1、文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 4 6-0 5动车组充电机输出冗余供电功能技术研究马升潘,迟鹏飞,梁才国,王学亮,张 琪(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心,山东 青岛 2 6 6 1 1 1)摘 要:某型动车组用充电机将辅助变流器A C 3 8 0 V交流电转换为D C 1 1 0 V直流电,主要为列车固定直流负载及碱性蓄电池供电,是列车安全、可靠运行的重要保障。整车顶层技术指标要求列车可在切除及恢复1台充电机的运营过程中实现列车直流供电的平稳过渡,保持直流负载正常运行。文章通过阐述某型动车组整列直流供电系统架构及负载配置,分析了充电机输出电
2、气原理及碱性蓄电池温度补偿曲线、充放电转换策略;并对充电机输出供电特性进行论证,深入研究了某型动车组切除及恢复1台充电机过程中,充电机供电输出的变化机理,并进行相应实车数据测试,论证碱性蓄电池浮充工况及恒压充工况下,充电机切换及恢复过程中列车充电机动作特性;通过搭建充电机等效工作模型,佐证了充电机输出的特性差异。研究表明,在运用过程中存在充电机输出电流不一致情况为正常现象,且充电机本身具有限功率输出的功能,不会对充电机的使用、寿命等产生影响。关键词:动车组;直流供电架构;充电机;碱性蓄电池;工作策略中图分类号:U 2 7 0.3 8+1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.
3、i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 9收稿日期:2 0 2 0-0 4-2 7;修回日期:2 0 2 3-0 4-0 7第一作者:马升潘(1 9 8 8),男,高级工程师。R e s e a r c h o n T e c h n o l o g y o f R e d u n d a n t P o w e r S u p p l y F u n c t i o n o f EMU C h a r g e r O u t p u tMA S h e n g p a n,CH I P e n g f e i,L I ANG C a i g u o,W
4、ANG X u e l i a n g,Z HANG Q i(T e c h n o l o g y C e n t e r,C R R C Q i n g d a o S i f a n g L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:A s a n i m p o r t a n t g u a r a n t e e f o r s a f e,r e l i a b l e o p e r a t i o n o f
5、 t h e t r a i n,t h e c h a r g e r f o r a c e r t a i n m o d e l o f EMU c o n v e r t s A C 3 8 0 V p o w e r o f t h e a u x i l i a r y c o n v e r t e r t o D C 1 1 0 V p o w e r,m a i n l y p r o v i d i n g p o w e r f o r t h e f i x e d D C l o a d a n d a l k a l i n e b a t t e r y o f
6、 t h e t r a i n.T h e t o p-l e v e l t e c h n i c a l i n d e x o f t h e w h o l e t r a i n r e q u i r e s t h a t t h e t r a i n c a n r e a l i z e t h e s m o o t h t r a n s i t i o n o f D C p o w e r s u p p l y d u r i n g t h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f r e m o v i n g a n d
7、 r e s t o r i n g o n e c h a r g e r,a n d m a i n t a i n t h e n o r m a l o p e r a t i o n o f D C l o a d.T h e p a p e r e l a b o r a t e s t h e a r c h i t e c t u r e a n d l o a d c o n f i g u r a t i o n o f t h e D C p o w e r s u p p l y s y s t e m f o r a c e r t a i n m o d e l o
