CN107458230A - 动车组蓄电池充电控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

动车组蓄电池充电控制系统，包括电流传感器以及控制器，控制器获取蓄电池充电电流信息并可控制蓄电池与充电机之间充电电流的数值大小，包括：充电电流斜率计算单元：用以根据设定的时间间隔内的电流变化计算时间间隔内充电电流变化斜率；充电电流阈值设定及调整单元：用以设定初始充电电流阈值，或，调整设定充电电流的阈值。动车组蓄电池充电控制方法，设定初始充电电流阈值，启动为蓄电池的充电，并获取充电电流I；设定充电电流下降斜率参考值k_c，计算电流下降斜率k，若k＜k_c，则报警。本发明提出了基于充电电流斜率的保护控制系统和充电控制方法。该系统和方法可防止电池自身故障状况的进一步恶化，为一种安全系数高的蓄电池充电控制系统和方法。

Description

动车组蓄电池充电控制系统及方法

技术领域

本发明属于蓄电池充电控制技术领域，涉及一种动车组蓄电池充电控制系统及充电控制方法。

背景技术

动车组整车直流供电系统(DC110V)主要由充电机和蓄电池组成，充电机的功能是将车辆从电网变换而来的交流电变换为直流电(3AC440V变换为DC110V)，给整车直流负载供电(照明用电、控制用电、应急用电等)，供电的同时给车载蓄电池充电。动车组蓄电池由多节电池单体组成(以CRH3型动车组为例，蓄电池包括168节蓄电池单体)，功能是在整车尚未升起受电弓、充电机尚未启动时，由蓄电池给整车提供启动时所需要的控制电。充电机的输出端和蓄电池的电源接口在电气连接上是直连的，充电机同时通过NTC温度传感器采集蓄电池箱体内部的温度，进行保护和电压调节，动车组充电机及蓄电池系统的电气框图如图1所示。

在动车组尚未升起受电弓前，动车组的所有DC110V供电均由蓄电池提供，电池放电，能量减少，电压慢慢降低。在动车组升起受电弓，由动车组辅助变流器给充电机提供3AC440V后，充电机开始工作，充电机将输入的3AC440V变换为稳定的DC110V，一方面替代蓄电池给动车组整车DC110V电压等级的负载供电，另一方面给蓄电池充电。

目前，充电机给蓄电池充电的控制方法如下。

1、充电机采用恒压限流方法给蓄电池充电，设定蓄电池充电的最大充电电流阈值，只有在充电电流大于充电电流阈值时，才采取充电调整策略。

2、设计不同的充电补偿曲线，以控制实现不同的输出充电升压，充电机通过NTC温度传感器检测蓄电池箱内的温度，并实时监测充电电流，结合蓄电池内的温度以及蓄电池的充电电流来进行充电补偿策略的更换，调整充电电压。

然而，在动车组的实际运用中，车载蓄电池内部的电池电解液需要经常进行检查维护，对于电解液不足的电池要进行电解液加注，当因电池自身缺陷导致电解液蒸发过快或电解液不足时，电池单体的内阻将增大，充电过程中此电池单体发热严重，具有电池逐步烧毁的风险，而当蓄电池箱内部的NTC温度传感器检测到蓄电池箱内部超温时，此时蓄电池箱内部电池单体已经部分或全部烧毁，对整车或充电机来说无法提前预判保护，2016年～2017年曾发生过两起此类故障，因内部电池单体逐个烧毁，电压下降，导致整个蓄电池箱的充电电流持续50A左右长时间充电，动车组蓄电池箱内部的84节电池单体烧毁。

发明内容

本发明的目的在于针对动车组蓄电池充电过程中充电电流异常、长时间充电电流数值不下降带来的充电安全问题，提供一种安全系数高的动车组蓄电池充电控制系统及充电控制方法。

本发明的内容为：动车组蓄电池充电控制系统，包括用以检测蓄电池充电电流的电流传感器、检测蓄电池电压的电压传感器、检测蓄电池箱体内部温度的温度传感器，以及控制器，所述控制器获取蓄电池充电电流信息、电压信息、温度信息，并可控制蓄电池与充电机之间充电电流的数值大小，所述控制器包括：

