摘要：本文主要介绍了智能移动式充放电一体机的系统设计，讲解了设备的主要功能，对轨道交通车辆蓄电池的维护现状做了描述。
关键词：轨道交通；充放电；蓄电池维护
在高铁、地铁、轻轨、普通客车等轨道交通车辆在运行一定里程或年限后，需要保持和恢复车辆完成轨道交通运营规定功能的能力而采取的维护保养和检查维修，从而确保机车车辆的检测、监控，以及保障车辆通讯、信号传输的设备、装置等继续正常运行。对于车辆而言，配备的蓄电池组作为机车车辆的测控、通讯等重要装置的电源备用设备，必须按照检修流程完成蓄电池组的维护和保养工作。依照车辆电池的维护保养要求，需要对蓄电池组定期或不定期的做活化，以保证蓄电池组的充放电能力，保持蓄电池组应有的容量。
目前机车车辆上主要使用的蓄电池类型有镍镉蓄电池、铅酸蓄电池、锂离子类型三大类蓄电池。本文主要就我公司研发的一款智能移动式充放电一体机技术原理作一个较为全面的介绍。
1、轨道交通智能移动式充放电一体机技术的发展
在我国，维护蓄电池的充放电机在电力系统运用还是较多，既有单一的充电机，也有充放电一体机；既有固定式的充电基站，也有可移动方便电池充放电需要的充放电机设备。而在智能管理上都可以做到人机交互，实时检测传输、遥控遥测等，有的可满足“五遥”管理，智能化程度非常高。
针对不同类型的电池应用，我们开发生产了智能充放电一体机设备。特点是既可智能管理满足“五遥”功能对蓄电池组进行维护，也可将设备移动至故障车现场对电池进行施救维护。
本文对轨道交通车辆上应用的蓄电池维护设备——充放电一体机的充放电技术原理作了较为全面的介绍。
1.1.充放电一体机
产品是一套具有既节能又便于镍镉蓄电池和铅酸蓄电池维护的智能移动式充放电一体机，主要功能是：可一机完成对蓄电池组的充放电，对于电池的充放电管理，采用无线采集管理的方式。该机具备外观符合人机工程学，电气符合工程维护指标要求，管理满足智能化的需求。可当地、可远程进行充放电管理。
充放电一体机以单片机为控制核心，采用FPGA辅助控制设计，主要包括电源电路、充电控制单元、放电控制单元、中央控制单元、FPGA辅助控制单元、温度监测电路、人机接口电路等。
图1 智能充放电一体机系统框图
（1）电源电路
使用开关电源作为充电器的供电电源。开关电源采用脉冲调制方式，开关电源集成度高，具有调压、限流、过热保护等功能。与线性电源相比其输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高。同时，其易于FPGA辅助控制单元对其进行控制。
（2）充电控制单元
充电控制单元采用目前较成熟的恒流恒压充电电路来完成设计。在充电开始前的预处理阶段，根据检测到的不同电池特性，软件选择响应的充电算法，充电算法由单片机和FPGA辅助控制单元实现。在充电开始后，软件定时采集感应电阻上的电压值，经过计算，设置单片机的输出控制参数。同时，电流监测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并由单片机控制及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制。
（3）放电控制单元
放电控制单元主要有两部分组成，一是返驰式平衡放电电路，可以实现电池组的平衡放电。平衡放电是本充放电一体机的一个重要特点。在放电的过程中，由于电池的个体差异，如果不采取措施，电池组内电池个体的差异将越来越明显，这样会使电池组工作效率降低，使用寿命减少。放电控制单元采用的返弛式放电电路设计，其原理图如图2所示，该电路本身具有的电感端电压互相牵制特性（也称电路的返弛性） 可以实现蓄电池组放电电池个体的平衡放电。这样有利于恢复蓄电池内的受损单元，提高蓄电池的工作效率和使用寿命。二是过度放电保护电路，该电路可以实现对电池组的过度放电保护。图2是电池组过度放电保护电路原理图，当端电压检测电路检测到的电压低于设定的安全放电电压时，该保护电路可以把放电电路切断，实现对蓄电池的保护。
图 2 放电控制单元平衡放电电路原理 图 3 蓄电池组过度放电保护电路原理
（4）人机接口单元
① 键盘响应电路