8、 f EMU,a n a l y z e s t h e e l e c t r i c a l p r i n c i p l e o f c h a r g e r o u t p u t,a l k a l i n e b a t t e r y t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n c u r v e a n d c h a r g i n g/d i s c h a r g i n g c o n v e r s i o n s t r a t e g y;a n d d e m o n s t r a t e s t h e p
9、 o w e r s u p p l y c h a r a c t e r i s t i c s o f c h a r g e r o u t p u t,c o n d u c t s i n d e p t h r e s e a r c h o n t h e c h a n g e m e c h a n i s m o f c h a r g e r p o w e r s u p p l y o u t p u t i n t h e p r o c e s s o f r e m o v i n g a n d r e s t o r i n g o n e c h a r
10、 g e r o f a c e r t a i n t y p e o f EMU,a n d c a r r i e s o u t c o r r e s p o n d i n g p h y s i c a l c a r d a t a t e s t i n g t o d e m o n s t r a t e t h e a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t r a i n c h a r g e r d u r i n g t h e r e m o v i n g a n d r e s t o r i
11、 n g p r o c e s s o f t h e c h a r g e r u n d e r a l k a l i n e b a t t e r y f l o a t c h a r g i n g c o n d i t i o n s a n d c o n s t a n t v o l t a g e c h a r g i n g c o n d i t i o n s.B y b u i l d i n g t h e e q u i v a l e n t w o r k i n g m o d e l o f t h e c h a r g e r,t h e
12、 d i f f e r e n c e i n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c h a r g e r o u t p u t i s c o n f i r m e d.T h e r e s e a r c h s h o w s i t i s n o r m a l f o r t h e c h a r g e r t o h a v e i n c o n s i s t e n t o u t p u t c u r r e n t d u r i n g o p e r a t i o n,a n d t h e
13、 c h a r g e r i t s e l f h a s t h e f u n c t i o n o f l i m i t i n g p o w e r o u t p u t,w h i c h w i l l n o t a f f e c t t h e u s e,l i f e 64 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 c y c l e,e t c.o f t h e c h a r g e r.K e y w o r d s:EMU;D C p o w e r s u p p l y a r c h i t e c t u r e;c h a
14、 r g e r;a l k a l i n e b a t t e r y;w o r k i n g s t r a t e g y 动车组充电机将辅助变流器A C 3 8 0 V交流电转换为列车控制、网络及旅客服务类等负载供电用D C 1 1 0 V直流电,是列车安全、可靠运行的重要保障1。根据整车技术条件的要求,单台充电机切除及恢复过程中动车组直流负载工作需保持稳定,本文通过在对充电机负载特性、直流供电电路结构分析的基础上,对该工况下充电机响应机理及安全性进行深入研究2。1 直流供电系统架构C R 4 0 0 A F型动车组为动力分散式单层动车组,采用8辆车编组,结合车下布置情况及车重
