某型動車組國產化充電機外接供電信號異常輸出分析

鄒 穎， 徐 廷

（中車唐山機車車輛有限公司， 河北 唐山 063035）

0 引言

我國高速鐵路總里程已超過4 萬公里， 每天開行4000 多組，已經逐步形成貫通南北、銜接東西的“八縱八橫”鐵路運輸網。 2021 年2 月，中共中央、國務院印發《國家綜合立體交通網規劃綱要》， 到2035 年高速鐵路運營里程將達到7 萬公里。

1 充電機概述

充電機是各型動車組輔助供電關鍵部件，輸出DC110V。通常8 編組動車組設置兩個充電機，互為冗余；本車型，充電機設在04、05 車。

國產化充電機電路見圖1，其中X4 的A3、A4 是外部DC 110V 電源檢測觸點。

圖1 充電機電路圖

2 存在問題及原因分析

2.1 存在問題

2021 年某日，某動車組施加牽引時，動車組發生牽引封鎖，全列無牽引電流，無法動車。

由CCU 數據可知，運行途中05 車報651F（啟動外部供電）、0822（M1300 控制程序故障，M1300 為原型充電機主控制板）和0819（外部電源已插上），當車組停車后報出90AA（因為外部電源供電而禁止運行），導致全列牽引封鎖。

2.2 調查分析

通過數據分析，判斷引起本次故障原因是動車組05車充電機通過MVB 錯誤發送了蓄電池正在外接供電的信號。 導致該故障的可能原因， 一是外部充電反饋線故障，二是充電機控制模塊故障。

庫內檢查05 車充電機至蓄電池外部供電線路，導通及絕緣均正常，排除該原因。 在依次更換05 車充電機控制模塊內的網絡通訊模塊、網關擴展卡DIO 模塊、網關擴展卡AIO 模塊， 發現只有在更換網關擴展卡DIO 模塊后，0819、0822、651F 故障消除，車組狀態正常，牽引測試正常，判斷是網關擴展卡DIO 故障。

遂判斷為05 車充電機內部網關擴展卡DIO 模塊故障，導致異常輸出高電平信號，主控制器誤認為接入外接電源，報出651F 等代碼，當車組速度為零時，封鎖牽引。更換05 車充電機網關擴展卡DIO 模塊后正常。

2.3 原理分析

2.3.1 控制單元架構

控制單元架構圖見圖2。

圖2 充電機控制單元架構圖

網關單元由具有MVB 通信的HSEC500-MVB 主機及開關量和模擬量擴展模塊構成，統稱為HSEC500。

主控單元由HSEC 200 主控板和電源板一起裝在一個盒子中，有統一的外部連接器引出線，統稱為HSEC200。 主控單元系統是整個充電機的控制單元，負責整個系統的控制和計算，包含內部信號的控制，系統邏輯的控制，IGBT PWM 的控制。

2.3.2 外部供電信號的軟件控制邏輯

外部供電信號走向見圖3。

圖3 外部供電信號走向

（1） 開關量擴展模塊控制邏輯。 開關量擴展模塊一方面負責外部信號的采集，同時承擔與網關主機通信功能，通信方式為差分總線。當主機需要獲取開關量的狀態時，直接從開關量擴展模塊中讀取；同時在開關量擴展模塊內部有心跳計數器，可供主機讀取，用作診斷擴展模塊是否在線。

（2）網關主機的采集。網關主機模塊通過總線從開關量擴展模塊中讀取開關量狀態，“110 V 外接供電輔助觸點”硬件開關信號連接在DI0 端子，網關讀取該硬件信號的高低電平狀態（110 V 為高電平讀為“1”，0 V 為低電平讀為“0”）；同時網關通過RS485 通信（應用層使用MODBUS 協議）將該狀態發送給充電機控制板。

（3）主控板的采集和處理。主控板通過RS485 通信接收網關發送的“110V 外接供電輔助觸點”狀態信號；若狀態位為1 則充電機做停機處理， 若狀態位為0 則不做處理；同時將該信號轉發至RS485 發送端口發送給網關。

