際工況條件，所測得的數據更為準確，通過仿真及現場試驗驗證了該方法的可行性和有效性。

[參考文獻]

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[3]?孟令江，劉云龍.蓄電池充電機并聯不均流原因及解決方案[J].鐵道車輛，2017，55（11）：43-44+51.

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[6]?高飛燕，歐陽惠斌，陳曾.基于漏磁變壓器的牽引電機用蓄電池充電機的設計[J].電子技術，2017，46（11）：41-44.

[7]?劉磊，張永波，張榮佳.CRH3型動車組充電機檢修放電時間計算分析[J].軌道交通裝備與技術，2018（2）：14-15.

（責任編輯?白麗媛）