15、均衡需求,分别在1、8车各配置2台额定功率为2 8 kW的充电机和2组容量为1 9 0 A h的碱性蓄电池3。充电机负载包括网络、制动、照明、旅客信息系统等固定负载及碱性蓄 电 池 非 固 定 负 载4。直 流 供 电 系 统 架 构 见 图15。碱性蓄电池电压值不同时,其充电要求也不同。动车组在切除、恢复其中一台充电机的过程中应保证全列固定负载供电正常,同时,满足碱性蓄电池的动态充电需求。图1 动车组直流供电系统功能架构图2 充电机负载分析C R 4 0 0 A F型动车组4台充电机采用并网供电方式向贯通全列的D C 1 1 0 V直流母线供电,图2为充电机输出电气原理框图6,直流母线负载为
16、列车负载1、2、3,具体为:B N 1+为列车负载1即列控设备类供电、B N 2+为列车负载2即旅客服务类负载供电、B D+为列车负载3即蓄电池直连负载供电,B N 1/B N 2/B D-为列车直流母线负线,这类负载供电后不会变化;充电机与碱性蓄电池为一对一充电的方式,通过B AT+、B AT-线缆为蓄电池充电,充电机通过安装在蓄电池箱体内极板上的NT C温度传感器来实时监测蓄电池温度,按照蓄电池温度补偿曲线制定输出电压目标为蓄电池充电7。2.1 固定直流负载充电机固定直流负载包括:车载信号设备、照明、牵引控制、网络系统、制动控制、客室照明、旅客信息及娱乐系统、辅助空压机等。根据对C R 4
17、 0 0 A F型动车组直流供电系统负载进行理论计算,全列动车组直流负载情况具体见表1。图2 充电机输出电气原理74 动车组充电机输出冗余供电功能技术研究 马升潘,迟鹏飞,梁才国,王学亮,张 琪 表1 C R 4 0 0 A F型动车组直流负载表k W车号1车2车3车4车5车6车7车8车全列负载值8.66.36.5 86.2 26.0 56.5 86.2 98.85 5.4 由表1可知,全列动车组直流负载为5 5.4 kW,当1台充电机出现故障时,全列充电机输出容量为8 4 kW,满足全列直流负载5 5.4 kW的需求。动车组运行工况下,根据各直流负载在线率的不同,实际负载与理论计算值相比会有
18、所降低。2.2 蓄电池负载充电机向碱性蓄电池充电方式分为恒流充电、恒压降流充电及浮充电三段式充电8,见图3。第一阶段:以最大允许充电电流恒流充电,此阶段的特点是电流保持不变,蓄电池电压上升,当蓄电池电压上升到根据蓄电池温度计算的目标电压时,第一阶段结束。第二阶段:控制充电电压保持不变(根据目标温度值计算得出),充电电流根据电池特性自然下降。当电池电流下降到强浮充转换值之下(8.5 A),第二阶段结束。第三阶段:根据采集到的蓄电池温度,结合浮充曲线计算,控制输出电压。此阶段的特点是输出电压保持不变,充满后充电电流降低到0。图3 蓄电池充电阶段在蓄电池恒流充电阶段,充电机按照蓄电池温度补偿曲线9(
19、图4)实时调整输出电压对蓄电池进行充电,限定蓄电池的最大充电电流为(5 75%)A。在恒压降流方式阶段,充电曲线的转换以充电电流值作为判断依据,当充电电流大于1 0.5 A时,充电机按照蓄电池温度对应的均充电压值设置目标电压;当充电电流小于8.5 A时,充电机按照蓄电池温度对应的浮充电压值设置目标电压。图4 蓄电池温度补偿曲线3 充电机输出供电分析D C 1 1 0 V母线、充电机、蓄电池连接形式如图5所示,4台充电机通过防反二极管并联至D C 1 1 0 V母线,充电机与蓄电池在二极管之前直连,然后并联向母线直流负载供电1 0。充电机输出功率主要通过二极管并联自行动态调整,并兼顾蓄电池温度补
20、偿曲线,充电机实际的输出电压与电池的放电状态、电池温度及充电机本身输出电压的控制精度有关,充电过程中因充电快慢等因素会导致充电机输出电压差异,经二极管并联会存在充电机输出电流动态平衡的过程,输出电压高的充电机会分担更多的母线直流负载1 1。图5 D C 1 1 0 V母线、充电机、蓄电池连接电路84铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 被切除充电机恢复时,当其对应的蓄电池电压与其他蓄电池电压相同,4台充电机迅速重新分配全列直流负载。被切除充电机恢复时,当其对应的蓄电池电压低于其他蓄电池电压时,被恢复充电机优先向蓄电池充电,由于反二极管作用其不参与承担全列直流负载分配;当被恢复充电机对
21、应的蓄电池电压大于其他蓄电池电压时,其将在限流范围内分担较多的母线直流负载1 2。4 试验验证及分析4.1 蓄电池浮充工况试验当蓄电池处于浮充状态时,切除充电机,3 m i n后恢复被切除充电机。图6为切除、恢复8车充电机1(下文简称“8 B C 1”)显示画面。由图6(a)可知,8 B C 1切除后,剩余充电机按照蓄电池温度补偿曲线调整输出电压,8车充电机2(下文简称“8 B C 2”)输出电压(1 1 6 V)大于0 1车2台充电机输出电压(1 1 5 V),8 B C 2承担了较多的直流母线负载。由图6(b)可知,8 B C 1恢复后,全列充电机很快重新均匀分配负载。原因为:充电机切除时