充电电流斜率计算单元：用以根据设定的时间间隔内的电流变化计算时间间隔内充电电流变化斜率；

充电电流阈值设定及调整单元：用以设定初始充电电流阈值，并根据充电电流值，或，根据充电电流变化斜率，调整设定充电电流的阈值。

优选为：控制器进一步包括充电电流下降斜率计算触发单元，以及，用以设定充电电流下降斜率触发电流的触发电流设定单元；所述充电电流下降斜率计算触发单元根据充电电流下降斜率触发电流生成充电电流下降计算触发信号，以控制充电电流斜率计算单元工作。

优选为；控制器进一步包括用以设定电流下降参考值的参考值设定单元，所述电流下降参考值小于电流下降触发电流的值。

优选为：控制器进一步包括停止充电控制信号生成单元：用以根据充电电流变化斜率生成充电机与蓄电池之间的停止充电控制信号；并根据停止充电控制信号调整充电电流。停止充电控制信号生成后，充电机的充电电流将调整为0。

优选为：充电控制系统进一步包括用以设定充电电流预警值的电流预警值设定单元；所述电流预警值低于初始电流阈值。

优选为：充电控制系统进一步包括用以统计充电时间的计时单元，以及，用以触发计时单元的触发单元，触发单元根据充电电流是否大于充电电流预警值来生成计时单元的触发信号。

优选为：充电控制系统进一步包括用以检测蓄电池温度的温度传感器，所述控制器获取蓄电池温度信息；所述控制器进一步包括用以设定温度阈值的温度阈值设定单元。

动车组蓄电池充电控制方法，采用权利要求1至6中任意一项所述的动车组蓄电池充电控制系统，包括以下步骤：

设定初始充电电流阈值，启动为蓄电池的充电，并获取充电电流I；

设定充电电流下降斜率参考值k_c，计算电流下降斜率k，若k＜k_c，则报警。

优选为：设定充电电流下降斜率计算触发电流I_c，当I＜I_c后，开始计算充电电流下降斜率k。

优选为：若I_m＜I＜I_c，且k＜k_c，则充电机继续为蓄电池充电，降低充电电流阈值；

若I_l＜I＜I_m，且k＜k_c，则充电机停止为蓄电池充电，不调整充电电流阈值。

优选为：当充电电流大于电流预警值时，降低充电电流阈值。

优选为：设定时间阈值T，当充电电流大于电流预警值时，触发计时单元，设计时单元计时时间为t，若t＞T，则降低充电电流阈值。

本发明的有益效果为：

在原有动车组蓄电池充电逻辑的基础上，提出了基于充电电流斜率的保护控制系统和充电控制方法。基于充电电流下降斜率与蓄电池温度的关系，通过对充电电流下降斜率的判断，能够将电池单体过热时，尚未被烧毁时的充电电流现象判断出来，在判断将出现严重电池内部故障的前提下，降低充电电流阈值。此时，蓄电池不再进行充电，或进行及其缓慢的充电，内部不再进行发热。该系统和方法可防止电池自身故障状况的进一步恶化，为一种安全系数高的蓄电池充电控制系统和方法。

附图说明

图1为充电机和蓄电池电气连接结构示意图；

图2为蓄电池充电电压温度补偿曲线示意图；

图3为蓄电池正常充电过程电压电流曲线。

其中：1-浮充电曲线，2-升压充电曲线，3-正常充电电流曲线，4-正常充电电压曲线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种用以控制动车组充电机为蓄电池充电的充电控制系统，以及充电控制方法。

