JCE传感器在内燃机车蓄电池智能充电器中的应用

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在铁路内燃机车上使用的蓄电池组为300—500Ah的免维护铅酸蓄电池，目前普遍采用的充电方式，是用内燃机车上的辅助发电机输出的DC110V直流电压，通过限流电阻直接对蓄电池组进行充电。这种恒压充电方式虽然使用电阻对充电电流进行了限制，但电阻这种仅靠两端的电压降来限流的方式是十分粗糙的。当电池严重亏电时，蓄电池的电压较低（如低于DC88V），充电电流将会很大（有时可达到几百安培），很容易导致电池损坏。本文所介绍的内燃机车蓄电池充电器属于智能型充电器，可以灵活设定充电模式及充电电流限流值，对充电电流进行自动调节，延长了蓄电池的使用寿命。系统同时还兼顾了对蓄电池的状态管理，对蓄电池的故障状态给出预报，指导机务段的检修作业。
　　1. 蓄电池智能充电器系统介绍
     蓄电池智能充电器对单一使用恒压的充电方式进行改进，引入了自动限流充电模式。由于系统中的充电电流是通过控制DC/DC变换器的输出来实现的，所以比传统的电阻限流更为有效。
充电过程中，当蓄电池电压比较低时，先采取限制电流充电。此方式有3个充电电流档：19A，25A，50A，在保证充电电压的基础上，分别将充电电流限制到相应的数值。充电时，通过单片微机控制先使用限制电流充电，随着充电电压的升高，然后依次将充电电流限制值降低，进行恒压充电（充电电流较小）；当蓄电池电压充到接近额定电压之后，充电转为完全的恒压浮充电方式。上述的复合式（多种充电模式）充电方式，可以克服传统充电方式中可能出现的充电电流超过限制值，在对蓄电池的充电过程中，既有效地限制了充电电流，又具有很快的充电速度。充电器对蓄电池组的充电过程按照蓄电池自身的充电特性曲线进行，符合蓄电池的固有特性，降低了充电过程中对蓄电池造成损坏的可能性。
     本充电器系统还具有智能化电池管理功能。充电器可以采集、储存每个单节电池的运行数据，可以通过USB口进行数据转储。地面分析软件的人机界面经过对这些数据的分析和计算，预测出相应电池的寿命，给出电池损坏情况的不良性概率。现场检修人员可以根据这些数据对相应电池进行及时维修和更换，防止由于单节电池的损坏造成整组电池的报废，这就提高了机务段的检修作业效率，降低了检修成本。
　　2. 蓄电池智能充电器的原理与组成
    充电器的主电路原理图
      DC/DC变换器采用全桥直流变换电路，C1为输入侧的滤波电容，参数为10000F/250V。C5为IPM模块的吸收电容。IGBT管T1至T4组成逆变桥两个桥臂。Tr为高频变压器。变压器副边采用高频全波整流，D1和D2为快速整流二极管。L为输出侧滤波电感，电感量150H，C2为输出侧滤波电容，参数为4700F/250V。
     充电器的容量为约5kW，额定电流45A。主电路的输入电压为内燃机车辅助发电机发出的DC110V电源，允许输出有±10%的波动。系统中DC/DC变换器采用全桥变换电路。输入的直流电压由单相逆变桥逆变成高频交变的方波电压加在变压器的原边。经过高频变压器进行变压后，副边交变的方波电压由全波整流电路整流成直流方波电压，经LC滤波输出直流电压，供给蓄电池充电。
     充电电路中还引入了针对变换器输入侧滤波电容C1的预充电辅助电路，在投切辅发电源到主电路之前，先控制接触器将预充电电路投切到主回路上，用蓄电池组上的剩压对电容C1进行预充电，当电容上的电压达到一定值后，再由控制器控制接触器将DC110V电源投切到主回路上，充电器进入正常工作状态，由控制器控制主回路对蓄电池进行充电。
     在充电过程中，需要使用传感器检测充电电流、充电电压，以及蓄电池温度，由单片微机进行模式识别和切换。各传感器在主电路中的位置。DC/DC变换器的输入侧，使用电流传感器A1采集输入电流，用来对电路进行过流保护；LC滤波电路的输出侧，使用电流传感器A2和电压传感器V1分别检测蓄电池的充电电流和充电电压。单片微机根据此电流值和电压值确定相应的充电模式，产生充电电流和充电电压的给定值，输入到电流和电压的PI调节器，与充电电流和充电电压一起进行闭环控制。最后，两个PI调节器的输出取最小值，驱动PWM波发生单元产生相应占空比的PWM波形，控制IPM产生充电过程中的充电电压和充电电流。