22、蓄电池处于浮充阶段,充电机恢复后也为浮充状态,各充电机输出根据蓄电池温度补偿曲线调整的输出电压一致,因而平均分担全列直流负载。图6 蓄电池浮充工况试验4.2 蓄电池恒压充工况试验动车组蓄电池供电至9 7 V时升弓合主断为列车供电,4台充电机启动后操作切除8 B C 1并开始进行记录,5 m i n后恢复8 B C 1。记录该过程充电机输出电流曲线、蓄电池充电电流曲线、充电机输出电压曲线及功率变化曲线,如图7图1 0所示。具体试验过程如下:(1)1 m i n(8:2 4)时,切除8 B C 1,8 B C 2输出电流增加,分担原8 B C 1承受的母线直流负载;(2)5 m i n(8:2 8
23、)时,恢复8 B C 1,由于其输出电压低于母线电压,反向二极管截止,8 B C 1仅对其蓄电池进行5 6 A限流充电;(3)1 4 m i n(8:4 7)时,8 B C 2对应蓄电池率先进入恒压降流充电阶段,由于8 B C 2输出电压值高,其在限流工况下承担了最多的直流母线负载;(4)2 6 m i n(8:4 9)时,1车两组蓄电池逐渐步入恒压降流充电阶段,1车充电机输出电压提升,1车充电机与8 B C 2开始重新调整均分母线直流负载;(5)3 1 m i n(8:5 4)时,1车两组蓄电池及8 B C 2对应蓄电池逐步进入浮充阶段,8 B C 1进入恒压降流充电阶段;(6)3 7 m
24、i n(9:0 0)开始,8 B C 1对应蓄电池进入浮充电阶段,4台充电机重新均分母线直流负载。图7 充电机输出电流曲线图8 蓄电池充电电流曲线图9 充电机输出电压曲线94 动车组充电机输出冗余供电功能技术研究 马升潘,迟鹏飞,梁才国,王学亮,张 琪 图1 0 功率变化曲线4.3 充电机输出电流不相等分析2台充电机输出电流通过内部二极管后并联给车上负载供电,如图1 1所示。Uo 1、Uo 2.充电机1、充电机2输出电压;R1、R2.充电机1、充电机2输出到负载的线路等效阻抗;D1、D2.充电机1、充电机2内部二极管;Io 1、Io 2.充电机1、充电机2承担的负载电流1 3;Ro.总负载;U
25、o.D C 1 1 0 V母线电压;Io.负载总电流。图1 1 2台充电机输出并联示意图充电机输出电流的计算公式如下:Io 1=Uo 1-Uo-VD1 /R1(1)Io 2=Uo 2-Uo-VD2 /R2(2)Io=Io 1+Io 2(3)式中:VD1、VD2为充电机1、充电机2内部二极管压降。理论上,当R1=R2,VD1=VD2,Uo 1=Uo 2时,输出电流Io 1=Io 2,充电机将均分负载电流。实际情况下,由于蓄电池温度监测差异、线路阻抗及二极管压降精度差异等影响1 4,充电机实际输出电压Uo 1和Uo 2总会存在误差,进而表现出输出电流不能完全一致。5 结论动车组在运用过程中存在充电
26、机输出电流不一致情况是正常现象。充电机在蓄电池温度补偿曲线的控制方式下调整输出电压,通过防反二极管实现各充电机对直流母线负载的动态分配。由于充电机本身具有有限功率输出的功能,因而在实际运用中负载不均衡对充电机使用、寿命等并无影响。参考文献:1 郑华熙,高吉磊,郑琼林.我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析J.电气传动,2 0 1 0,4 0(3):5 3-5 9.Z HE NG H u a x i,G AO J i l e i,Z HE N G Q i o n g l i n.C o m p a r i-s o n a n d a n a l y s i s o f a u x i l i a
27、 r y p o w e r s u p p l y s y s t e m o f C h i n a h i g h-s p e e d EMU s J.E l e c t r i c D r i v e,2 0 1 0,4 0(3):5 3-5 9.2 刘民.动车组辅助供电系统研究D.成都:西南交通大学,2 0 1 6.3 苑丰彪,杨君.高速动车组辅助供电系统J.机车电传动,2 0 0 9(1):1-3.YUAN F e n g b i a o,YAN G J u n.A u x i l i a r y p o w e r s u p p l y s y s t e m f o r h
28、i g h-s p e e d EMU sJ.E l e c t r i c D r i v e f o r L o c o-m o t i v e s,2 0 0 9(1):1-3.4 李向超,冯继营.高速动车组辅助供电系统J.郑州铁路职业技术学院学报,2 0 1 3,2 5(4):5-8.L I X i a n g c h a o,F E NG J i y i n g.A u x i l i a r y p o w e r s u p p l y s y s t e m f o r h i g h-s p e e d EMU sJ.J o u r n a l o f Z h e n g z