动车组蓄电池充电控制系统，用以安全有效的控制动车组充电机为蓄电池充电。该控制系统包括用以检测充电机为蓄电池充电电流的电流传感器、检测蓄电池电压的电压传感器、检测蓄电池箱体内部温度的温度传感器，以及控制器。

控制器包括：

电池温度信息采集单元：用以获取蓄电池箱体内部温度信息；

电池电压信息采集单元：用以获取蓄电池电压信息；

充电电流信息采集单元：用以获取蓄电池充电电流信息；

充电电流斜率计算单元：用以根据设定的时间间隔内的电流变化计算时间间隔内充电电流变化斜率；单位时间间隔T为可以人工设定的时间间隔，充电电流的变化反应了这一设定的时间间隔内的起始时间充电电流I₁和终止时间充电电流I₂，记充电电流斜率为k，则根据计算得到的|k|的大小，来判断电流下降的变化率。

充电电流阈值设定及调整单元：用以设定初始充电电流阈值，并根据充电电流值，或，根据充电电流变化斜率，调整设定充电电流的阈值。初始充电电流阈值通常为一个较高的电流值，根据实际充电工况，若维持在一个较高的电流阈值，会造成充电危险，因此，需要根据实际充电情况调整电流阈值，电流阈值调整值通常为一个比初始充电电流阈值低的电流值。

控制器进一步包括通断控制信号生成单元：用以根据根据充电电流变化斜率生成充电机与蓄电池之间的通断控制信号。即在判断为危险充电情况下，及时切断充电机与蓄电池之间的电路连接，停止充电。

控制器进一步包括充电电流下降斜率计算触发单元，以及，用以设定充电电流下降斜率触发电流的触发电流设定单元；所述充电电流下降斜率计算触发单元根据充电电流下降斜率触发电流生成充电电流下降计算触发信号，以控制充电电流斜率计算单元工作。例如，设定一触发电流I_c，在充电电流小于I_c开始，充电电流斜率计算单元开始计算充电电流下降斜率，具体的计算方法如上文所述。

控制器进一步包括用以设定电流下降参考值的参考值设定单元，所述电流下降参考值小于电流下降触发电流的值。电流下降参考值作为电流下降过程中的比较标准值，下降参考值可以为一个或多个不同的电流值。

控制器进一步包括用以设定充电电流预警值的电流预警值设定单元；所述电流预警值低于初始电流阈值。电流预警值作为一个危险信号的判断标准，当充电电流超过电流预警值，则预示发生充电风险的可能性会提高。

控制器进一步包括用以统计充电时间的计时单元，以及，用以触发计时单元的触发单元，触发单元根据充电电流是否大于充电电流预警值来生成计时单元的触发信号。这样的设计是为了统计充电电流大于电流预警值的时间，在充电电流持续大于电流预警值一段时间后，才执行相应的保护动作，避免由于电流的瞬时增大，造成对风险的误判。

充电控制系统进一步包括用以检测蓄电池温度的温度传感器，所述控制器获取蓄电池温度信息；所述控制器进一步包括用以设定温度阈值的温度阈值设定单元。当蓄电池温度超过温度阈值后，则执行相应的保护动作。

正常充电过程中，充电机给蓄电池充电的控制方法如下。

1、充电机采用恒压限流方法给蓄电池充电，设定充电限流阈值，即给蓄电池充电的最大充电电流值，通常该值选取为96A。

2、充电机通过NTC温度传感器检测蓄电池箱内的温度，根据蓄电池温度按照图2所示的充电电压温度补偿曲线进行恒压控制输出。蓄电池的温度补偿曲线有两条，浮充电曲线1和升压充电曲线2。其中，浮充电过程为缓慢的充电过程，浮充电曲线1近似为线性充电曲线，电压和温度近似呈线性关系；升压充电过程包括恒压充电过程和逐步降压充电过程，升压充电曲线2由多段线段做成，总体说，升压充电曲线2的充电电压高于浮充电曲线1的充电电压。充电过程中，根据电池的充电电流大小进行温度补偿曲线的切换，当充电电流大于亏电电流值(例如，为19A)时，充电机默认电池处于亏电状态，此时按升压充电曲线2充电，通过提高输入电压实现大电流充电，快速给电池补充能量；当充电电流小于充满电流值(例如，为13A)时，充电机默认电池接近充满，此时按浮充电曲线1充电，通过降低输出电压缓慢给电池充满，直至蓄电池充满。

