內燃機車電壓調整器的優化設計探析

馬帥

摘要：針對內燃機車電壓調整器日常應用中存在的無蓄電池充電管理功能以及溫度補償功能，易影響蓄電池應用壽命等不足，基于內燃機運用特點，設計了一種具有溫度補償功能，并且可實現限流充電、快速充電以及浮充電的新型電壓調整器，應用結果表明，應用該種新型電壓調整器，可很好的解決機車蓄電池日常充電過程中易出現的慣性鼓脹問題以及充電不良問題，延長了蓄電池使用壽命，降低了內燃機車運用成本。

關鍵詞：內燃機;電壓調整器;充電;蓄電池

中圖分類號：TM611.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0013-02

1? 內燃機車電壓調整器應用現狀及存在的不足

隨著科學技術的快速發展，為了提高內燃機車的安全可靠性，必然要對其進行優化改進。本文主要從內燃機車電壓調整器方面著手進行優化改進，從而讓機車安全可靠性得到提升。

內燃機車將直流電機作為啟動發電機，在啟動內燃機車時，柴油機作為一個串勵電動機使用，柴油機通過蓄電池提供電能盡而啟動;在內燃機車正常運行時，柴油機會作為一個他勵電動機使用，柴油機在電壓調整器作用下進行勵磁控制，從而輸出110V的穩定直流電。A、B兩組雙套裝置共同組成電壓調整器，其主要就是對發動機啟動勵磁電流進行自動調節，從而確保發電機的轉速始終保持在1160～2700r/min范圍內，啟動發電機無論處于滿載狀態還是空載狀態，都會有110V直流電壓輸出。與此同時所輸出的110V直流電壓不僅要為蓄電池提供電能，還要為機車其他輔助控制系統提供電能。當前，大部分電壓調整器都是將110V恒壓制作為主要控制方式，但在實際應用中也存在很多缺點：

一是無法根據機車蓄電池充電狀態進行充電模式選擇。充電模式主要分為3種：第一種限流充電;第二種快速充電;第三種浮充電。目前只有庫內充電機可以根據充電狀態選擇充電模式，機車電壓調整器暫不具備充電模式選擇功能，因此對蓄電池的使用充滿不利影響。

二是無法根據機車蓄電池充電狀態進行溫度補償。目前現有的均衡充電模式和浮充電模式，在蓄電池充電時都需要進行溫度自動補償。例如：當蓄電池在充電時溫度補償系數為-3.5mV/℃時，蓄電池每增加1℃其充電電壓就會減小3.5mV;當溫度每減小1℃其充電電壓就會增加3.5mV。假如蓄電池電壓調整器不具備溫度補償功能，在日常使用時經常會出現過充或者充電不足的情況。當蓄電池長時間處于充電不足狀態，就會導致蓄電池的蓄電量出現衰減。當蓄電池長時間處于過充狀態，就會導致蓄電池內部電解液減少、溫度升高，最終使用壽命縮短。特別是長期處于高溫狀態，蓄電池很熱容易出現電解液減少、故障等問題。造成此種情況的主要原因是：蓄電池內部溫度過高，通常來說蓄電池使用環境溫度在-40～40℃范圍內。假如在高溫狀態下進行110V恒壓充電，時間過長會讓蓄電池內部電解液副反應加劇產生氫氣和氧氣，當氫氣和氧氣復合速度小于電解速度時，就會導致蓄電池內部氣體逐漸增多，從而導致蓄電池發生鼓脹。每年夏季就會有很多機車蓄電池因為高溫天氣持續出現鼓脹或者爆裂。當前蓄電池損傷大多都是物理損傷無法進行修復，這樣會對機車的安全使用造成極大影響，同時還會讓機車成本得到增加。

三是目前電壓調整器中的A、B兩組雙套裝置都是相對獨立的，當其中一組發生故障無法使用時，需要人工改變扁插才能進行轉換，為故障維修帶來了很大不便，與此同時扁插連接還很容易發生電氣故障。

2? 設計方案

2.1 裝置硬件構成

新型電壓調整器主要由如下四部分共同組成：第一部分系統主機;第二部分蓄電池工作溫度檢測系統;第三部分蓄電池充電電流檢測系統;第四部分蓄電池工作電壓檢測系統。其系統主機主要分為五大功能模塊：第一主控芯片功能模塊;第二ADC采樣功能模塊;第三PWN控制功能模塊;第四人機顯示互動功能模塊以及第五通訊接口功能模塊。

