摘要：文中介绍了内燃机车蓄电池智能充电器的设计方案，以及LEM型电压、电流传感器在充电器中的具体应用，说明了传感器的选型及外围电路的设计、参数配置、电磁兼容设计等方面的问题。
　　关键词：内燃机车蓄电池；智能充电器；LEM型电压、电流传感器
　　0．引言
   在铁路内燃机车上使用的蓄电池组为300—500Ah的免维护铅酸蓄电池，目前普遍采用的充电方式，是用内燃机车上的辅助发电机输出的DC110V直流电压，通过限流电阻直接对蓄电池组进行充电。这种恒压充电方式虽然使用电阻对充电电流进行了，但电阻这种靠两端的电压降来限流的方式是十分粗糙的。当电池严重亏电时，蓄电池的电压较低（如低于DC88V），充电电流将会很大（有时可达到几百安培），很导致电池损坏。本文所介绍的内燃机车蓄电池充电器属于智能型充电器，可以灵活设定充电模式及充电电流限流值，对充电电流进行自动调节，延长了蓄电池的使用寿命。系统同时还兼顾了对蓄电池的状态管理，对蓄电池的故障状态给出预报，指导机务段的检修作业。
　　1. 蓄电池智能充电器系统介绍
   蓄电池智能充电器对单使用恒压的充电方式进行改进，引入了自动限流充电模式。由于系统中的充电电流是通过DC/DC变换器的输出来实现的，所以比传统的电阻限流为。
充电过程中，当蓄电池电压比较低时，先采取电流充电。此方式有3个充电电流档：19A，25A，50A，在充电电压的基础上，分别将充电电流到相应的数值。充电时，通过单片微机先使用电流充电，随着充电电压的升，然后依次将充电电流值降低，进行恒压充电（充电电流较小）；当蓄电池电压充到接近额定电压之后，充电转为的恒压浮充电方式。上述的复合式（多种充电模式）充电方式，可以克服传统充电方式中可能出现的充电电流过值，在对蓄电池的充电过程中，既地了充电电流，又具有很快的充电速度。充电器对蓄电池组的充电过程按照蓄电池自身的充电特曲线进行，蓄电池的固有特，降低了充电过程中对蓄电池造成损坏的可能。
   本充电器系统还具有智能化电池管理功能。充电器可以采集、储存每个单节电池的运行数据，可以通过USB口进行数据转储。地面分析软件的人机界面经过对这些数据的分析和计算，预测出相应电池的寿命，给出电池损坏情况的不良概率。现场检修人员可以根据这些数据对相应电池进行及时维修和换，防止由于单节电池的损坏造成整组电池的报废，这就提了机务段的检修作业效率，降低了检修成本。
　　2. 蓄电池智能充电器的原理与组成
    充电器的主电路原理图，如图1所示。
 

 
    图中DC/DC变换器采用桥直流变换电路，C1为输入侧的滤波电容，参数为10000F/250V。C5为IPM模块的吸收电容。IGBT管T1至T4组成逆变桥两个桥臂。Tr为频变压器。变压器副边采用频波整流，D1和D2为整流二管。L为输出侧滤波电感，电感量150H，C2为输出侧滤波电容，参数为4700F/250V。
   充电器的容量为约5kW，额定电流45A。主电路的输入电压为内燃机车辅助发电机发出的DC110V电源，允许输出有±1的波动。系统中DC/DC变换器采用桥变换电路。输入的直流电压由单相逆变桥逆变成频交变的方波电压加在变压器的原边。经过频变压器进行变压后，副边交变的方波电压由波整流电路整流成直流方波电压，经LC滤波输出直流电压，供给蓄电池充电。 
   充电电路中还引入了针对变换器输入侧滤波电容C1的预充电辅助电路，在投切辅发电源到主电路之前，先接触器将预充电电路投切到主回路上，用蓄电池组上的剩压对电容C1进行预充电，当电容上的电压达到值后，再由器接触器将DC110V电源投切到主回路上，充电器进入正常工作状态，由器主回路对蓄电池进行充电。
   在充电过程中，需要使用传感器充电电流、充电电压，以及蓄电池温度，由单片微机进行模式识别和切换。各传感器在主电路中的位置如图1所示。DC/DC变换器的输入侧，使用电流传感器A1采集输入电流，用来对电路进行过流保护；LC滤波电路的输出侧，使用电流传感器A2和电压传感器V1分别蓄电池的充电电流和充电电压。单片微机根据此电流值和电压值确定相应的充电模式，产生充电电流和充电电压的给定值，输入到电流和电压的PI调节器，与充电电流和充电电压起进行闭环。zui后，两个PI调节器的输出取zui小值，驱动PWM波发生单元产生相应占空比的PWM波形，IPM产生充电过程中的充电电压和充电电流。
   充电过程中的充电电压值和充电电流值决定着充电系统的工作模式，输入电流用于对电路的过流保护，它们的稳定、、线形度等直接决定着系统的工作能与输出指标。所以，相应这些电量传感器的选择显得十分重要。
　　3.  LEM型传感器在蓄电池智能充电器中的应用
3.1  LEM型传感器的特点