     充电过程中的充电电压值和充电电流值决定着充电系统的工作模式，输入电流用于对电路的过流保护，它们的稳定性、精度、线形度等直接决定着系统的工作性能与输出指标。所以，相应这些电量传感器的选择显得十分重要。
3.  JCE型传感器在蓄电池智能充电器中的应用
3.1  JCE型传感器的特点
     JCE型电流传感器是基于霍尔效应的闭环电流传感器，是一种模块化的有源电子传感器。它的内部把互感器、霍尔器件和电子电路很好地加以结合，既有普通互感器测量范围宽的优点，又兼顾了电子电路反应速度快的长处。同时，JCE型电流传感器内部应用了磁通平衡原理，内部聚磁环的副边电流和原边电流保持固定比例，可以根据副边电流值间接得到原边的被测电流值。传感器外接的测量电阻Rm将副边的电流信号转换成电压信号Vm。所以，通过测量电阻Rm上的电压值，就可以最终得出要测量的主电路电流值。JCE型电压传感器的原理，与电流传感器基本相同，不同点只是用户需要在传感器的原边电路上串联一个电阻，将电压信号转换为电流信号，然后按照与电流传感器类似的方式进行测量使用即可，十分方便。
     JCE系列传感器实现了主电路与控制（检测）电路之间的电气隔离，具有转换精度高，抗干扰性强，工作频带宽，工作可靠性高等特点。足够宽的工作频带可以准确地反映蓄电池在充电过程中电压和电流量的变化情况，降低了测量误差，提高了控制精度，为控制器实时进行充电模式的切换，实现电路故障判断并采取相应的保护提供了可靠的保证。JCE型传感器抗干扰性强，经过实际的长时间上车带载调试，性能十分稳定，没有发生因为干扰而导致的工作异常现象，是系统可靠性的重要保障之一。JCE传感器能满足内燃机车内强振动、高环境温度等较严酷运行环境的要求，实践证明其非常适合在铁路车载设备上应用。
3.2  系统中JCE型传感器的选型与安装
     电流传感器：系统需要2个电流传感器A1和A2，分别测量DC/DC变换器的输入电流和蓄电池的充电电流。
     (1) 电流传感器A1：系统中DC/DC变换器的输入侧额定电流为45A，考虑到输入电流波动要留出一定的裕量，采用JCE型电流传感器JCE108-TS7测量输入侧电流。
传感器主要参数：原边额定有效值电流：IPN=100A；测量范围：0—150A；副边额定有效值电流：ISN=50mA；总精度=0.6%；线性度<0.1%。
     (2) 电流传感器A2：蓄电池的充电电流限流值最大为50A，所以，选取原边额定电流为50A的JCE型电流传感器JCE58-TS7测量充电电流。
     传感器主要参数：原边额定有效值电流：IPN=50A；测量范围：0—70A；副边额定有效值电流：ISN=50mA；总精度=0.8%；线性度<0.2%。
     电压传感器：系统中使用了一个电压传感器V1，测量蓄电池的充电电压。
     系统中充电电压额定值为110V，选取JCE电压传感器JCE-L25P测量蓄电池组的充电电压。
     传感器参数：原边额定有效值电流：IPN =10mA；副边额定有效值电流：ISN =25mA；总精度=0.6%；线性度<0.2%。
     系统中检测输入电流的传感器JCE108-TS7和检测充电电流的传感器JCE58-TS7，使用螺丝固定在支架上工作。
     系统中检测充电电压的电压传感器JCE-L25P焊接在专用传感器板上，使用螺丝固定在充电器基座上。
4．传感器外围电路的设计和参数配置
4.1  传感器输出信号的调整电路
     传感器的输出需先经过调整电路调整成需要的模拟量，再供给单片微机系统进行A/D转换，得到相应的电流和电压值。充电器中使用的信号调整电路。