设计键盘响应电路时，使用MC68HC908SR12单片机 PORTD（PTD6和PTD7） 端口的键盘中断功能（KBI）。根据实际情况，在MC68HC908SR12 单片机的键盘中断使能寄存器KBIER中写入相应的值，写入“1”表示中断允许，写入“0”表示不能中断。键盘中断允许的端口，MC68HC908SR12 单片机将对其内部上拉30kΩ的电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。
②状态显示电路
状态显示电路的设计使用 MC68HC908SR12 单片机PORTA（PTA0～PTA5） 端口的LED直接驱动功能。编程时首先设置PORTA的工作状态，在 LED控制寄存器LEDA中写入相应的值，写入“1”表示可直接驱动 LED，写入“0”表示作为标准I/O端口。在充电的每个阶段均有状态显示，如：电池处于正在充电状态、电池因温度过高进入温控状态等。
③中央控制单元和 FPGA辅助控制单元
中央控制单元和 FPGA辅助控制单元主要实现充放电一体机的状态控制转换功能。根据传感器获取的不同状况，写入不同指令，转换不同的工作模式。
（5）特点
① 充放电控制电路设计
充放电控制电路设计满足软件控制逻辑，充放电切换无需手动切换，全自动电脑控制，实现充电电压范围80-200V，充电电流0-40A，放电电压范围70-160V，放电电流0-30A，充放电电压可连续可调。
② 逆变器设计
充放电一体机，配置有逆变器装置主要用于电池放电维护使用。逆变效率可达到95%以上，逆变接收电压范围满足70-160V范围，逆变最大接受电流达到30A。
③ 控制系统软件开发
充放电控制系统软件开发采用嵌入式Linux系统开发设计，采用触摸电脑一体机作为控制主机，具有WIFI和LAN口上传数据及打印功能，用户能按设定程序启动充放电作业，同时能实时监测蓄电池的电压、电流、容量等信息，这些数据都会实时自动存储在后台，方便用户查阅和输出、打印。
④ 数据上传网页设计
为便于用户对充放电数据的收集和保存，我们开发了数据上传功能，能将蓄电池组充放电过程的数据通过设备的WIFI和LAN接口在网络通畅的条件下传送至公司服务网页，方便用户随时远程查阅。
⑤ 系统结构设计
设备结构设计不但要美观大方，同时要实现模块化设计，方便产品的批量化生产以及设备的维修。
1.2.系统软件设计
移动式充放电一体机控制系统软件开发采用嵌入式Linux系统开发设计，采用触摸电脑一体机作为控制主机，具有WIFI和LAN口上传数据及打印功能，用户能按设定程序启动充放电作业，同时能实时监测蓄电池的电压、电流、容量等信息，这些数据都会实时自动存储在后台，方便用户查阅和输出、打印。
移动式充放电一体机的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式，其目的是使应用软件流程清晰、可读性强、易于功能调试以及产品的维护和升级。本软件主要由初始化、预处理、控制算法、充放电4个部分组成。
（1）初始化
在程序的初始阶段应首先对 MC68 HC908SR12 单片机进行初始化操作，包括设置I/ O端口的输入/输出状态，设置 PLL锁相环电路参数，设置 TIM定时器参数等。
（2）预处理
预处理阶段是充放电一体机正常工作前的准备阶段。程序初始化后，先根据利用MC68HC908SR12单片机的内部温度传感器检测环境温度。当环境温度过低或过高时，均不能对电池进行充放电，否则将损伤电池。然后，设置A/D转换参数和通道，检测电池的端电备阶段。将检测数据与理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质，部分恢复受损的电池单元。
（3）充放电
根据控制单元给出的指令，进行充放电。综合充放电设备在硬件电路设计时考虑了平衡充电、平衡放电以及过放电保护等情况，因此，软件设计时也给予相应的考虑。
（4）控制算法
控制算法主要是控制MC68HC908SR12单片机和FPGA辅助控制单元，写入相应指令，控制充放电综合设备各模块协调工作。
1.3.数据管理及联网技术
充放电维护数据通过工控机屏幕实时显示，显示总电压、单体电压、电流以及最高电压蓄电池位置及最低电压蓄电池位置。用户可以设定巡检数据的时间间隔，将巡检的数据传回主机，并进行保存。同时自动根据蓄电池组的电压、电流与时间的关系形成充放电曲线。每项程序任务启动的同时就会在软件后台自动生成一份数据报表，包含充放电程序步骤设定，充放电曲线，以及充放电过程电压、电流、容量随时间的数据记录，最高电压、最低电压与位置记录，以及故障显示信息。
