一种电气化公路受电弓的控制系统设计

周 超,张华俊

中车株洲电力机车有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

国际能源署(IEA)提出,公路货运电气化已成为发展方向,并预测到2050年,36%的重型货运卡车将采用受电弓方案。2017年,交通运输部、财政部等14个部门也在文件中提出要全面推动城市货运车辆电动化的进程。

传统公路运输中重型卡车燃油车污染高,《中国机动车环境管理年报2018年度报告》数据显示:占汽车保有量3.4%的重型柴油货车和大型客车(分别为84万辆和617万辆)的尾气污染物排放分别占全部汽车CO、HC、NOx和PM总排放的25.7%,32.0%,70.8%和75.2%。

一般电动储能式卡车续航差,一般电动重卡续航里程为300 km左右,还需要配套的充电设备,在极冷环境下,续航还会缩水,电池也存在使用寿命的问题。而采用轻量电池加接触网的形式,能够既保持车辆续航性又解决碳排放的问题,有接触网随时给车辆提供动力,无接触网时采用其轻量蓄电池能够短时间内继续行驶。

车辆从电网取得电力,驱动卡车行驶。其中受电弓是最重要的部分,但受电弓一般应用在城轨、高铁、地铁和部分公交车上,公交车上的受电弓长6 m,只适用于时速40～50 km,而且不支持动态升降,接触面小,高铁上的受电弓虽然可以随时动态升降,但是成本很高,而且列车网和汽车网采用的是不同的通信网络。所以要专门针对电气化公路的受电弓进行二次设计。文献[1]中提到了用受电弓进行取电的方式,文献[2]也对接触网公路受电弓进行了研究。本文对受电弓控制设计和通信网络进行研究。通信网络设计部分基于汽车行业标准的CAN总线协议进行设计。控制部分通过选用运动控制器、布置压力开关、采用行程开关对受电弓的升降进行控制,并对状态反馈、脱网检测进行了设计。在我国首条电气化公路示范线进行实际运用装车考核,各项指标均达到运用标准。

1 工况对比

分析铁路运输和公路运输的不同工况,见表1。

表1 铁路和公路运行工况对比

针对电气化公路受电弓的运行工况,需要从以下几个方面进行设计。

1)通过CAN网络与车辆建立网络通信,接收车辆控制指令。

2)针对公路运输复杂的运行路面状况,需及时反馈自身状态给车辆,确定是处于升弓搭触接触网状态还是降弓折叠状态。

3)针对公路运输中特殊情况,车辆搭网取电行驶过程中可能开出接触网范围时,需要对受电弓进行降弓保护。

2 设计过程

受电弓控制系统包括通信模块、接触网脱网监测、受电弓升降弓监测、控制处理、升降弓控制几个部分。控制流程图如图1所示。

图1 受电弓控制系统程序流程

2.1 受电弓控制系统接入车辆网络

高铁受电弓通信系统为MVB(multifunction vehicle bus)多功能车辆总线,或者TRDP(train real-time data protocol)协议,用于轨道交通实时以太网络,均不符合汽车行业通信标准。汽车行业采用CAN(controller area network)总线协议进行通信,CAN通信通过ISO11898及ISO11519进行了标准化,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议,所以本设计选用一款支持CoDeSys编程和CAN通信的运动控制器进行开发。受电弓控制系统采用CAN通信接入车辆网络。

信号传递的设计分为车辆发送给受电弓的控制信号和受电弓发送给车辆的反馈信号。首先对车辆和受电弓之间的数据通信进行通信协议的定义。数据长度均为8字节,对每个字节的位进行点位定义,包括信号名称、信号描述、起始字节、起始位、信号长度和数据类型。车辆到受电弓的控制命令定义如表2所示。受电弓控制系统到车辆的信号定义如表3所示。

表2 车辆控制信号

表3 受电弓状态信号

2.2 受电弓升降弓状态监测

CoDeSys程序中定义2点和3点的IO引脚,通过控制器IO监测压力开关的点位的通断状态,判断升弓降弓是否到位(见图2)。

图2 升降弓状态点位定义

在受电弓气路中增加压力开关来检测升降弓状态,预设升弓时的压力值,当进气压力P大于设定值时,压力开关1～3点接通、1～2点断开,表示压力已达到升弓气压,升弓到位。当进气压力P小于设定值时压力开关1～3点断开、1～2点接通,表示已达到降弓气压,降弓到位(见图3)。

图3 压力开关工作原理图

从程序接收到车辆CAN网络的升弓信号,到升弓到位这段时间为升弓过程。在CAN网络升弓指令给出一定时间后判断气压是否达到升弓条件,从而判断升弓是否有异常。

从程序接收到车辆CAN网络的降弓信号,到降弓到位这段时间为降弓过程。在CAN网络降弓指令给出一定时间后判断气压是否达到降弓条件,从而判断降弓是否有异常,异常均通过CAN网络发送给车辆,以便车辆进行判断。

2.3 升降弓控制

受电弓的升降弓由升弓阀的得电时间控制,升弓阀得电时受电弓气路打开,受电弓气囊做功顶起受电弓下臂进行升弓。升弓阀失电时受电弓气路关闭,并进行排气,受电弓降弓。

快降阀是在降弓过程中加快排气的设备,得电时快速排除气囊气压,实现快速降弓。升弓阀、降弓阀共同控制受电弓的状态,控制状态见表4。

表4 升降弓阀控制受电弓状态

控制系统接到车辆的升降弓指令后,通过IO输出引脚控制升弓阀和快降阀的得电时间,控制气路气压,从而实现升弓和降弓。CoDeSys程序中定义DO_X12引脚控制升弓阀,DO_X13控制快降阀(见图4)。

图4 引脚控制升弓电磁阀和快降电磁阀通电

2.4 接触网脱网监测

车辆由于行驶运行时,受到线路条件、司机驾驶水平、道路颠簸、让车等影响,存在左右位移超过车顶接触网线的情况,此时需要受电弓快速降弓以防止刮蹭接触网。

通过在受电弓碳滑板两端加装限位开关,触发后判断为脱网状态,受电弓自动快速降弓,同时发送故障信号给车辆,起到保护作用(见图5)。

图5 微动开关安装位置

限位开关选用微动开关来实现,当接触网压到机械限位时开关闭合,通过控制系统的IO检测开合状态来获取脱网信息。开关一端由控制器供电,另一端检测电压来判断是否接通(见图6)。

图6 引脚读取微动开关通断状态

CoDeSys程序中定义DI_X02引脚、DI_X03引脚分别来检测2个微动开关的通断状态(见图7)。

图7 微动开关工作示意图

3 应用效果

受电弓控制器搭载在受电弓上,并接入车辆CAN网络总线,供电后接收车辆控制信号后,受电弓正常升降,表示网络通信功能正常、受电弓动作控制正常。通过车辆显示屏能够显示受电弓处于升弓状态表示状态信息反馈正常。车辆在经过起伏路、上下陡坡、搓板路、紧急制动各种工况下,受电弓仍然保持正常受流。车辆在运行过程中特意偏离接触网,微动开关正常触发,受电弓自动降弓,表示脱网监测功能正常,应用效果见图8。

图8 现场应用

4 结束语

本文根据受电弓在电气化汽车行业装车的条件,提出一种基于CAN网络的控制系统设计方案,满足了受电弓在电气化公路上的运用条件,具备状态检测和接触网脱网保护功能,能更好地适应公路的运行状况。并且搭载在电气化公路示范线卡车的受电弓上,在电气化公路示范线上运行通过了考核。