29、 h o u R a i l w a y V o c a t i o n a l&T e c h n i c a l C o l l e g e,2 0 1 3,2 5(4):5-8.5 罗登.动车组辅助供电系统拓扑及其控制策略研究D.成都:西南交通大学,2 0 1 8.6 晋东,任永军.C RH 5型动车组充电机、蓄电池电路浅析及故障分析J.电子世界,2 0 1 8(9):1 0 5.J I N D o n g,R E N Y o n g j u n.C i r c u i t a n a l y s i s a n d f a u l t a n a l-y s i s o f c h a
30、 r g e r a n d b a t t e r y f o r C RH 5 EMU sJ.E l e c-t r o n i c s W o r l d,2 0 1 8(9):1 0 5.7 李大鹏,曹志.动车组用蓄电池应用现状分析J.铁道技术监督,2 0 2 0,4 8(5):5 3-5 8.L I D a p e n g,C AO Z h i.A n a l y s i s o n a p p l i c a t i o n s t a t u s o f b a t t e r y f o r EMU sJ.R a i l w a y Q u a l i t y C o n t
31、r o l,2 0 2 0,4 8(5):5 3-5 8.8 贾亚娟,谢国坤,郑凯,等.浅析高速动车组智能充电技术J.山东工业技术,2 0 1 8(1 6):1 2 2.J I A Y a j u a n,X I E G u o k u n,Z HE N G K a i,e t a l.A n a l y s i s o n i n t e l l i g e n t c h a r g i n g t e c h n o l o g y o f h i g h-s p e e d EMU sJ.J o u r n a l o f S h a n d o n g I n d u s t r i
32、 a l T e c h n o l o g y,2 0 1 8(1 6):1 2 2.9 尹良镇,庄曦,杨东军,等.高速动车组镉镍蓄电池充电优化策略J.铁道车辆,2 0 1 8,5 6(3):2 9-3 0.Y I N L i a n g z h e n,Z HUAN G X i,YAN G D o n g j u n,e t a l.O p t i m i z a t i o n s t r a t e g y f o r c h a r g i n g o f c a d m i u m n i c k e l b a t-t e r i e s f o r h i g h s p e
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34、 M o t o r C a r,2 0 1 4(7):1 2-1 5.(下转第6 5页)05铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 4 结论本文基于弦测法和“以小见大”方法的基本原理,选取了3 m检测弦长,研发了一套自走行的中低速磁浮F型轨道的H型轨检仪,在实际线路上进行了试验,并与人工测量和全站仪测量进行了对比分析。结果表明,3种测量方式的整体趋势与设计值具有较高的一致性,轨检仪检测数据精度较高,能够反映线路实际敷设下的平顺状态,且不受自身运行速度变化的影响。采用本设备可提高轨道建设维护的效率和质量,为磁浮线路建设、运营前期线路验收、后期维护保养提供支撑。参考文献:1 赵春发.磁浮
35、车辆系统动力学研究D.成都:西南交通大学,2 0 0 2.2 郑树彬,林建辉,林国斌.基于惯性法的磁浮轨道长波不平顺检测及其发现J.电子测量与仪器学报,2 0 0 7,2 1(1):6 1-6 5.Z HE N G S h u b i n,L I N J i a n h u i,L I N G u o b i n.I m p l e m e n t a-t i o n o f d e t e c t i n g m a g l e v t r a c k l o n g w a v e i r r e g u l a r i t y b a s e d o n i n e r t i a l
36、m e a s u r e m e n t p r i n c i p l eJ.J o u r n a l o f E-l e c t r o n i c M e a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t,2 0 0 7,2 1(1):6 1-6 5.3 范钦海.高速常导磁悬浮车辆对轨道平顺性要求的探讨J.中国铁道科学,2 0 0 2,2 3(1):7 3-7 6.F AN Q i n h a i.D i s c u s s i o n o n t h e d e m a n d o f h i g h-s p e e d EM S v e h
