公鐵兩用牽引車電氣設計探討

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【摘要】公鐵兩用牽引車是可以在鐵路和公路行駛的車輛，主要用于對列車在庫房、工位、移車臺之間的鐵路線路上牽引作業，同時可在基地道路或檢修庫房普通地面上運行。系統采用電傳動方式，以蓄電池為動力電器設計。電器系統具有節能環保，工作噪音不大于60dB，維護量低，傳動效率高，采用先進可靠的交流電機，閉環控制系統、無級變速驅動，確保運行安全可靠。

【關鍵字】驅動器；控制器；電池管理系統

一、設計背景

公鐵兩用車的電氣控制部分主要組成如圖1所示：電機驅動控制器：電機驅動控制器是整車的核心部件，控制器接收來自操縱臺的的各種主令信號（主令信號主要包括加速、制動、啟動、緊急制動等指令），以及各傳感器傳送的檢測信號，通過CAN總線通訊向變頻器發送轉矩、轉速指令控制電機。通過CAN總線把車速、電池電量等信息在顯示器上顯示。變頻器：兩用車配備的變頻器用于控制牽引電機，對電機采取轉矩控制。變頻器具有豐富的保護功能，包括過流保護、過壓保護和過熱保護等，保證驅動系統的安全可靠運行。主要控制對象為驅動電機和油泵電機，也是整車最關鍵部分，下面分別介紹目前該車的電機主要參數。1.牽引電機。牽引電機選用意大利SME公司生產的MC225型交流電機，該交流電機額定電壓48V，額定功率16kW，額定轉矩150Nm，額定轉速1500r/min，峰值功率可達到47.8kW，峰值轉矩314Nm，最高轉速4500r/min。牽引電機是鼠籠轉子交流電機，壽命長，不需要維護；電機具有0速輸出最大轉矩的能力，從而獲得最大起動轉矩。由變頻器控制主電機，對電機的控制方式有轉矩控制和轉速控制2種，可以根據指令切換；回饋制動功能將電機制動的能量給電池充電，提高了電能利用率，延長電池一次充電的工作時間；變頻器具有豐富的保護功能，包括過流保護、過壓保護和過熱保護等，保證驅動系統安全可靠運行。2.油泵電機。除牽引電機外，系統中還有一個泵電機用來驅動油泵。泵電機采用意大利SME公司生產的MT719B2型，額定功率10kW，額定轉速1500rpm，可以為導輪、助力轉向器和剎車油泵提供動力。

二、設計思路

通過對被控制對象的分析，需要實現一套大扭矩的電動車。電氣系統部分的核心在于驅動電機控制，需要實現轉矩控制，調頻調速，制動控制，能量回收等，驅動電機為交流異步電機。縱觀市場，此類控制器也比較多，應用廣泛，如叉車、牽引車、代步車、景區擺渡車等類電動車，技術比較成熟，通過系統集成方式完成一套控制系統設計。

三、方案設計

該兩用車的電氣系統[1]，主要包括整車控制器VCU、電池管理系統BMS、驅動電機控制器、油泵電機控制器、操控系統、顯示器和燈光組等，兩用車電氣控制系統框圖如圖2：3.高安全性和可靠性a.金屬基座提供了極佳的散熱性，提升了控制器的可靠性。b.自動防故障功率器件設計。c.硬件看門狗。d.電池電極反接保護。e.輸出驅動的短路保護。f.過熱保護，警告以及自動關機設置提供了對電機以及電控的保護。g.IP65防護標準，滿足惡劣環境的使用要求。4.接口與控制謀型號的123x系列電機控制器使用非常方便，連接好主回路和控制IO就可以完成對電機控制，具體接線圖如圖3所示。圖3123x控制器接線圖圖中詳細給出了控制器的配線圖，提供的接口完全滿足系統的控制要求。另外該控制器提供了數據顯示功能，可以作為選配。5.型號選擇123x系列提供了多個型號選擇，根據電機型號匹配，驅動電機控制器選擇1238-56xx比較合適，最大輸出功率可以達到41KW。泵電機控制器選擇1236-53xx,最大輸出功率可以達到16KW。