     调整电路的第一级，由运放构成的全波整流电路将输入端的交流量整流为直流量。由于经过全波整流后的直流量极性为负，所以全波整流电路后面，加上了第二级反相变换电路。这样，一方面可以将直流输出量的极性反相为正，满足A/D转换的极性要求；另一方面可以通过反馈支路上的电位器对调整电路的最终输出值进行调节，满足A/D转换的幅值要求。最后，反相器的输出接入由二极管构成的电压钳位限幅电路，对检测调整后的电压进行限幅，满足单片微机的A/D输入通道对电压的要求。
4.2 传感器配置电阻的选择
     对于JCE型电流传感器负载电阻的选择，首先应满足传感器的要求，阻值在规定的范围之内；其次，还要和调整电路相互匹配，满足调整电路的参数限制。要防止负载电阻两端的电压在输入调整电路之后，导致输出波形失真。全波整流电路的输入量不能超过电路中运放的供电电源12V。负载电阻选得过大，可能导致输出波形失真，引入测量误差。这就是说，过大的负载电阻会限制被检测电流量和电压量的幅值范围，使传感器的测量能力不能完全发挥。另一方面，若选得太小，在整个电流范围内，转换得到的输出电压都很小，由于A/D转换器精度的限制，最后转换的数字量对被测信号的分辨率很小，会限制测量精度。因此，在选择负载电阻阻值时，应综合上述两种情况折中考虑；再者，负载电阻的取值对传感器的线性度也有影响，选取负载电阻的阻值时应综合判断合理选择，保证传感器的线性度最优。
     依据上述原则，系统中各传感器的负载电阻值最后选取为：输入电流传感器负载电阻选取150；输出电流传感器负载电阻选取150；输出电压传感器负载电阻选取300。
     对于电压传感器，输入电路所串外部电阻的选取也应注意，它决定着被测电压与原边电流的比值，同时对传感器的线性度也有影响。系统中电压传感器测量的是110V直流电压，选定的外接电阻为15K。根据该值可以得出正常状态下原边的输入电流为IPN=10mA>7.3mA（110V/15K），符合传感器的相应参数范围要求。经过实验调试，系统中电流、电压传感器输出的线形度得到了很好的保证。
4.3 电磁兼容性设计
     内燃机车充电器系统的电磁环境较差，干扰较强，但系统运行的可靠性、控制精度却要求较高。因为内燃机车内部电磁环境十分复杂，干扰很强，有多种电气设备共存，其中有很多大功率开关设备；另外，系统中使用了IPM高频DC/DC变换器，也会引入很强的高频干扰；而控制系统中使用的单片微机控制器，要求运行的电磁环境好，才能保证检测信号的精确，这就对系统的电磁兼容性设计提出了要求，必须精心考虑和设计。
     在充电器系统中，采取了一些电磁兼容性方面的设计，列举如下：
    (1)    使用模块电源，各处供电电源分散供电；
    (2)    检测信号线分开走线，远离大电流通路，高频变压器，功率开关器件等干扰源；
    (3)    在采样信号端使用高频滤波网络电路；
    (4)    对单片微机的输入、输出信号线，晶振电路等采取抗干扰设计；
    (5)    在传感器的调整电路输入端加接LC滤波网络电路。
　　5   实验结果与波形图      高频变压器输出波形
     充电器系统经过了满功率考核试验和实际装车运用考核试验。在直流110V充电电压下，充电电流达到50A，恒流充电模式运行，系统运行正常。系统能够实现很好的故障保护功能。出了实验时IPM模块中一个桥臂上下两个IGBT的驱动信号。从波形中可以看出，该时刻IGBT的开关频率为9.52kHz，上下桥臂互补通断。但要注意的是，信号经反相后才用来驱动IGBT管。通过该波形可以分析出两个驱动脉冲之间已加上了死区时间，防止同一桥臂的上下两个管子直通故障。DC/DC变换器中高频变压器次边的波形。通过波形可以看出，逆变桥开关管在关断过程中会引入一些电压尖峰。
　　6．结论
      实验结果和装车考核试验表明，内燃机车蓄电池智能充电器的设计可以满足机车的实际运用要求，实现了恒压充电过程中的自动限流充电控制，提高了充电的效率和质量，大大减轻了充电过程对车载蓄电池组的损坏程度。系统中，JCE传感器测量信号实时、精确，满足故障保护，稳压、限流等控制功能和测量精度的要求。传感器的外围接口电路、供电电源、布线、电磁兼容性设计等均满足要求，设计合理。目前充电器已经通过了现场装车运用考核，可望实现批量装车，扩大市场。