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LEM傳感器在內燃機車蓄電池智能充電器中的應用
萊姆電子（中國）有限公司

                                  王磊，張全柱
                         （北京交通大學    北京 100044）
　　摘要：文中介紹了內燃機車蓄電池智能充電器的設計方案，以及LEM型電壓、電流傳感器在充電器中的具體應用，說明了傳感器的選型及外圍電路的設計、參數配置、電磁兼容性設計等方面的問題。
　　關鍵詞：內燃機車蓄電池；智能充電器；LEM型電壓、電流傳感器
　　0．引言
   在鐵路內燃機車上使用的蓄電池組為300—500Ah的免維護鉛酸蓄電池，目前普遍采用的充電方式，是用內燃機車上的輔助發電機輸出的DC110V直流電壓，通過限流電阻直接對蓄電池組進行充電。這種恒壓充電方式雖然使用電阻對充電電流進行了限制，但電阻這種僅靠兩端的電壓降來限流的方式是十分粗糙的。當電池嚴重虧電時，蓄電池的電壓較低（如低于DC88V），充電電流將會很大（有時可達到幾百安培），很容易導致電池損壞。本文所介紹的內燃機車蓄電池充電器屬于智能型充電器，可以靈活設定充電模式及充電電流限流值，對充電電流進行自動調節，延長了蓄電池的使用壽命。系統同時還兼顧了對蓄電池的狀態管理，對蓄電池的故障狀態給出預報，指導機務段的檢修作業。
　　1. 蓄電池智能充電器系統介紹
   蓄電池智能充電器對單一使用恒壓的充電方式進行改進，引入了自動限流充電模式。由于系統中的充電電流是通過控制DC/DC變換器的輸出來實現的，所以比傳統的電阻限流更為有效。
充電過程中，當蓄電池電壓比較低時，先采取限制電流充電。此方式有3個充電電流檔：19A，25A，50A，在保證充電電壓的基礎上，分別將充電電流限制到相應的數值。充電時，通過單片微機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，進行恒壓充電（充電電流較小）；當蓄電池電壓充到接近額定電壓之后，充電轉為完全的恒壓浮充電方式。上述的復合式（多種充電模式）充電方式，可以克服傳統充電方式中可能出現的充電電流超過限制值，在對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。充電器對蓄電池組的充電過程按照蓄電池自身的充電特性曲線進行，符合蓄電池的固有特性，降低了充電過程中對蓄電池造成損壞的可能性。
   本充電器系統還具有智能化電池管理功能。充電器可以采集、儲存每個單節電池的運行數據，可以通過USB口進行數據轉儲。地面分析軟件的人機界面經過對這些數據的分析和計算，預測出相應電池的壽命，給出電池損壞情況的不良性概率。現場檢修人員可以根據這些數據對相應電池進行及時維修和更換，防止由于單節電池的損壞造成整組電池的報廢，這就提高了機務段的檢修作業效率，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為輸入側的濾波電容，參數為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為輸出側濾波電感，電感量150