37、i c l e o n g u i d e w a y i r r e g u l a r i t yJ.C h i n a R a i l w a y S c i e n c e,2 0 0 2,2 3(1):7 3-7 6.4 时瑾,魏庆朝.线路不平顺对高速磁浮铁路动力响应特性的影响J.工程力学,2 0 0 6,2 3(1):1 5 4-1 5 9.S H I J i n,WE I Q i n g c h a o.T h e e f f e c t o f g u i d e w a y i r r e g u-l a r i t y o n t h e d y n a m i c c h
38、 a r a c t e r i s t i c s o f h i g h-s p e e d m a g l e v r a i l w a yJ.E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s,2 0 0 6,2 3(1):1 5 4-1 5 9.5 陈果,翟婉明.铁路轨道不平顺随机过程的数值模拟J.西南交通大学学报,1 9 9 9,3 4(2):1 3 8-1 4 2.CHE N G u o,Z HA I W a n m i n g.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e s t o c h a s
39、 t i c p r o c e s s o f r a i l w a y t r a c k i r r e g u l a r i t i e sJ.J o u r n a l o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y,1 9 9 9,3 4(2):1 3 8-1 4 2.6 李翀.磁悬浮轨道长波不平顺实时检测与处理D.成都:西南交通大学,2 0 0 6.7 刘兴初,曾长操,张建武.磁浮轨检车横向振动及其对磁浮轨道几何参数测量精度的影响J.振动与冲击,2 0 0 7,2 6(5):5 2-5 3.L I U X i
40、 n g c h u,Z E N G C h a n g c a o,Z HAN G J i a n w u.L a t e r a l v i b r a t i o n o f a m a g l e v t r a c k i n s p e c t i o n v e h i c l e a n d i t s e f f e c t o n m e a s u r e m e n t a c c u r a c y o f m a g l e v t r a c k g e o m e t r y p a r a m e t e r sJ.J o u r n a l o f V i
41、b r a t i o n a n d S h o c k,2 0 0 7,2 6(5):5 2-5 3.8 刘兴初,靳永军,张建武.磁浮轨检车随机振动时域仿真J.江苏大学学报(自然科学版),2 0 0 6,2 7(5):4 2 2-4 2 5.L I U X i n g c h u,J I N Y o n g j u n,Z HAN G J i a n w u.T i m e d o-m a i n s i m u l a t i o n o f s t o c h a s t i c v i b r a t i o n f o r m a g l e v t r a c k i n s p
42、 e c t i o n v e h i c l eJ.J o u r n a l o f J i a n g s u U n i v e r s i t y(N a t u-r a l S c i e n c e E d i t i o n),2 0 0 6,2 7(5):4 2 2-4 2 5.9 张永焘.中低速磁浮列车状态综合监测及轨道不平顺预测的研究D.长沙:国防科学技术大学,2 0 0 8.1 0 高雄杰,于龙,陈唐龙.基于中点弦测法的中低速磁浮轨道不平顺检测J.铁道学报,2 0 2 0,4 2(8):1 1 6-1 2 2.G AO X i o n g j i e,YU L o n
43、 g,CHE N T a n g l o n g.D e t e c t i o n o f m e d i u m a n d l o w s p e e d m a g l e v t r a c k i r r e g u l a r i t y b a s e d o n MC OJ.J o u r n a l o f t h e C h i n a R a i l w a y S o c i e t y,2 0 2 0,4 2(8):1 1 6-1 2 2.(责任编辑:李 娜)(上接第5 0页)1 1 姜航,罗昭强,姜雪飞,等.浅析复兴号动车组充电机逻辑原理控制C/中国铁道学会.京沪
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