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LEM傳感器在內(nèi)燃機(jī)車蓄電池智能充電器中的應(yīng)用
萊姆電子（中國(guó)）有限公司

                                  王磊，張全柱
                         （北京交通大學(xué)    北京 100044）
　　摘要：文中介紹了內(nèi)燃機(jī)車蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)方案，以及LEM型電壓、電流傳感器在充電器中的具體應(yīng)用，說明了傳感器的選型及外圍電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)配置、電磁兼容性設(shè)計(jì)等方面的問題。
　　關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車蓄電池；智能充電器；LEM型電壓、電流傳感器
　　0．引言
   在鐵路內(nèi)燃機(jī)車上使用的蓄電池組為300—500Ah的免維護(hù)鉛酸蓄電池，目前普遍采用的充電方式，是用內(nèi)燃機(jī)車上的輔助發(fā)電機(jī)輸出的DC110V直流電壓，通過限流電阻直接對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。這種恒壓充電方式雖然使用電阻對(duì)充電電流進(jìn)行了限制，但電阻這種僅靠?jī)啥说碾妷航祦硐蘖鞯姆绞绞鞘执植诘�。�?dāng)電池嚴(yán)重虧電時(shí)，蓄電池的電壓較低（如低于DC88V），充電電流將會(huì)很大（有時(shí)可達(dá)到幾百安培），很容易導(dǎo)致電池?fù)p壞。本文所介紹的內(nèi)燃機(jī)車蓄電池充電器屬于智能型充電器，可以靈活設(shè)定充電模式及充電電流限流值，對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。系統(tǒng)同時(shí)還兼顧了對(duì)蓄電池的狀態(tài)管理，對(duì)蓄電池的故障狀態(tài)給出預(yù)報(bào)，指導(dǎo)機(jī)務(wù)段的檢修作業(yè)。
　　1. 蓄電池智能充電器系統(tǒng)介紹
   蓄電池智能充電器對(duì)單一使用恒壓的充電方式進(jìn)行改進(jìn)，引入了自動(dòng)限流充電模式。由于系統(tǒng)中的充電電流是通過控制DC/DC變換器的輸出來實(shí)現(xiàn)的，所以比傳統(tǒng)的電阻限流更為有效。
充電過程中，當(dāng)蓄電池電壓比較低時(shí)，先采取限制電流充電。此方式有3個(gè)充電電流檔：19A，25A，50A，在保證充電電壓的基礎(chǔ)上，分別將充電電流限制到相應(yīng)的數(shù)值。充電時(shí)，通過單片微機(jī)控制先使用限制電流充電，隨著充電電壓的升高，然后依次將充電電流限制值降低，進(jìn)行恒壓充電（充電電流較小）；當(dāng)蓄電池電壓充到接近額定電壓之后，充電轉(zhuǎn)為完全的恒壓浮充電方式。上述的復(fù)合式（多種充電模式）充電方式，可以克服傳統(tǒng)充電方式中可能出現(xiàn)的充電電流超過限制值，在對(duì)蓄電池的充電過程中，既有效地限制了充電電流，又具有很快的充電速度。充電器對(duì)蓄電池組的充電過程按照蓄電池自身的充電特性曲線進(jìn)行，符合蓄電池的固有特性，降低了充電過程中對(duì)蓄電池造成損壞的可能性。
   本充電器系統(tǒng)還具有智能化電池管理功能。充電器可以采集、儲(chǔ)存每個(gè)單節(jié)電池的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以通過USB口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)。地面分析軟件的人機(jī)界面經(jīng)過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，預(yù)測(cè)出相應(yīng)電池的壽命，給出電池?fù)p壞情況的不良性概率。現(xiàn)場(chǎng)檢修人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)電池進(jìn)行及時(shí)維修和更換，防止由于單節(jié)電池的損壞造成整組電池的報(bào)廢，這就提高了機(jī)務(wù)段的檢修作業(yè)效率，降低了檢修成本。
　　2. 蓄電池智能充電器的原理與組成
    充電器的主電路原理圖，如圖1所示。

圖中DC/DC變換器采用全橋直流變換電路，C1為輸入側(cè)的濾波電容，參數(shù)為10000

F/250V。C5為IPM模塊的吸收電容。IGBT管T1至T4組成逆變橋兩個(gè)橋臂。Tr為高頻變壓器。變壓器副邊采用高頻全波整流，D1和D2為快速整流二極管。L為輸出側(cè)濾波電感，電感量150

