試驗(yàn)用縮尺模型車電氣系統(tǒng)設(shè)計

王 鑫,劉利雷,許俊梅

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

0 概述

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展以及其他高端軌道交通的逐漸興起,為了滿足國內(nèi)科研院所對車輛與軌道之間振動、磨耗等相互作用問題研究的需求[1-3],研制了縮尺軌道試驗(yàn)用模型車,可以更有效地實(shí)現(xiàn)工況模擬和數(shù)據(jù)采集,并對理論計算和仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于研制的模型車按照1∶4比例進(jìn)行縮尺設(shè)計,試驗(yàn)線路無法提供動力電源,車內(nèi)空間無法滿足有人值守進(jìn)行車輛操作,因此解決動力來源、地面與車輛間的遠(yuǎn)程控制等問題是車輛電氣系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)。本文對動力電池、永磁牽引電機(jī)、無線通訊等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,解決車輛在系統(tǒng)集成、牽引性能等方面的技術(shù)問題,并且搭建地面遙控檢測臺,實(shí)現(xiàn)對整車全功能無線遠(yuǎn)程控制。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)用縮尺模型車為2輛編組,包含1輛動車和1輛拖車,最高速度為30 km/h。電氣系統(tǒng)主要包括車輛控制、動力電池與充電、牽引、輔助供電和無線通訊等子系統(tǒng)。動車配置的動力電池為車輛牽引系統(tǒng)提供持續(xù)電源,電機(jī)控制器用于驅(qū)動永磁牽引電機(jī),同時具有電制動功能,可以將制動能量回充給電池。通過無線通信,實(shí)現(xiàn)車輛與地面遙控監(jiān)測臺的數(shù)據(jù)交互,電氣系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)組成框圖

1.2 整車控制系統(tǒng)

縮尺模型車基于TTC60控制器進(jìn)行設(shè)計。TTC60在汽車及工程機(jī)械上有著廣泛的應(yīng)用,支持CAN2.0通訊[4]。整車控制系統(tǒng)作為車輛中央控制單元,是整個控制系統(tǒng)的核心,也是各個子系統(tǒng)的調(diào)控中心。整車控制器的主要功能是接收地面遙控行車指令用于車輛控制,同時采集溫度、速度、電壓傳感器信號和蓄電池組數(shù)據(jù),將車輛信息發(fā)送到地面用于顯示車輛狀態(tài)。整車采用CAN總線通訊方式,電氣控制原理框圖如圖2所示。

圖2 電氣控制原理框圖

1.3 動力電池與充電系統(tǒng)

1.3.1動力電池

動力電池為車輛動力系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)提供持續(xù)電源,由鋰電池組、電池管理系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成。根據(jù)試驗(yàn)用縮尺模型車整車性能要求,計算出牽引功率和輔助負(fù)載功率,按照持續(xù)工作8 h, 所

需最大荷電量約30 kW·h。

現(xiàn)有蓄電池有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等等。鉛酸電池技術(shù)成熟,具有成本低廉、安全性高、支持大電流放電等特點(diǎn),但其能量密度低、循環(huán)壽命短的特性無法滿足續(xù)駛里程的需求。鎳氫化物電池和鋰離子電池目前在動力電池應(yīng)用中技術(shù)成熟,但也存在單體電壓低、自放電損耗大、對環(huán)境溫度敏感等方面的不足,而鋰離子電池具有能量密度高,充電效率高,循環(huán)壽命長等特點(diǎn),具有很大的優(yōu)勢。而三元鋰電池安全性稍差,鈦酸鋰電池成本較高,因此選用磷酸鐵鋰電池。動力電池單體標(biāo)稱電壓3.2 V,容量100 Ah,整車共設(shè)置6組電池,每組電池16串,標(biāo)稱電壓51.2 V,整車容量600 Ah,采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式冷卻。電池管理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,將采集、監(jiān)控、管理、通訊等功能集成于一體,具有以下基本特性:

(1)單體過充、單體過放報警及保護(hù)功能。

(2)總壓過壓、總壓欠壓、過流、高溫、低溫等報警及保護(hù)功能。

(3)短路保護(hù)功能。

(4)均衡管理功能。

(5)休眠與喚醒功能。

(6)CAN/RS485/RS232多類型通訊。

1.3.2充電機(jī)

縮尺模型車上設(shè)置有動力電池外接充電接口,通過充電槍與地面充電機(jī)相連接,為動力電池充電。充電機(jī)采用全數(shù)字諧振調(diào)頻技術(shù),體積小,效率高,更加節(jié)能可靠。

充電方式采用恒功率與恒壓狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換充電法,將充電時間減到最少,節(jié)省了大量充電時間。采用 CAN2.0B通信協(xié)議,具有智能充電、智能監(jiān)測、故障告警保護(hù)、有源功率因數(shù)校正等功能。

1.4 牽引系統(tǒng)

1.4.1電機(jī)控制器

電機(jī)控制器的作用主要是接收整車控制器的指令,控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向;另外,在能量回收過程中,電機(jī)控制器還負(fù)責(zé)將牽引電機(jī)電制動能量回充給動力電池。電機(jī)控制器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,采用電機(jī)磁場定向矢量控制技術(shù),可在整個速度范圍內(nèi)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。

1.4.2牽引電機(jī)

牽引電機(jī)采用永磁無刷電動機(jī),結(jié)構(gòu)簡單,體積小,重量輕,效率高。由于縮尺模型車車型的特殊性,無法參考軌道交通車輛牽引計算方式確定電機(jī)參數(shù),最終采用電動汽車電機(jī)匹配計算方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的參數(shù)選擇。在評價電動汽車動力性能時,主要考慮加速性能、最高車速、爬坡能力以及續(xù)航里程?？s尺模型車運(yùn)行軌跡固定,線路無坡道,并且充電方便,因此主要考慮滿足最高車速性能要求。按照文獻(xiàn)[5]中有所闡述的匹配計算方法,結(jié)合縮尺模型車車重、迎風(fēng)面積、輪徑等整車參數(shù)(見表1),最終確定牽引電機(jī)的額定功率為3.5 kW,額定轉(zhuǎn)矩8.4 N·m,額定轉(zhuǎn)速2 250 r/min。

表1 整車參數(shù)表

1.5 輔助供電系統(tǒng)

縮尺模型車輔助供電系統(tǒng)分為交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng),由電源模塊和負(fù)載設(shè)備組成。如圖3所示,DC/DC電源模塊將鋰電池組輸出的DC48 V轉(zhuǎn)換為DC24 V,一方面為照明等常用低壓電器供電,另一方面為整車控制器、無線通訊模塊、通訊轉(zhuǎn)換模塊等輔件供電。DC/AC電源模塊將鋰電池組DC48 V轉(zhuǎn)換為AC220 V/50 Hz,為車輛插座提供電源,用于外接測試設(shè)備的供電。2種電源模塊具有輸入防反接保護(hù),輸入欠壓保護(hù),輸入過壓保護(hù),輸出過流短路保護(hù),過溫保護(hù)等功能。

圖3 輔助供電系統(tǒng)框圖

1.6 無線通訊系統(tǒng)

由于縮尺模型車車輛應(yīng)用空間狹小,行駛中無人值守,因此在車輛與地面建立無線通訊基站,實(shí)現(xiàn)車輛控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。分別在車輛和地面設(shè)置2臺無線通訊模塊,并配置戶外增益天線,用于增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)信號,保證覆蓋范圍內(nèi)的通訊質(zhì)量。

2 上位機(jī)界面設(shè)計

地面遙控監(jiān)測臺上位機(jī)界面簡潔、直觀,用于顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)及狀態(tài),以及控制指令的發(fā)送。主要包括以下5個界面:

(1)用戶管理界面:針對不同操作人員進(jìn)行權(quán)限管理。

(2)遠(yuǎn)程控制界面:該界面為主界面,用于進(jìn)行方向、牽引、制動、限速、照明等操作指令的操作,以及速度、電源電壓、電池電量、無線通訊信號強(qiáng)度、車內(nèi)溫度等實(shí)時數(shù)據(jù)和冷卻風(fēng)扇、故障報警等狀態(tài)的顯示,如圖4所示。

圖4 無線通訊質(zhì)量測試

(3)數(shù)據(jù)查詢界面:可以按日期查詢和導(dǎo)出操作記錄與故障數(shù)據(jù)。

(4)檢測數(shù)據(jù)界面:用于顯示車內(nèi)加裝檢測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息。

(5)地面充電系統(tǒng)顯示界面:動力電池充電時,用于實(shí)時顯示充電電壓、充電電流、溫度、電量等數(shù)據(jù)以及故障報警狀態(tài)。

3 地面試驗(yàn)

為了驗(yàn)證縮尺模型車電氣系統(tǒng)的功能和性能參數(shù),搭建了地面測試試驗(yàn)平臺,包括車載電氣系統(tǒng)和地面遙控監(jiān)測系統(tǒng)2個部分,主要對通訊質(zhì)量、遠(yuǎn)程測試和牽引性能等方面進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

3.1 無線通訊質(zhì)量試驗(yàn)

無線通訊質(zhì)量試驗(yàn)時保證2個無線通訊模塊間傳輸距離大于500 m,對信號強(qiáng)度和通訊傳輸質(zhì)量進(jìn)行測試,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,信號強(qiáng)度為42%,通訊傳輸質(zhì)量為97.4%,分別滿足不低于40%和不低于95%的要求。

3.2 遠(yuǎn)程測試試驗(yàn)

遠(yuǎn)程測試試驗(yàn)包括遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示2個部分。

(1)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn):在地面遙控監(jiān)測臺主界面操作“牽引使能”、“1#單機(jī)”、“2#單機(jī)”、“聯(lián)機(jī)”等按鈕,選擇“向前”按鈕或者“向后”按鈕,調(diào)節(jié)車速控制條給定預(yù)定車速,各種工況下均可控制驅(qū)動器驅(qū)動牽引電機(jī);操作“2級制動”可控制電磁制動裝置動作;操作“前照燈”、“逆變器”按鈕,可實(shí)現(xiàn)前照燈和DC48 V/AC220 V逆變器的遠(yuǎn)程控制。

(2)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示:在地面遙控監(jiān)測臺主界面能夠正確顯示車輛運(yùn)行狀態(tài),電池電量、工作電流、輔助電源電壓、逆變電源電壓等參數(shù)。

3.3 牽引性能試驗(yàn)

通過在地面遙控監(jiān)測臺主界面設(shè)置牽引電機(jī)發(fā)揮最大轉(zhuǎn)速,如圖5所示,通過示波器采樣外置速度傳感器波形,計算后最高速度可達(dá)到30 km/h。

圖5 牽引最高速測試

4 總結(jié)

本文中試驗(yàn)用縮尺模型車采用了鋰電池作為動力源,能夠更好地適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境;將成熟的整車控制器應(yīng)用于軌道車輛,驗(yàn)證了其可行性和可靠性;重點(diǎn)進(jìn)行了車地?zé)o線通信和遠(yuǎn)程控制的設(shè)計開發(fā),對通信的平臺架構(gòu)、傳輸質(zhì)量、傳輸距離及傳輸可靠性等進(jìn)行了分析研究。目前該套電氣系統(tǒng)已經(jīng)完成調(diào)試,運(yùn)行可靠,可根據(jù)不同的研究需求,在此縮尺模型車電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能開發(fā)和性能優(yōu)化。