H，C2為輸出側濾波電容，參數為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燃機車輔助發電機發出的DC110V電源，允許輸出有±10%的波動。系統中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。經過高頻變壓器進行變壓后，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變換器輸入側濾波電容C1的預充電輔助電路，在投切輔發電源到主電路之前，先控制接觸器將預充電電路投切到主回路上，用蓄電池組上的剩壓對電容C1進行預充電，當電容上的電壓達到一定值后，再由控制器控制接觸器將DC110V電源投切到主回路上，充電器進入正常工作狀態，由控制器控制主回路對蓄電池進行充電。
   在充電過程中，需要使用傳感器檢測充電電流、充電電壓，以及蓄電池溫度，由單片微機進行模式識別和切換。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，使用電流傳感器A1采集輸入電流，用來對電路進行過流保護；LC濾波電路的輸出側，使用電流傳感器A2和電壓傳感器V1分別檢測蓄電池的充電電流和充電電壓。單片微機根據此電流值和電壓值確定相應的充電模式，產生充電電流和充電電壓的給定值，輸入到電流和電壓的PI調節器，與充電電流和充電電壓一起進行閉環控制。最后，兩個PI調節器的輸出取最小值，驅動PWM波發生單元產生相應占空比的PWM波形，控制IPM產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的工作模式，輸入電流用于對電路的過流保護，它們的穩定性、精度、線形度等直接決定著系統的工作性能與輸出指標。所以，相應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用
3.1  LEM型傳感器的特點
   LEM型電流傳感器是基于霍爾效應的閉環電流傳感器，是一種模塊化的有源電子傳感器。它的內部把互感器、霍爾器件和電子電路很好地加以結合，既有普通互感器測量范圍寬的優點，又兼顧了電子電路反應速度快的長處。同時，LEM型電流傳感器內部應用了磁通平衡原理，內部聚磁環的副邊電流和原邊電流保持固定比例，可以根據副邊電流值間接得到原邊的被測電流值。傳感器外接的測量電阻Rm將副邊的電流信號轉換成電壓信號Vm。所以，通過測量電阻Rm上的電壓值，就可以最終得出要測量的主電路電流值。LEM型電壓傳感器的原理，與電流傳感器基本相同，不同點只是用戶需要在傳感器的原邊電路上串聯一個電阻，將電壓信號轉換為電流信號，然后按照與電流傳感器類似的方式進行測量使用即可，十分方便。
   LEM系列傳感器實現了主電路與控制（檢測）電路之間的電氣隔離，具有轉換精度高，抗干擾性強，工作頻帶寬，工作可靠性高等特點。足夠寬的工作頻帶可以準確地反映蓄電池在充電過程中電壓和電流量的變化情況，降低了測量誤差，提高了控制精度，為控制器實時進行充電模式的切換，實現電路故障判斷并采取相應的保護提供了可靠的保證。LEM型傳感器抗干擾性強，經過實際的長時間上車帶載調試，性能十分穩定，沒有發生因為干擾而導致的工作異常現象，是系統可靠性的重要保障之一。LEM傳感器能滿足內燃機車內強振動、高環境溫度等較嚴酷運行環境的要求，實踐證明其非常適合在鐵路車載設備上應用。
3.2  系統中LEM型傳感器的選型與安裝
   電流傳感器：系統中共需要2個電流傳感器A1和A2，分別測量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：系統中DC/DC變換器的輸入側額定電流為45A，考慮到輸入電流波動要留出一定的裕量，采用LEM型電流傳感器LT108-S7測量輸入側電流。
傳感器主要參數：原邊額定有效值電流：IPN=100A；測量范圍：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測量充電電流。
傳感器主要參數：原邊額定有效值電流：IPN=50A；測量范圍：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：系統中使用了一個電壓傳感器V1，測量蓄電池的充電電壓。
   系統中充電電壓額定值為110V，選取LEM電壓傳感器LV28-P測量蓄電池組的充電電壓。
   傳感器參數：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%。
   系統中檢測輸入電流的傳感器LT108-S7和檢測充電電流的傳感器LT58-S7，使用螺絲固定在支架上工作。
   系統中檢測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計和參數配置
4.1  傳感器輸出信號的調整電路
   傳感器的輸出需先經過調整電路調整成需要的模擬量，再供給單片微機系統進行A/D轉換，得到相應的電流和電壓值。充電器中使用的信號調整電路如圖2所示。

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

12V。負載電阻選得過大，可能導致輸出波形失真，引入測量誤差。這就是說，過大的負載電阻會限制被檢測電流量和電壓量的幅值范圍，使傳感器的測量能力不能完全發揮。另一方面，若選得太小，在整個電流范圍內，轉換得到的輸出電壓都很小，由于A/D轉換器精度的限制，最后轉換的數字量對被測信號的分辨率很小，會限制測量精度。因此，在選擇負載電阻阻值時，應綜合上述兩種情況折中考慮；再者，負載電阻的取值對傳感器的線性度也有影響，選取負載電阻的阻值時應綜合判斷合理選擇，保證傳感器的線性度最優。
依據上述原則，系統中各傳感器的負載電阻值最后選取為：輸入電流傳感器負載電阻選取150

