CN113206527A - 一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法，该设备设置了电能输入装置、充电整流电源模块、控制器及铅晶蓄电池，其中，电能输入装置向充电整流电源模块输入电能，充电整流电源模块与控制器连接并以CAN通信方式通信，且充电整流电源模块外接铅晶蓄电池，控制器分别与分流器及铅晶蓄电池连接。同时，在恒流均充的充电方式中，控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并根据控制器预存的第一调节策略，确定是否将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充；所述控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，根据预存的第二调节策略，进行电压自适应调节。如此，根据温度的变化调节输出电压，有效延长了蓄电池寿命。

Description

一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法
技术领域
本发明属于轨道交通车辆技术领域，具体涉及一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法。
背景技术
铅晶蓄电池具有充放电电流大的优点，因此在工业上被广泛应用。在行业应用上，铅晶蓄电池充电机是轨道交通车辆平稳运行的重要供电设备，具备铅晶蓄电池充电及直流负载供电等功能。
现有技术中，轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电机实现方案包括两种：恒压限流的单曲线充电；或者运用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变换主器件，通过控制其开通与关断的脉冲宽度或幅度的变换，实现输出电压与输出电流的控制。
上述铅晶蓄电池充电机的技术方案存在以下弊端。第一，因其采用恒压限流的单曲线充电，不能高度匹配铅晶蓄电池充电需求特性，无法有效补偿其缺失的电能，造成充电时间长、效率慢、达不到满电状态，长期如此会降低铅晶蓄电池的使用寿命。第二，因现有的铅晶蓄电池充电机，以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变换主器件，难以避免的是其工作的单次开关周期较长、开关频率较低、开关损耗较大等缺点，导致整个系统运行时，产生输出电压与输出电流的动态响应速度慢、系统运行效率低等不利条件。第三，因既有产品，没有针对电池温度补偿功能设置一个完善的机制，不能有效延长电池使用寿命。针对以上缺点，本轨道车辆的铅晶蓄电池充电机，从设计原理出发，解决上述问题。
鉴于上述原因，本发明提供一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明提供一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，包括电能输入装置、充电整流电源模块、控制器、分流器及铅晶蓄电池，所述电能输入装置向充电整流电源模块输入电能，所述充电整流电源模块与控制器连接并以CAN通信方式通信，且所述充电整流电源模块外接铅晶蓄电池，所述控制器分别与分流器及铅晶蓄电池连接。
优选的，所述控制器设有温度补偿模组，所述温度补偿模组设有温度采集装置及模-数转换单元。
优选的，控制器外接客户端，所述客户端通过RS485接口与控制器通信。
优选的，电路主拓扑结构采用基于谐振软开关技术的全桥移相拓扑结构，所述结构中包括功率MOS管，且所述功率MOS管在零电压开通、零电流关断模式进行开通与关断。
优选的，所述电能输入装置，包括过载保护熔断器、稳压滤波器、防反二极管以及分流器。
优选的，控制器内设有控制芯片，且所述控制芯片内部集成有模数转换单元，以及数字量预置的调节程序。
本发明还提供一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备的工作方法，包括以下步骤。
步骤S1：接通电源，充电设备按照恒流均充的充电方式，为铅晶蓄电池充电。
步骤S2：控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并根据控制器预存的第一调节策略，确定是否将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充。
步骤S3：所述控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，根据预存的第二调节策略，进行电压自适应调节。
优选的，在步骤S2中，所述第一调节策略为，当工作温度大于负10摄氏度且充电电流小于或者等于7安培，或者所述工作温度小于或者等于负10摄氏度且充电电流小于或者等于5安培时，将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充。
优选的，在步骤S3中，所述第二调节策略为，设定温度上限值及温度下限值，当工作温度在所述温度上限值到温度下限值之间变化时，输出电压的变化与工作温度的变化呈反比。