H，C2為輸出側(cè)濾波電容，參數(shù)為4700

F/250V。
   充電器的容量為約5kW，額定電流45A。主電路的輸入電壓為內(nèi)燃機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)發(fā)出的DC110V電源，允許輸出有±10%的波動(dòng)。系統(tǒng)中DC/DC變換器采用全橋變換電路。輸入的直流電壓由單相逆變橋逆變成高頻交變的方波電壓加在變壓器的原邊。經(jīng)過高頻變壓器進(jìn)行變壓后，副邊交變的方波電壓由全波整流電路整流成直流方波電壓，經(jīng)LC濾波輸出直流電壓，供給蓄電池充電。
   充電電路中還引入了針對(duì)變換器輸入側(cè)濾波電容C1的預(yù)充電輔助電路，在投切輔發(fā)電源到主電路之前，先控制接觸器將預(yù)充電電路投切到主回路上，用蓄電池組上的剩壓對(duì)電容C1進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電容上的電壓達(dá)到一定值后，再由控制器控制接觸器將DC110V電源投切到主回路上，充電器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，由控制器控制主回路對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
   在充電過程中，需要使用傳感器檢測(cè)充電電流、充電電壓，以及蓄電池溫度，由單片微機(jī)進(jìn)行模式識(shí)別和切換。各傳感器在主電路中的位置如圖1所示。DC/DC變換器的輸入側(cè)，使用電流傳感器A1采集輸入電流，用來對(duì)電路進(jìn)行過流保護(hù)；LC濾波電路的輸出側(cè)，使用電流傳感器A2和電壓傳感器V1分別檢測(cè)蓄電池的充電電流和充電電壓。單片微機(jī)根據(jù)此電流值和電壓值確定相應(yīng)的充電模式，產(chǎn)生充電電流和充電電壓的給定值，輸入到電流和電壓的PI調(diào)節(jié)器，與充電電流和充電電壓一起進(jìn)行閉環(huán)控制。最后，兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的輸出取最小值，驅(qū)動(dòng)PWM波發(fā)生單元產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波形，控制IPM產(chǎn)生充電過程中的充電電壓和充電電流。
   充電過程中的充電電壓值和充電電流值決定著充電系統(tǒng)的工作模式，輸入電流用于對(duì)電路的過流保護(hù)，它們的穩(wěn)定性、精度、線形度等直接決定著系統(tǒng)的工作性能與輸出指標(biāo)。所以，相應(yīng)這些電量傳感器的選擇顯得十分重要。
　　3.  LEM型傳感器在蓄電池智能充電器中的應(yīng)用
3.1  LEM型傳感器的特點(diǎn)
   LEM型電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)的閉環(huán)電流傳感器，是一種模塊化的有源電子傳感器。它的內(nèi)部把互感器、霍爾器件和電子電路很好地加以結(jié)合，既有普通互感器測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，又兼顧了電子電路反應(yīng)速度快的長(zhǎng)處。同時(shí)，LEM型電流傳感器內(nèi)部應(yīng)用了磁通平衡原理，內(nèi)部聚磁環(huán)的副邊電流和原邊電流保持固定比例，可以根據(jù)副邊電流值間接得到原邊的被測(cè)電流值。傳感器外接的測(cè)量電阻Rm將副邊的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Vm。所以，通過測(cè)量電阻Rm上的電壓值，就可以最終得出要測(cè)量的主電路電流值。LEM型電壓傳感器的原理，與電流傳感器基本相同，不同點(diǎn)只是用戶需要在傳感器的原邊電路上串聯(lián)一個(gè)電阻，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，然后按照與電流傳感器類似的方式進(jìn)行測(cè)量使用即可，十分方便。
   LEM系列傳感器實(shí)現(xiàn)了主電路與控制（檢測(cè)）電路之間的電氣隔離，具有轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性強(qiáng)，工作頻帶寬，工作可靠性高等特點(diǎn)。足夠?qū)挼墓ぷ黝l帶可以準(zhǔn)確地反映蓄電池在充電過程中電壓和電流量的變化情況，降低了測(cè)量誤差，提高了控制精度，為控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行充電模式的切換，實(shí)現(xiàn)電路故障判斷并采取相應(yīng)的保護(hù)提供了可靠的保證。LEM型傳感器抗干擾性強(qiáng)，經(jīng)過實(shí)際的長(zhǎng)時(shí)間上車帶載調(diào)試，性能十分穩(wěn)定，沒有發(fā)生因?yàn)楦蓴_而導(dǎo)致的工作異�，F(xiàn)象，是系統(tǒng)可靠性的重要保障之一。LEM傳感器能滿足內(nèi)燃機(jī)車內(nèi)強(qiáng)振動(dòng)、高環(huán)境溫度等較嚴(yán)酷運(yùn)行環(huán)境的要求，實(shí)踐證明其非常適合在鐵路車載設(shè)備上應(yīng)用。
3.2  系統(tǒng)中LEM型傳感器的選型與安裝
   電流傳感器：系統(tǒng)中共需要2個(gè)電流傳感器A1和A2，分別測(cè)量DC/DC變換器的輸入電流和蓄電池的充電電流。
(1) 電流傳感器A1：系統(tǒng)中DC/DC變換器的輸入側(cè)額定電流為45A，考慮到輸入電流波動(dòng)要留出一定的裕量，采用LEM型電流傳感器LT108-S7測(cè)量輸入側(cè)電流。
傳感器主要參數(shù)：原邊額定有效值電流：IPN=100A；測(cè)量范圍：0—