3.1電機控制器

通過對市場上蓄電池交流電機控制的比較，決定選擇謀公司的123x系列控制器，下面具體介紹該款控制器的特性與應用。1.先進的設計和功能a.主要功能，操作和系統都要優于直流系統。b.0到300赫茲的頻率范圍，低噪音運行。c.24到80伏的電池電壓系統，2分鐘運行電流達到350到850安培。d.強大的操作系統，保證了車輛控制，電機控制和用戶端程序同時運行。e.先進的脈寬調制技術，保證了電池被高效率利用，減少了電機能耗和扭矩轉換的損失。f.科蒂斯的交流控制器可以適配任何型號的交流電機。g.內置了電池電量狀態和計時器功能。h.現場調試編程，內置閃存可隨時下載軟件。2.優異的驅動控制a.使用矢量控制技術，結合科蒂斯的運算法則，保證了控制器能始終提供峰值扭矩和最佳效率。b.扭矩和速度的工作區域非常寬廣，再生性能也非常完美。c.內部閉環控制的速度和扭矩模式保證了最優性能，而不需要任何其它的裝置。d.通過編程參數設置，調節驅動和制動性能至最佳。e.扭矩控制模式提供獨特的性能，保證了平穩轉換，并在任何狀態下都可以積極響應。f.獨有的泵控模式，對液壓變化反應敏捷。

3.2整車控制器

整車控制器主要完成和模擬的協調、控制、檢測等功能，需要自帶的通訊接口（CAN、RS485、RS422），IO接口、模擬輸入輸出等，主要用于完成各種指示燈、照明燈、報警燈、喇叭等的控制和系統故障的檢測等，完成的任務有單一和連鎖的，要具有仿制誤操作的考慮。整車控制器可以選擇在工業中大量使用的穩定可靠的PLC或者自研相應控制主板。最后根據控制邏輯編程實現相應功能。方案中選擇經常使用的謀廠家CX5040型號。采用PLC優點就是系統搭建方便，方便整機部署調試。

3.3電源轉化HV-LV

HV-LV高壓轉低壓模塊主要完成低壓設備的供電[2]，為了增加抗干擾，系統選擇隔離DC-DC來實現。低壓負載主要為圖4.1中藍色代表的模塊，主要為模塊中的電路板、喇叭、指示燈等，根據對負載的計算，選擇功率為200W的DC/DC電源模塊。此類模塊市場比較多，選擇是要充分考慮可靠性和冗余量，這里選擇謀公司的300WLD300E-M電源，該模塊工作可靠，可工作在-40℃~85℃之間，安裝方便，利于散熱，適合汽車電子使用。

3.4電池管理系統（BMS）

電池管理系統是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶[3]，其主要功能包括：電池物理參數實時監測；電池狀態估計；在線診斷與預警；充、放電與預充控制；均衡管理和熱管理等。傳感器選擇某公司的YX-S蓄電池智能參數傳感器單體型，主控通過485接口連接各蓄電池傳感器，可精確對蓄電池進行管理，保證蓄電池使用安全性可靠。

3.5安全控制

安全控制主要由電鎖、急停開關、充電互鎖開關組成，電鎖和電動車的電鎖功能一樣；急停開關提供緊急情況下的斷電，急停開關位于車前后左右四個位置；充電互鎖開關主要解決行駛和充電不能同時進行，通過雙向開關完成。

3.6蓄電池

蓄電池選擇48V/125Ah電池，循環不小于1500次充放電，通過10塊電池并聯使用，可做到48V/1250Ah,保證最大功率和續航能夠滿足整車電器需求。

四、結束語

公鐵兩用牽引車系統設計通過對整車電氣需求的分析，采用系統集成方式選擇匹配的電控設備，完成一正套電氣系統設計。設計充分考慮了運行指標，操控性，安全性，可靠性等。實際技術指標還需要配合公鐵兩用牽引車機械結構進行整機調試，優化電氣和機械結構的配合，獲取實際的測試參數。王文偉（1984-10），男，漢族，陜西黃陵，本科，工程師，主要從事自動化控制研究。

參考文獻

[1]萊夫.汽車電氣與電子[M].北京：北京理工大學出版社,2014:22.

[2]徐德鴻,馬皓,汪槱生.電力電子技術[M].北京：科學出版社,2006:31.

[3]徐曉明.動力電池熱管理技術[M].北京：機械工業出版社,2018:45.

作者：王文偉 單位：西安翔迅科技有限責任公司