（4）網關的轉發（RS485-MVB）。網關將從主控板讀取的RS485 數據“110V 外接供電輔助觸點”狀態信號，按照MVB 通訊協議將數據處理。

（5）蓄電池外部供電原理。當蓄電池需要外部電源供電時，通過X21 插頭與外部電源連接。X11 插頭的3、4 口將外部充電的信息傳遞至充電機內的控制模塊， 由控制模塊將外部充電信號通過MVB 發送至CCU 中。 正常情況下，蓄電池無需外部供電，此時外部供電信號處于低電平（MVB 反饋信號為0）狀態。

根據列車控制邏輯，當蓄電池處于外部供電時（信號為高電平）， 為防止閉合主斷路器后沖擊輔助供電系統（充電機、蓄電池及外部供電設備等），列車將封鎖本牽引單元的TCU，防止主斷路器閉合。

當CCU 接收到蓄電池外部供電激活時， 報出651F。若車組靜止狀態，輔助供電系統將禁止牽引，導致牽引封鎖無輸出。 若車組非靜止狀態，不會影響牽引。

2.4 試驗情況

2.4.1 網關及擴展模塊試驗

將外部供電的信號接到網關擴展開關量模塊的輸入端，模擬外部信號輸入，使用PC 機中的通信軟件，模擬主控單元，接收網關發送的開關量，通過對網關及擴展模塊的單獨測試，外部信號的閉合或斷開都能被網關采集，未發現信號異常的現象，未重現車上相關的故障現象，如圖4 所示。

圖4 網關及擴展模塊試驗原理

2.4.2 網關及擴展模塊整機試驗

將故障設備替換到樣機上，模擬列車通訊環境，連接外部通信以及硬件信號， 外部信號的閉合或斷開都能被網關采集并通過網絡上傳，未發現信號異常的現象，未重現車上相關的故障現象，如圖5 所示。

圖5 網關及擴展模塊整機試驗原理

2.4.3 故障還原疲勞性循環試驗

歷經3 天， 共斷合DC 110 V 外接信號21934 次，信號施加10s，取消10s，循環操作；當硬件信號試驗次數達到1000 次時，斷充電機一次，充電機重新上電21 次，未發現故障現象，未重現車上相關的故障現象。

2.4.4 產品外部供電的EMC 試驗

充電機信號端口X4-A4 干擾源干擾測試，測試項點包括：快速瞬變脈沖群、浪涌，射頻場感應傳導騷擾抗干擾度，未發現故障現象，未重現車上相關的故障現象，見表1。

表1 EMC 試驗要求

4 項試驗都未出現車上相關的故障現象。

2.5 對比分析

在進一步核對充電機軟件時， 發現無論列車是否運行都會發送該信號，列車速度未參與該信號的控制邏輯；同時“外接充電開關閉合”信號未采取濾波處理，直接將該信號轉發送給列車網絡， 存在干擾時不排除會出現誤報現象。而原供應商充電機的主控器針對“外接充電開關閉合”信號設置了軟件濾波功能。

3 解決措施

線上遇到因充電機內部故障導致誤報651F、0819、0822 等故障，造成牽引封鎖的，在充電機空開復位無效的情況下，可通過斷開故障充電機供電空開32-F51，再進行斷蓄電池復位恢復牽引，牽引恢復后可維持正常運行。

651F 故障代碼現為3 級代碼且不上屏，將651F 代碼優化為1 級代碼，同時彈屏提示，以便及時發現問題，快速應急處理。

充電機優化：①充電機軟件將增加濾波處理，將“外接充電開關閉合”信號設定濾波時間持續200ms，才認為是有效信號；②充電機將增加列車速度參與“外接充電開關閉合”信號上傳邏輯。 列車運行時出現的外接充電開關閉合信號，不再上傳到列車網絡中；③充電機將增加拓展模塊、控制板響應異常的內部檢測，當模塊異常時，上報模塊故障；④增加硬件容錯能力，將110V 外接供電信號分別接入DI0 接口和DI7 接口，網關采集兩路信號，信號相同時才認為有效。

4 結論

相關信號未經濾波處理造成誤報。

整體控制邏輯不完善，核心故障代碼等級低，未上司機室顯示屏，不能及時發現問題；列車速度信號未參與“外接充電開關閉合”信號上傳邏輯；信號采集無容錯能力。

因車輛環境復雜，開關量信號容易受到干擾，整車設計要梳理那些因開關量異常輸出造成動車組停車的信號，做好控制邏輯整體設計，采取多種措施，排除干擾源帶來的影響。