150A；副邊額定有效值電流：ISN=50mA；總精度=

0.6%；線性度<0.1%。
(2) 電流傳感器A2：蓄電池的充電電流限流值最大為50A，所以，選取原邊額定電流為50A的LEM型電流傳感器LT58-S7測(cè)量充電電流。
傳感器主要參數(shù)：原邊額定有效值電流：IPN=50A；測(cè)量范圍：0—

70A；副邊額定有效值電流：ISN=50mA；總精度=

0.8%；線性度<0.2%。
   電壓傳感器：系統(tǒng)中使用了一個(gè)電壓傳感器V1，測(cè)量蓄電池的充電電壓。
   系統(tǒng)中充電電壓額定值為110V，選取LEM電壓傳感器LV28-P測(cè)量蓄電池組的充電電壓。
   傳感器參數(shù)：原邊額定有效值電流：IPN =10mA；副邊額定有效值電流：ISN =25mA；總精度=

0.6%；線性度<0.2%。
   系統(tǒng)中檢測(cè)輸入電流的傳感器LT108-S7和檢測(cè)充電電流的傳感器LT58-S7，使用螺絲固定在支架上工作。
   系統(tǒng)中檢測(cè)充電電壓的電壓傳感器LV28-P焊接在專用傳感器板上，使用螺絲固定在充電器基座上。
　　4．傳感器外圍電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)配置
4.1  傳感器輸出信號(hào)的調(diào)整電路
   傳感器的輸出需先經(jīng)過調(diào)整電路調(diào)整成需要的模擬量，再供給單片微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的電流和電壓值。充電器中使用的信號(hào)調(diào)整電路如圖2所示。

調(diào)整電路的第一級(jí)，由運(yùn)放構(gòu)成的全波整流電路將輸入端的交流量整流為直流量。由于經(jīng)過全波整流后的直流量極性為負(fù)，所以全波整流電路后面，加上了第二級(jí)反相變換電路。這樣，一方面可以將直流輸出量的極性反相為正，滿足A/D轉(zhuǎn)換的極性要求；另一方面可以通過反饋支路上的電位器對(duì)調(diào)整電路的最終輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足A/D轉(zhuǎn)換的幅值要求。最后，反相器的輸出接入由二極管構(gòu)成的電壓鉗位限幅電路，對(duì)檢測(cè)調(diào)整后的電壓進(jìn)行限幅，滿足單片微機(jī)的A/D輸入通道對(duì)電壓的要求。
4.2 傳感器配置電阻的選擇
對(duì)于LEM型電流傳感器負(fù)載電阻的選擇，首先應(yīng)滿足傳感器的要求，阻值在規(guī)定的范圍之內(nèi)；其次，還要和調(diào)整電路相互匹配，滿足調(diào)整電路的參數(shù)限制。要防止負(fù)載電阻兩端的電壓在輸入調(diào)整電路之后，導(dǎo)致輸出波形失真。圖2中全波整流電路的輸入量不能超過電路中運(yùn)放的供電電源

12V。負(fù)載電阻選得過大，可能導(dǎo)致輸出波形失真，引入測(cè)量誤差。這就是說，過大的負(fù)載電阻會(huì)限制被檢測(cè)電流量和電壓量的幅值范圍，使傳感器的測(cè)量能力不能完全發(fā)揮。另一方面，若選得太小，在整個(gè)電流范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓都很小，由于A/D轉(zhuǎn)換器精度的限制，最后轉(zhuǎn)換的數(shù)字量對(duì)被測(cè)信號(hào)的分辨率很小，會(huì)限制測(cè)量精度。因此，在選擇負(fù)載電阻阻值時(shí)，應(yīng)綜合上述兩種情況折中考慮；再者，負(fù)載電阻的取值對(duì)傳感器的線性度也有影響，選取負(fù)載電阻的阻值時(shí)應(yīng)綜合判斷合理選擇，保證傳感器的線性度最優(yōu)。
依據(jù)上述原則，系統(tǒng)中各傳感器的負(fù)載電阻值最后選取為：輸入電流傳感器負(fù)載電阻選取150

