城轨充电机充电限流与强浮充转换测试优化

褚衍廷 周湘杰

[摘 要] 针对城轨蓄电池充电机出现的充电电流过流以及输出电流的纹波比出厂测试参数偏大的问题，以某型号城轨蓄电池充电机为例，通过分析蓄电池充电机的工作原理，结合生产现场实际遇到的问题，对现有以电阻为负载的测试方法进行改进，提出了使用蓄电池作为蓄电池充电机负载的测试方法，并通过仿真及现场试验验证其可行性和有效性。

[关键词] 蓄电池充电机;充电限流;强浮充转换;测试优化

[中图分类号] U 269.6  [文献标志码] A  [文章编号] 1005-0310（2020）02-0008-06

Test Optimization of Charging Current Limit and Strong Floating Charge Conversion for Urban Rail Charger

Chu Yanting1，2，Zhou Xiangjie1

（1. College of Railway Power Supply and Electrical Engineering， Hunan Vocational College of Railway Technology， Zhuzhou Hunan 412000， China; 2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd， Zhuzhou Hunan 412000， China）

Abstract： In view of the problem that the charging current is overcurrent and the ripple of the output current is larger than the factory test parameters during the actual operation process of the urban rail battery charger， this research， combined with the actual problems encountered in the production site and taking a certain type of urban rail battery charger

as an example， proposes a test method using the battery as the load of the battery charger by analyzing the working principle of the battery charger after the existing resistance test method with a load is improved. In addition， its feasibility and effectiveness are verified by simulation and field tests.

Keywords： Battery charger;Charge current limiting;Strong floating charge conversion;Test optimization

[收稿日期] 2019-12-25

[基金項目] 湖南省自然科学基金项目（2019JJ70051），湖南省教育厅科学研究项目（19C1220），湖南铁路科技职业技术学院科研课题重点项目（HNTKY-KT2020-2）。

[作者简介] 褚衍廷（1989—），男，山东济宁人，湖南铁路科技职业技术学院铁道供电与电气学院、株洲中车时代电气股份有限公司工程师，硕士，主要研究方向为电力系统自动化、测试技术;周湘杰（1986—），男，湖南衡阳人，湖南铁路科技职业技术学院铁道供电与电气学院副教授，硕士，主要研究方向为电力系统自动化、新能源发电。E-mail：328193612@qq.com

0 引言

城轨蓄电池充电机是为负载供电和蓄电池充电的变流器，城市轨道交通均装配车载蓄电池，车载蓄电池仅用于应急供电，在供电网络中断的情况下，向列车的照明系统、通风系统和通信广播系统进行供电[1]。当电网电压处于正常供电状态时，充电机向列车的各负载供电和给蓄电池充电。当电网停电或无法正常供电时，就由蓄电池为列车上的负载设备进行供电。目前，蓄电池充电机在实际运行过程中，时有出现充电电流过流，输出电流的纹波比出厂调试参数偏大的现象[2-3]。本文以蓄电池充电机的工作原理为基础，根据实际应用存在的问题，对现有测试方法进行改进，提出以蓄电池作为充电机负载的测试方法，并通过试验验证其可行性。

1 城轨蓄电池充电机工作原理及仿真分析

1.1 城轨蓄电池充电机原理简析

城轨蓄电池充电机分为两种，一种是直接将电网的DC 1 500 V或DC 750 V电压转换为DC 110 V电压，如图1所示。另一种是将辅助变流器输出的三相AC 380 V电压转换为DC 110 V电压，如图2所示。两种电路的原理都是将输入的直流电或整流后的直流电通过半桥逆变电路逆变为高频交流电，再通过高频变压器隔离、降压，最后通过高频整流和LC滤波得到稳定的DC 110 V电压[4]，通过控制IGBT触发脉冲的占空比来稳定输出电压。可以看到充电机有两路输出，其中串联二极管的一路输出是给列车上其他110 V负载供电，另一路是给车载蓄电池充电。