3、当蓄电池温度传感器故障或检测到的蓄电池箱内温度超过温度阈值是(例如，采用70℃)时，认为蓄电池温度过高，充电机将按照默认45℃时的充电电压118V给蓄电池充电，此时电流限流数值还是96A。

充电过程中，充电电流、充电电压遵循如图3所示的规律。

如图3所示充电系统的实施方式为例，蓄电池充电电流从96A左右开始降低到降低到5A以内用时不到0.5h时间，电流下降斜率30A/10min左右。

按照一个蓄电池箱320Ah的电池容量计算，理论上按照电池完全亏电后以96A恒流充电时需要3.33h。

受外界条件或蓄电池、充电机自身条件的影响，在正常充电的过程中，通常会出现过流、过温、长时间工作在高电流充电工况等故障。例如：若长时间以高电流充电，蓄电池温度降会过多升高，以发生故障。而充电电流下降斜率侧面反映了充电系统是否长时间运行在高电流充电工况，例如，若充电电流下降斜率过低，则证明充电电流下降的过慢，必然会较长时间工作在高电流充电模式。

为了避免充电故障，在以上充电逻辑的基础上，提出了一种新的优化后的充电电流斜率保护控制方法。优化控制的核心是基于充电电流斜率变化，调整充电控制策略，以进行保护。

通过充电电流阈值设定及调整单元设定初始充电电流阈值I_max，启动为蓄电池的充电，并获取充电电流I；

设定充电电流下降斜率计算触发电流I_c(本实施例中，触发电流I_c采用90A)，该触发电流小于充电电流阈值，同时设定充电电流下降斜率参考值k_c(本实施例中，电流下降斜率参考值k_c采用10A/min)，当I＜I_c，充电电流斜率计算单元开始计算充电电流下降斜率k；

若k＜k_c，则报警。

具体的说，在k＜k_c的情况下，视蓄电池具体的充电电流的不同，进一步分情况采取具体的报警形式。为了分情况设定控制策略，进一步设定辅助参考电流I_m和I_l，本实施例中，设定I_m为50A，I_l为15A。主要分以下两种情况：

第一种情况：若I_m＜I＜I_c，且k＜k_c，则充电机继续为蓄电池充电，降低充电电流阈值；

第二种情况：若I_l＜I＜I_m，且k＜k_c，则充电机停止为蓄电池充电，不调整充电电流阈值。

即：

当50＜I＜90时，对充电电流的下降斜率进行判断，若k＜10A/10min，则报严重充电异常故障，充电机不停机，降低充电电流阈值，例如，将充电电流阈值从96A调整为2A。

当15＜I＜50对充电电流的下降斜率进行判断，若k＜10A/10min，则报一般充电异常故障，充电机不停机，充电电流阈值维持不变，例如，维持充电电流阈值为96A不变。

在充电电流下降斜率判断未被触发的情况下，考虑到长时间高电流充电工况，进一步设计以下控制方法。

设定充电电流预警值，例如，本实施例中，将充电电流预警值设定为90A(根据需求，也可以设定为其他值，例如92A、93A等)，当充电电流大于电流预警值时，降低充电电流阈值，例如，将充电电流阈值从96A调整为2A。

由于在充电过程中，可能会造成充电电流的顺势提高，而这种段时间的电流增大不会对充电系统造成严重的破坏，因此，更进一步的设计一种根据充电电流超过电流预警值的时间长短来判断故障情况的方法。设定时间阈值T，当充电电流大于电流预警值时，触发计时单元，设计时单元计时时间为t，若t＞T，则降低充电电流阈值。例如，可以设定时间阈值为4h，在4h内，若连续充电电流一直大于充电电流预警值，长时间内工作在高充电电流情况下，容易造成充电系统的损坏，因此，此时将充电电流阈值从96A调整为2A。