2.2 裝置工作原理

2.2.1 系統總體架構框圖（圖1）

2.2.2 系統工作過程

當機車處于正常工作狀態時，電壓傳感器會對發動機兩端連接的蓄電池電壓進行實時檢測，電壓傳感器將檢測信號傳遞給系統主機，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉化，從而得到蓄電池即時電壓，與此同時，電池傳感器對會蓄電池正極輸出的電流進行實時檢測，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉化，從而得到蓄電池即時電流。最后，溫度傳感器對蓄電池內部工作溫度進行檢測，然后通過ADC采樣功能模塊對其進行轉化，從而系統主機得到蓄電池內部工作溫度。系統主機主要通過上述3個傳感器對蓄電池工作溫度、電流以及電壓進行獲取，同時在和蓄電池使用需求相結合，對蓄電池進行電壓以及溫度補償;然后根據PI調整器對蓄電池的充電使用模式進行選擇;再次，通過PWN控制功能模塊來對開關管功率進行控制，同時對勵磁電流進行間接控制，從而對發電機所產生的輸出電壓進行控制。最后將所獲取的蓄電池放充電實時數據傳遞給主機，以便維護人員對其狀態進行監控。

2.3 系統主機設計

2.3.1 主控芯片模塊

系統主機所采用的主控芯片是PICCOLO系列的DSP芯片，其工作頻率為60MHz，PWM共有12路，AD共有16路。此系統主機在工作環境相對復雜的逆變器以及DC/DC電源中經常被用到。其系統內部配置有AD轉換系統，在和蓄電池放充電狀態實時溫度、電流以及電壓相結合。系統是采用Bootloader+Application模式設計而成，后期升級維護相對簡單便捷。軟件結構流程圖如圖2所示。

2.3.2 ADC采樣模塊

系統需要對機車蓄電池額實時溫度、電流以及電壓物理模擬量進行實時收集。因此，需要在系統中設計模擬數字轉化電路，通過傳感器對模擬信號進行采集，然后經過ADC功能模塊完成模數轉換，最后主控芯片根據機車蓄電池的實時溫度、電流以及電壓對其進行計算分析。

2.3.3 PWM控制模塊

作為系統的主要組成部分，PWM功能模塊主要功能就是對蓄電池電壓值進行控制和調節。首先主控芯片實時進行脈沖方波電壓輸出，然后在經過開關管對控制系統主機輸出功率進行控制，在次通過改變勵磁繞組對所產生電流大小進行控制，最后就是通過輔助控制系統對發電機所產生的輸出電壓進行控制。驅動系統配套電源型號為BCP011515，配套專用芯片型號為FOD3084，配套功率開關管型號為FOD50N50。

2.3.4 顯示與人機互動模塊

系統所采用的人機顯示互動模塊主要是由4個按鍵以及1塊LED數碼顯示屏共同組成。其中數碼顯示屏和系統主機是直接集成在一塊的，循環顯示系統主要作用就是對機車蓄電池的實時溫度、電流以及電壓數據進行檢測和收集。與此同時，工作人員可以通過功能按鍵對系統參數進行修改和設置，其中包含溫度、電壓等系統參數。

2.4 系統雙套冗余設計

雙套冗余設計作為本次新型電壓調整器的主要亮點，其主要將A、B兩套系統集成在一起，其中B套作為備系統，當A系統發生故障時，維修人員可以通過扁插開關將其切換到B套備份系統，同時扁插開關必須采用安全性極高的航空插頭，以避免因扁插問題導致系統無法切換的情況出現。

3? 新型電壓調整器的應用

經過多次討論驗證，終于完成新型電壓調整器的產品設計。新設備經過多次工業試驗，各項功能參數都很正常。根據內燃機車的實際運行狀況分析，最終決定將DF型調車機做為本次試驗對象并對其進行驗證考核。其安裝方案具體如下：首先通過開孔設備在蓄電池表面上加工1個？準10的圓孔，在把PT100溫度傳感器的重要組成部分感溫桿穿過圓孔接觸到蓄電池單節邊表面，從而對實時溫度進行準確測量;然后在蓄電池一端正極處串聯TBC300 TBH型傳感器，從而對實時電流值進行準確采集;再次在輔助發電機兩端正負極處并聯LV25型傳感器，從而對實時電壓值進行準確采集;最后根據原車安裝尺寸對新型電壓調整器外形進行設計，以便能夠對舊設備進行直接替換。

重點提醒：當柴油機處于正常工作狀態時，必須通過斷開輔發扳鍵來對A、B兩套新型電壓調整器進行切換調整，從而避免系統轉換時硬件系統被損壞。

截止到目前為止，經過為期一年的工業試驗測試，新型電壓調整器的工作功能完全能夠滿足實際需求，不僅讓機車蓄電池的安全性能得到有效提高，同時還對機車蓄電池的使用壽命得到有效延長。新型電壓調整器無論在工作原理、電氣線路排布方面，還是在安裝尺寸方面都適應絕大多數內燃機車。因此，下一步工作就是加大新設產品使用推廣力度，以便機車蓄電池更加安全可靠。

4? 結束語

經過多次試驗驗證，新型電壓調整器運行效果良好。無論是硬件設計方面，還是軟件設計方面都符合設計需求，為蓄電池的安全使用提供了巨大保障。新型電壓調整器在安裝適用性方面具有較大的通用性，不僅可以對機車維修費用進行有效降低，同時還可以對機車安全可靠性進行有效提高。

參考文獻：

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