为了实现数据的集中管理和查询，对于工厂级用户，可以将多台充放电数据通过WiFi或网线将机身自存的数据实时传输到中央监控平台。用户可以集中监控多台设备，从而为企业降低人力成本和提高生产效率。
1.4.系统结构模块化和功能开发
移动式充放电一体机产品研发生产遵循的是一款多功能机，集充电、放电、充放电、在线监控为一体。从产品将来往系列化发展的理念以及便于高效生产的角度，我们在系统结构设计上，都考虑到模块化结构设计，便于生产组装，同时提高组装效率和降低差错率。在系统结构设计上，我们采取功能分区的模块设计思路，将充电模块、放电模块、在线监测模块、主控机以及电气线路分别按功能设计成独立模块，方便整机组装和维护。
图 4 移动式充放电一体机原理框图
2.我国城市轨道交通蓄电池维护现状
通过了解轨道交通机车车辆使用蓄电池的状况，发现很多车辆段对蓄电池的维护工作都有待改进。如车辆厂新电池安装后就没有经过严格的工程验收，投入运行前没有做核对性放电，由于缺乏有效的监测设备，只是测量蓄电池的浮充电压、无法准确测量出蓄电池的真实容量，预测蓄电池可使用时间。大部分生产厂家对蓄电池的设计寿命均在10年以上，但是由于生产工艺、运输安装、日常维护等方面的问题，许多蓄电池寿命大概五六年后开始出现落后电池现象，有些甚至一两年就会出现落后电池问题。
目前，车辆段对的蓄电池维护保养的重要性认识不足。我国城市轨道交通机车车辆蓄电池组的维护，按照不同电压等级选择不同充电设备、放电电阻对蓄电池组进行维护。由于设备的局限性，自动化程度低，工作内容繁琐并容易出差错，不能科学的对蓄电池组进行充放电的维护，严重影响了蓄电池组的使用寿命。另外，车辆段的蓄电池维护设备大多采用电阻放电，白白烧掉维护过程中的电能，造成电能浪费。
我公司生产的移动式充放电一体机，自动化程度高，充放电程序设定，维护数据自动保存记录。我公司的设备充放电电压范围为70-160V，均满足大多数机车车辆110V蓄电池组维护的要求，其放电采用逆变上电网的方式，既保证了对蓄电池组的维护，又大量节约了电能，逆变上网模块完全依照国家标准要求研发制造，使得上网电压、频率、谐波均符合电力电网要求。
3.我国城市轨道交通蓄电池维护技术的思考和展望
目前为止，我们研制开发的移动式充放电一体机基本满足了机车车辆对于蓄电池组维护的需求，可以在车辆段内进行常规配置。随着大批量的新型地铁车辆、轻轨车辆、高铁车辆的使用，对电池维护的充放电一体机的需求也将增大，同时要求也越来越高。为此，我们将会根据市场需求，继续研制开发大功率、多接口，智能管理模式的充放电一体机来满足轨道交通车辆的蓄电池维护的要求。
4.结语与展望
4.1结语
长期以来，阀控密封铅酸蓄电池、锂电池被称为免维护电池，给运行维护人员造成一种错觉，认为该蓄电池在使用中不需要维护，这实际上是一种误解。其实对蓄电池进行规范合理的维护，不仅能保证重要设备平稳运行，更能延长其使用寿命，产生可观的经济效益而直接节省运营成本。因此，轨道交通运营单位重视并加强对蓄电池的维护管理非常重要且必将是大势所趋。
4.2展望
与普通的充放电设备比较，智能移动式充放电一体机将有效节约电能，提高了蓄电池维护效率，为轨道交通车辆的维护智能化、高效化、节能化奠定了坚实的基础，在轨道交通车辆蓄电池维护设备市场领域将有广阔的市场应用前景。
参考文献：
[1]DLT 5044-2004 电力工程直流系统设计技术规程
[2]DL T856-2004 电力用直流电源监控装置
[3]DL T781-2001 电力用高频开关整流模块
[4]GB/T 7404.1-2013 轨道交通车辆用铅酸蓄电池 第1部分：电力机车、地铁车辆用阀控式铅酸蓄电池
[5]DL/T724.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程，2000
[6]周志敏，周纪海，纪爱华.阀控式密封铅酸蓄电池使用技术.中国电力出版社，2004
论文作者:郭圣文,周建杰,周瑞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
标签：蓄电池论文; 充放电论文; 电路论文; 电压论文; 电池论文; 单元论文; 车辆论文; 《电力设备》2018年第15期论文;