1.2 城轨蓄电池充电机仿真分析

使用simulink搭建仿真模型如图3所示。

高频变压器输入端电压波形如图4所示，直流输出电压的仿真波形如图5所示。

通过仿真结果可以看出，该主电路拓扑结构的充电机能够输出稳定的DC 110 V电压。

2 充电限流与强浮充转换测试优化分析

北京联合大学学报2020年4月第34卷第2期褚衍廷等：城轨充电机充电限流与强浮充转换测试优化

充电机对蓄电池充电时，充电电流与充电电压的关系是非线性的，且充电电压还要随温度的改变而改变。根据分析，可能引起充电机充电电流过大的情况有：充电限流时，由于蓄电池的非线性导致电流值大于限流值;充电机强浮充转换时，比如在某一小电流下充电机本应该处于浮充状态，但是充电机突然转为强充状态，导致电压升高，电流突然增大。

城轨蓄电池充电机出厂测试的功能性项目有启动和重启动试验、充电限流试验、额定负载试验、轻载试验、负载突变试验、控制电源试验、温度补偿试验和老化试验等[5]。本文针对现场实际问题，进行充电限流试验和强浮充转换试验，并根据试验结果进行优化分析。

2.1 充电限流试验

充电限流试验主要是测试充电机的充电限流值，蓄电池的充电电压和充电电流须符合图6所示的三阶段充电法曲线[6]。第一阶段为恒流充电，采用限流充电控制方式;当电压达到u0时，进入第二阶段，为恒压充电模式，第一阶段和第二阶段又属于快充充电状态;当电流下降到临界电流i1时，进入第三阶段，该阶段为浮充充电状态，浮充充电可以补偿蓄电池自放电损失的容量，采用恒压小电流的方式最大限度地将蓄电池充满。另外，蓄电池的性能指标受温度的影响较大[7]。如果蓄电池的温度变化较大，则须根据温度补偿曲线对其进行必要的补偿，调整充电电压和充电电流。

目前，出厂测试所用的负载为电阻负载，电阻负载分组构成如表1所示。蓄电池充电机的充电限流值设置的测试点有77±2 A、57±2 A、52±2 A、48±2 A、44±2 A、36±2 A、32±2 A、12±3 A等。

测试充电限流值的方法是增加电阻负载，直到输出电压下降到u0，记录此时的充电限流值。

电阻负载有两个缺陷：电阻负载不可以连续调节;电阻负载属于线性负载， 不能完全满足充电机试验需求。

首先，我们从表中可以看到负载的变化是分级的，这将导致无法确定在限流的拐点附近充电机是否还能满足限流要求。例如，一个充电限流值为12±3 A的蓄电池充电机，在某一温度下输出电压为DC 110 V。根据表1，先使用1组11 Ω/10 A和22 Ω/5 A负载，使得输出电流为15 A，这时输出电压可能还是110 V，为了使电压下降，须再增加一个22 Ω/5 A负载，此时负载电流为20 A。这种方法不能测出负载电流为15～20 A时能否满足限流条件，充电机的充电电流可能会大于限流值12±3 A，形成测试盲区。

其次，电阻负载为线性负载，只能测试限流区域的几个点，不能满足对充电机进行更为严格的限流考核要求。当蓄电池充电机处于实际运行工况中，运行在限流充电工作模式时，蓄电池的电压会升高，充电机的电压也要升高來维持电流不变，这对充电机的要求更加严苛。

2.2 强浮充转换试验

充电机分为强充（快充）温度补偿与浮充温度补偿，在一段温度范围内，浮充和强充的电压是不同的。蓄电池强充与浮充之间转换的条件是，电流大于8.0 A时为强充，电流小于4.8 A时为浮充。强浮充转换试验就是通过改变负载的大小，使充电机在强充状态和浮充状态下切换，记录输出电压的值。

例如某一充电机，当充电电流小于9 A时要工作在浮充状态，当充电电流大于12 A时要工作在强充状态。所以，在使用电阻负载测试浮充温度补偿时，会使用一个22 Ω/5 A负载或空载，使充电机工作在浮充模式。在测试快充温度补偿时，会使用一个22 Ω/5 A和一个11 Ω/10 A负载（可能会加更大的负载），使充电机工作在强充模式。用这种方式无法测试出当电流在5～9 A、12～15 A时，充电机是否分别工作在浮充模式或强充模式。