；輸出電流傳感器負(fù)載電阻選取150

；輸出電壓傳感器負(fù)載電阻選取300

。
對(duì)于電壓傳感器，輸入電路所串外部電阻的選取也應(yīng)注意，它決定著被測(cè)電壓與原邊電流的比值，同時(shí)對(duì)傳感器的線性度也有影響。系統(tǒng)中電壓傳感器測(cè)量的是110V直流電壓，選定的外接電阻為15K

。根據(jù)該值可以得出正常狀態(tài)下原邊的輸入電流為IPN=10mA>7.3mA（110V/15K

），符合傳感器的相應(yīng)參數(shù)范圍要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，系統(tǒng)中電流、電壓傳感器輸出的線形度得到了很好的保證。
4.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)
   內(nèi)燃機(jī)車充電器系統(tǒng)的電磁環(huán)境較差，干擾較強(qiáng)，但系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、控制精度卻要求較高。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)車內(nèi)部電磁環(huán)境十分復(fù)雜，干擾很強(qiáng)，有多種電氣設(shè)備共存，其中有很多大功率開關(guān)設(shè)備；另外，系統(tǒng)中使用了IPM高頻DC/DC變換器，也會(huì)引入很強(qiáng)的高頻干擾；而控制系統(tǒng)中使用的單片微機(jī)控制器，要求運(yùn)行的電磁環(huán)境好，才能保證檢測(cè)信號(hào)的精確，這就對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)提出了要求，必須精心考慮和設(shè)計(jì)。
   在充電器系統(tǒng)中，采取了一些電磁兼容性方面的設(shè)計(jì)，列舉如下：
(1)    使用模塊電源，各處供電電源分散供電；
(2)    檢測(cè)信號(hào)線分開走線，遠(yuǎn)離大電流通路，高頻變壓器，功率開關(guān)器件等干擾源；
(3)    在采樣信號(hào)端使用高頻濾波網(wǎng)絡(luò)電路；
(4)    對(duì)單片微機(jī)的輸入、輸出信號(hào)線，晶振電路等采取抗干擾設(shè)計(jì)；
(5)    在傳感器的調(diào)整電路輸入端加接LC濾波網(wǎng)絡(luò)電路。
　　5   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波形圖

                         圖4 高頻變壓器輸出波形
   充電器系統(tǒng)經(jīng)過了滿功率考核試驗(yàn)和實(shí)際裝車運(yùn)用考核試驗(yàn)。在直流110V充電電壓下，充電電流達(dá)到50A，恒流充電模式運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行正常。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)很好的故障保護(hù)功能。圖3給出了實(shí)驗(yàn)時(shí)IPM模塊中一個(gè)橋臂上下兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從波形中可以看出，該時(shí)刻IGBT的開關(guān)頻率為9.52kHz，上下橋臂互補(bǔ)通斷。但要注意的是，圖示信號(hào)經(jīng)反相后才用來驅(qū)動(dòng)IGBT管。通過該波形可以分析出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖之間已加上了死區(qū)時(shí)間，防止同一橋臂的上下兩個(gè)管子直通故障。圖4給出了DC/DC變換器中高頻變壓器次邊的波形。通過波形可以看出，逆變橋開關(guān)管在關(guān)斷過程中會(huì)引入一些電壓尖峰。
　　6．結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果和裝車考核試驗(yàn)表明，內(nèi)燃機(jī)車蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)可以滿足機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用要求，實(shí)現(xiàn)了恒壓充電過程中的自動(dòng)限流充電控制，提高了充電的效率和質(zhì)量，大大減輕了充電過程對(duì)車載蓄電池組的損壞程度。系統(tǒng)中，LEM傳感器測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)、精確，滿足故障保護(hù)，穩(wěn)壓、限流等控制功能和測(cè)量精度的要求。傳感器的外圍接口電路、供電電源、布線、電磁兼容性設(shè)計(jì)等均滿足要求，設(shè)計(jì)合理。目前充電器已經(jīng)通過了現(xiàn)場(chǎng)裝車運(yùn)用考核，可望實(shí)現(xiàn)批量裝車，擴(kuò)大市場(chǎng)。
　　參考文獻(xiàn)
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　　作者簡(jiǎn)介
王磊：北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀碩士研究生。本科畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。
聯(lián)系電話：010-51683709  email: sydxdqwanglei@163.com  通訊方式：北京市北京交通大學(xué)662信箱
張全柱：博士后，北京交通大學(xué)副研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：軌道交通牽引傳動(dòng)與控制，電力電子與電能變換，變流系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制等。
聯(lián)系電話：010-51683709  email:  zhangquanzhu@126.com  通訊方式：北京市西直門外上園村3號(hào)北京交通大學(xué)電氣工程樓312室

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