通过本发明提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法，该设备设置了电能输入装置、充电整流电源模块、控制器及铅晶蓄电池，其中，电能输入装置向充电整流电源模块输入电能，充电整流电源模块与控制器连接并以CAN通信方式通信，且充电整流电源模块外接铅晶蓄电池，控制器分别与分流器及铅晶蓄电池连接。同时，在恒流均充的充电方式中，控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并根据控制器预存的第一调节策略，确定是否将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充；所述控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，根据预存的第二调节策略，进行电压自适应调节。如此，根据温度的变化调节输出电压，有效延长了蓄电池寿命。
结合附图阅读本申请实施方式的详细描述后，本申请的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备整体结构图；
图2为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备电路原理图；
图3为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备控制器电路原理图；
图4为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备控制器内部控制芯片的电路原理图；
图5为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备电路主拓扑结构图；
图6为本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备工作方法的充电曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，包括电能输入装置101、充电整流电源模块102、控制器103、分流器104及铅晶蓄电池105，电能输入装置101向充电整流电源模块102输入电能，充电整流电源模块102与控制器103连接并以CAN通信方式通信，且充电整流电源模块102外接铅晶蓄电池105，控制器103分别与分流器104及铅晶蓄电池105连接。
请参见图2，控制器103设有温度补偿模组，温度补偿模组用于监测电池温度，其内部设有温度采集装置及模-数转换单元。控制器103外接客户端，客户端通过RS485接口与控制器103通信。电能输入装置101，包括过载保护熔断器FU1、稳压滤波器FPC1、防反二极管D1以及分流器104。
具体地，电能输入时，经过载保护熔断器FU1，经稳压滤波器FPC1，再经极性防反接二极管D1，到达充电整流电源模块102，经充电整流电源模块102内部脉宽调制隔离变换后，输出直流电压，供给铅晶蓄电池105充电。充电整流电源模块102的工作过程，受控制器103的CAN通信数字输出信号控制，控制器103的CAN通信数字信号，是受系统中输入电压反馈(TV1、TV1-)、输出电压反馈(TV2、TV2-)、电池充电电流反馈(TA、TA-)、蓄电池温度反馈(TA1、TB1、TB1)等信号影响，经控制器103内部控制芯片的数字量预置调节程序处理，最终以CAN通信信号的形式，输送给充电整流电源模块102，控制充电整流电源模块102工作。同时，充电整流电源模块102的工作状态，通过CAN通信，也实时反馈给控制器103。控制器103对外留有上位机通信RS485接口，通过上位机图形化窗口软件，能够实时监测、控制铅晶蓄电池充电机的工作，实现无接触、远程便捷操作。
请参见图3，控制器103内设有控制芯片，具体地，该控制芯片采用高可靠性数字量控制芯片ADP1055，且该控制芯片内部集成有模数转换单元，以及数字量预置的调节程序。反馈回路采用电压(VFF)、电流(CS2-、CS2+)双闭环采样，经控制芯片内部模数转换及比例积分微分运放调节，产生脉宽调制信号输出(OUTA～OUTD)。
请参见图4，控制芯片内部集成了模数转换单元(ADC)，以及可数字量预置的调节程序(DIGITAL CORE)，在负载突变时，能够较现有模拟量运放的充电机，做到输出变化动态响应快、精度高、状态稳。
请参见图5，电路主拓扑结构采用基于谐振软开关技术的全桥移相拓扑结构，结构中包括功率MOS管，其包括输出端OUTA、OUTB、OUTC及OUTD，且功率MOS管在零电压开通、零电流关断模式进行开通与关断，实现了软开关，开通与关断近乎零损耗，转换效率高、EMI小、运行稳定可靠。
本发明还提供一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备的工作方法，包括步骤S1至S3。
步骤S1：接通电源，充电设备按照恒流均充的充电方式，为铅晶蓄电池充电。
具体而言，本实施例轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电机，其控制器的数字量预置调节程序，采用先恒流均充，再恒压浮充的双曲线充电过程。
步骤S2：控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并根据控制器预存的第一调节策略，确定是否将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充。