另外，给蓄电池充电时，蓄电池的电压或电流是不断变化的，而且蓄电池的内阻也是不断变化的，这些原因都可能导致充电电流的波动值过大。电阻负载为线性负载，电阻的电流随电压线性增加，且试验时电阻负载不会连续的变化，所以使用电阻负载是无法得到充电机的充电曲线的，也就无法真实测量出充电机的性能。

2.3 蓄电池负载仿真

如果使用蓄电池作为负载，充电机能够在调试的过程中更贴合地模拟列车上的运行环境，也可以得到更为精确的充电曲线。

图7为使用蓄电池负载时的simulink仿真模型，在该模型中首先用36 A的恒定电流对蓄电池充电，当蓄电池电压达到DC 110 V时改用DC 110 V恒压充电。

图8为蓄电池电压电流的仿真波形，蓄电池充电机刚开始工作在限流状态，此时恒流充电，充电电压开始上升，当上升到额定输出电压时，充电电流开始下降，此时为恒压充电。整个过程都是连续的，并且可以检测充电机是否存在过流。

2.4 充电限流与强浮充转换测试优化可行性分析

蓄电池负载的接线图如图9所示，其输出为4路额定电压DC 110 V，柜内控制电压为AC 220 V。该蓄电池柜可切换蓄电池组的不同电压等级，浮充电压可在DC 105～120 V之间切换。

根据蓄电池的参数可知，该蓄电池负载可以满足城轨蓄电池充电机的充电需求，同时蓄电池的放电时间达到了1 h。对于不同的充电机，充电电流不同，充电的时间也不同。为了缩短测试时间，对出厂测试现场提出优化建议如下：

1） 利用充电机老化（功率考核）时间（1 h）做充电限流试验。

2） 由于电阻负载不连续，所以针对充电限流试验时无法准确识别电流波动的问题，选取图6中t1两端区域的蓄电池状态进行充电限流试验，一方面可以减少蓄电池充放电时间，另一方面可以测试出限流值以及限流状态转强充状态是否满足要求。

3） 针对强浮充转换试验中无法准确识别蓄电池强浮充转换的问题，使用蓄电池来进行强浮充转换试验，但蓄电池的充电时间将会很长，降低测试的效率。因为强浮充转换的电流值都会有±2 A的裕量，所以通过增加一路55 Ω/2 A的电阻负载可以完美解决此问题。

3 结束语

本文通过分析电阻负载对于充电机限流试验和强浮充转换试验所存在的测试盲区，提出了使用蓄电池作为负载和优化电阻负载的测试方法。针对城轨蓄电池充电机在实际运行过程中，出现充电电流过流以及输出电流的纹波比出厂调试参数偏大的问题，以时代电气某型号城轨蓄电池充电机为例，结合生产现场实际工况，对以电阻为负载的测试方法存在的问题进行分析和改进，提出了使用蓄电池作为蓄电池充电机负载的测试方法。新的测试方法更接近于蓄电池充电机的实际工况条件，所测得的数据更为准确，通过仿真及现场试验验证了该方法的可行性和有效性。

[参考文献]

[1] 吴晓燕.电力机车用蓄电池充电机充电特性与故障分析[J].技术与市场，2017，24（9）：5-9.

[2] 王烟平.长沙地铁2号线蓄电池鼓包的原因分析及解决措施[J].铁道机车车辆，2017，37（5）：112-114.

[3] 孟令江，刘云龙.蓄电池充电机并联不均流原因及解决方案[J].铁道车辆，2017，55（11）：43-44+51.

[4] 董振华.基于图腾柱和LLC拓扑的车载充电机设计[D].成都： 电子科技大学， 2018.

[5] 唐开宇，尹军，王海燕，等.PWM整流型电动汽车充电机的谐波与超高次谐波分析[J].电力电容器与无功补偿，2018，39（3）：39-44.

[6] 高飞燕，欧阳惠斌，陈曾.基于漏磁变压器的牵引电机用蓄电池充电机的设计[J].电子技术，2017，46（11）：41-44.

[7] 劉磊，张永波，张荣佳.CRH3型动车组充电机检修放电时间计算分析[J].轨道交通装备与技术，2018（2）：14-15.

（责任编辑 白丽媛）