；輸出電流傳感器負載電阻選取150

；輸出電壓傳感器負載電阻選取300

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

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

），符合傳感器的相應參數范圍要求。經過實驗調試，系統中電流、電壓傳感器輸出的線形度得到了很好的保證。
4.3 電磁兼容性設計
   內燃機車充電器系統的電磁環境較差，干擾較強，但系統運行的可靠性、控制精度卻要求較高。因為內燃機車內部電磁環境十分復雜，干擾很強，有多種電氣設備共存，其中有很多大功率開關設備；另外，系統中使用了IPM高頻DC/DC變換器，也會引入很強的高頻干擾；而控制系統中使用的單片微機控制器，要求運行的電磁環境好，才能保證檢測信號的精確，這就對系統的電磁兼容性設計提出了要求，必須精心考慮和設計。
   在充電器系統中，采取了一些電磁兼容性方面的設計，列舉如下：
(1)    使用模塊電源，各處供電電源分散供電；
(2)    檢測信號線分開走線，遠離大電流通路，高頻變壓器，功率開關器件等干擾源；
(3)    在采樣信號端使用高頻濾波網絡電路；
(4)    對單片微機的輸入、輸出信號線，晶振電路等采取抗干擾設計；
(5)    在傳感器的調整電路輸入端加接LC濾波網絡電路。
　　5   實驗結果與波形圖

                         圖4 高頻變壓器輸出波形
   充電器系統經過了滿功率考核試驗和實際裝車運用考核試驗。在直流110V充電電壓下，充電電流達到50A，恒流充電模式運行，系統運行正常。系統能夠實現很好的故障保護功能。圖3給出了實驗時IPM模塊中一個橋臂上下兩個IGBT的驅動信號。從波形中可以看出，該時刻IGBT的開關頻率為9.52kHz，上下橋臂互補通斷。但要注意的是，圖示信號經反相后才用來驅動IGBT管。通過該波形可以分析出兩個驅動脈沖之間已加上了死區時間，防止同一橋臂的上下兩個管子直通故障。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，逆變橋開關管在關斷過程中會引入一些電壓尖峰。
　　6．結論
    實驗結果和裝車考核試驗表明，內燃機車蓄電池智能充電器的設計可以滿足機車的實際運用要求，實現了恒壓充電過程中的自動限流充電控制，提高了充電的效率和質量，大大減輕了充電過程對車載蓄電池組的損壞程度。系統中，LEM傳感器測量信號實時、精確，滿足故障保護，穩壓、限流等控制功能和測量精度的要求。傳感器的外圍接口電路、供電電源、布線、電磁兼容性設計等均滿足要求，設計合理。目前充電器已經通過了現場裝車運用考核，可望實現批量裝車，擴大市場。
　　參考文獻
[1] 李靖，黃紹平，張深基. LEM傳感器在電氣參數測試中的應用[J]. 湖南工程學院學報，Vol.14.No.2.
[2] 曹建，丁家封. LEM電流傳感器在電力設備介電特性在線監控中的應用[J]. 儀表技術與傳感器，2001，第4期.
　　作者簡介
王磊：北京交通大學電氣工程學院在讀碩士研究生。本科畢業于中國石油大學（華東）電氣工程及其自動化專業。
聯系電話：010-51683709  email: sydxdqwanglei@163.com  通訊方式：北京市北京交通大學662信箱
張全柱：博士后，北京交通大學副研究員，碩士生導師。研究方向：軌道交通牽引傳動與控制，電力電子與電能變換，變流系統計算機控制等。
聯系電話：010-51683709  email:  zhangquanzhu@126.com  通訊方式：北京市西直門外上園村3號北京交通大學電氣工程樓312室

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