具体而言，充电设备的工作过程为：通电后，本充电机输出为恒流均充充电曲线A，通过铅晶蓄电池温度及充电电流的两级判断，达到判断条件(-10℃以上电流≤7A转浮充电，-10℃以下电流≤5A转浮充电)后，转换到恒压浮充充电曲线B。即，第一调节策略为，当工作温度大于负10摄氏度且充电电流小于或者等于7安培，或者工作温度小于或者等于负10摄氏度且充电电流小于或者等于5安培时，将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充。
在图6中，低温值的预设值为-25℃(温度在-25℃到-40℃时执行-25℃点的补偿参数)，高温值的预设值为35℃(温度在35℃到60℃时执行35℃点的补偿参数)。但输出电压则根据实时的充电曲线不同而调整：当执行恒流均充充电曲线时，输出电压的高压值为122.4V,输出电压的低压值为110.88V；当执行恒压浮充充电曲线时，输出电压的高压值为114.24V,输出电压的低压值为105.6V。
步骤S3：控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，根据预存的第二调节策略，进行电压自适应调节。
具体而言，控制器内部设置了温度补偿模组，本充电设备在给铅晶蓄电池充电时，能够根据温度采集装置采集的蓄电池实时温度，通过温度补偿模组预置的温度补偿曲线，以及CAN通信方式控制充电整流电源模块输出参数。电池温度与输出电压呈反比，即当电池温度从低温值到高温值变化时，将输出电压从高压值到低压值进行调节，从而真正有效延长铅晶蓄电池使用寿命。
在本步骤中，第二调节策略为，设定温度上限值及温度下限值，当工作温度在温度上限值到温度下限值之间变化时，输出电压的变化与工作温度的变化呈反比。
综上所述，通过本发明较佳实施例提供的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备及方法，该设备中电能输入装置向充电整流电源模块输入电能，充电整流电源模块与控制器连接并以CAN通信方式通信，且充电整流电源模块外接铅晶蓄电池，控制器分别与分流器及铅晶蓄电池连接。功率MOS管的设置，零电压开通、零电流关断功率变换的原理设计，损耗小，系统运行效率高。在恒流均充的充电方式中，控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并调节充电方式由恒流均充转换为恒压浮充；所述控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，进行电压自适应调节。如此，通过设置电池温度补偿机制，有效延长了蓄电池寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，包括电能输入装置、充电整流电源模块、控制器、分流器及铅晶蓄电池，所述电能输入装置向充电整流电源模块输入电能，所述充电整流电源模块与控制器连接并以CAN通信方式通信，且所述充电整流电源模块外接铅晶蓄电池，所述控制器分别与分流器及铅晶蓄电池连接。
2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，所述控制器设有温度补偿模组，所述温度补偿模组设有温度采集装置及模-数转换单元。
3.根据权利要求1所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，控制器外接客户端，所述客户端通过RS485接口与控制器通信。
4.根据权利要求1所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，电路主拓扑结构采用基于谐振软开关技术的全桥移相拓扑结构，所述结构中包括功率MOS管，且所述功率MOS管在零电压开通、零电流关断模式进行开通与关断。
5.根据权利要求1所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，所述电能输入装置，包括过载保护熔断器、稳压滤波器以及防反二极管。
6.根据权利要求1所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备，其特征在于，控制器内设有控制芯片，且所述控制芯片内部集成有模数转换单元，以及数字量预置的调节程序。
7.如权利要求1至6任一项所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、接通电源，充电设备按照恒流均充的充电方式，为铅晶蓄电池充电；
步骤S2、控制器检测铅晶蓄电池的工作温度及充电电流，并根据控制器预存的第一调节策略，确定是否将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充；
步骤S3、所述控制器根据铅晶蓄电池的工作温度，以及当前的充电方式，根据预存的第二调节策略，进行电压自适应调节。
8.根据权利要求7所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备的工作方法，其特征在于，在步骤S2中，所述第一调节策略为，当工作温度大于负10摄氏度且充电电流小于或者等于7安培，或者所述工作温度小于或者等于负10摄氏度且充电电流小于或者等于5安培时，将充电方式由恒流均充转换为恒压浮充。
9.根据权利要求7所述的轨道交通车辆的铅晶蓄电池充电设备的工作方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第二调节策略为，设定温度上限值及温度下限值，当工作温度在所述温度上限值到温度下限值之间变化时，输出电压的变化与工作温度的变化呈反比。
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