更进一步的，考虑到动车组实际运行中电网不稳定因素，动车组实际运行过程中，会出现连续升降受电弓或经过电网无电区域，因此，会出现充电机连续重启的现象。重启时就没有办法进行充电，将导致计时清零。充电电流的边界范围判断增加延时判断，将短时无电导致的计时清零问题过滤掉。例如增加3分钟的时间延迟判断，即充电电流退出限流充电模式后3分钟才确认确实退出，避免动车组运行过程中过分相时整车无电导致充电电流下降，计时清零，而后瞬间又进入有电区，继续以96A限流充电，重新计时。

基于以上的系统和方法，以充电电流、电流下降率作为指标，可以实现有效的充电机为蓄电池充电控制，从而保证安全、有效的充电。

Claims (11)

1.动车组蓄电池充电控制系统，包括用以检测蓄电池充电电流的电流传感器以及控制器，所述控制器获取蓄电池充电电流信息并可控制蓄电池与充电机之间充电电流的数值大小，其特征在于：所述控制器包括：

充电电流斜率计算单元：用以根据设定的时间间隔内的电流变化计算时间间隔内充电电流变化斜率；

充电电流阈值设定及调整单元：用以设定初始充电电流阈值，或，调整设定充电电流的阈值。

2.如权利要求1所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于：控制器进一步包括充电电流下降斜率计算触发单元，以及，用以设定充电电流下降斜率触发电流的触发电流设定单元；所述充电电流下降斜率计算触发单元根据充电电流下降斜率触发电流生成充电电流下降计算触发信号，以控制充电电流斜率计算单元工作。

3.如权利要求2所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于：控制器进一步包括用以设定电流下降参考值的参考值设定单元，所述电流下降参考值小于电流下降触发电流的值。

4.如权利要求1所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于：控制器进一步包括停止充电控制信号生成单元：用以根据充电电流变化斜率生成充电机与蓄电池之间的停止充电控制信号；并根据停止充电控制信号调整充电电流。

5.如权利要求1所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于：控制器进一步包括用以设定充电电流预警值的电流预警值设定单元；所述电流预警值低于初始电流阈值。

6.如权利要求5所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于：所述充电控制系统进一步包括用以统计充电时间的计时单元，以及，用以触发计时单元的触发单元。

7.动车组蓄电池充电控制方法，采用权利要求1至6中任意一项所述的动车组蓄电池充电控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

设定初始充电电流阈值，启动为蓄电池的充电，并获取充电电流I；

设定充电电流下降斜率参考值k_c，计算电流下降斜率k，若k＜k_c，则报警。

8.如权利要求7所述的动车组蓄电池充电控制方法，其特征在于，设定充电电流下降斜率计算触发电流I_c，当I＜I_c后，开始计算充电电流下降斜率k。

9.如权利要求8所述的动车组蓄电池充电控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤，设定电流下降参考值I_m和I_l，I_m＞I_l，

若I_m＜I＜I_c，且k＜k_c，则充电机继续为蓄电池充电，降低充电电流阈值；

若I_l＜I＜I_m，且k＜k_c，则充电机停止为蓄电池充电，不调整充电电流阈值。

10.如权利要求8所述的动车组蓄电池充电控制方法，其特征在于，在充电电流下降斜率判断未被触发的情况下，进一步包括以下步骤：当充电电流大于电流预警值时，降低充电电流阈值。

11.如权利要求10所述的动车组蓄电池充电控制方法，其特征在于，设定时间阈值T，当充电电流大于电流预警值时，触发计时单元，设计时单元计时时间为t，若t＞T，则降低充电电流阈值。