   LEM型电流传感器是基于霍尔效应的闭环电流传感器，是种模块化的有源电子传感器。它的内部把互感器、霍尔器件和电子电路很好地加以结合，既有普通互感器测量范围宽的优点，又兼顾了电子电路反应速度快的长处。同时，LEM型电流传感器内部应用了磁通平衡原理，内部聚磁环的副边电流和原边电流保持固定比例，可以根据副边电流值间接得到原边的被测电流值。传感器外接的测量电阻Rm将副边的电流信号转换成电压信号Vm。所以，通过测量电阻Rm上的电压值，就可以zui终得出要测量的主电路电流值。LEM型电压传感器的原理，与电流传感器基本相同，不同点只是用户需要在传感器的原边电路上串联个电阻，将电压信号转换为电流信号，然后按照与电流传感器类似的方式进行测量使用即可，十分方便。
   LEM系列传感器实现了主电路与（）电路之间的电气，具有转换，强，工作频带宽，工作等特点。足够宽的工作频带可以地反映蓄电池在充电过程中电压和电流量的变化情况，降低了测量误差，提了，为器实时进行充电模式的切换，实现电路故障判断并采取相应的保护提供了可靠的。LEM型传感器强，经过实际的长时间上车带载调试，能十分稳定，没有发生因为干扰而导致的工作异常现象，是系统的重要保障。LEM传感器能内燃机车内强振动、环境温度等较严酷运行环境的要求，实践证明其适合在铁路车载设备上应用。
3.2  系统中LEM型传感器的选型与安装
   电流传感器：系统中共需要2个电流传感器A1和A2，分别测量DC/DC变换器的输入电流和蓄电池的充电电流。
   （1） 电流传感器A1：系统中DC/DC变换器的输入侧额定电流为45A，考虑到输入电流波动要留出的裕量，采用LEM型电流传感器LT108-S7测量输入侧电流。
传感器主要参数：原边额定值电流：IPN=100A；测量范围：0—150A；副边额定值电流：ISN=50mA；总=0.6%；线度<0.1%。
   （2） 电流传感器A2：蓄电池的充电电流限流值zui大为50A，所以，选取原边额定电流为50A的LEM型电流传感器LT58-S7测量充电电流。
   传感器主要参数：原边额定值电流：IPN=50A；测量范围：0—70A；副边额定值电流：ISN=50mA；总=0.8%；线度<0.2%。
   电压传感器：系统中使用了个电压传感器V1，测量蓄电池的充电电压。
   系统中充电电压额定值为110V，选取LEM电压传感器LV28-P测量蓄电池组的充电电压。
   传感器参数：原边额定值电流：IPN =10mA；副边额定值电流：ISN =25mA；总=0.6%；线度<0.2%。
   系统中输入电流的传感器LT108-S7和充电电流的传感器LT58-S7，使用螺丝固定在支架上工作。
   系统中充电电压的电压传感器LV28-P焊接在传感器板上，使用螺丝固定在充电器基座上。
　　4．传感器外围电路的设计和参数配置
4.1  传感器输出信号的调整电路
   传感器的输出需先经过调整电路调整成需要的模拟量，再供给单片微机系统进行A/D转换，得到相应的电流和电压值。充电器中使用的信号调整电路如图2所示。 

   调整电路的*，由运放构成的波整流电路将输入端的交流量整流为直流量。由于经过波整流后的直流量为负，所以波整流电路后面，加上了第二反相变换电路。这样，方面可以将直流输出量的反相为正，A/D转换的要求；另方面可以通过反馈支路上的电位器对调整电路的zui终输出值进行调节，A/D转换的幅值要求。zui后，反相器的输出接入由二管构成的电压钳位限幅电路，对调整后的电压进行限幅，单片微机的A/D输入通道对电压的要求。
4.2 传感器配置电阻的选择
   对于LEM型电流传感器负载电阻的选择，先应传感器的要求，阻值在规定的范围之内；其次，还要和调整电路相互匹配，调整电路的参数。要防止负载电阻两端的电压在输入调整电路之后，导致输出波形失真。图2中波整流电路的输入量不能过电路中运放的供电电源12V。负载电阻选得过大，可能导致输出波形失真，引入测量误差。这就是说，过大的负载电阻会被电流量和电压量的幅值范围，使传感器的测量能力不能发挥。另方面，若选得太小，在整个电流范围内，转换得到的输出电压都很小，由于A/D转换器的，zui后转换的数字量对被测信号的分辨率很小，会测量。因此，在选择负载电阻阻值时，应综合上述两种情况折中考虑；再者，负载电阻的取值对传感器的线度也有影响，选取负载电阻的阻值时应综合判断合理选择，传感器的线度*。
   依据上述原则，系统中各传感器的负载电阻值zui后选取为：输入电流传感器负载电阻选取150；输出电流传感器负载电阻选取150；输出电压传感器负载电阻选取300。
   对于电压传感器，输入电路所串外部电阻的选取也应注意，它决定着被测电压与原边电流的比值，同时对传感器的线度也有影响。系统中电压传感器测量的是110V直流电压，选定的外接电阻为15K。根据该值可以得出正常状态下原边的输入电流为IPN=10mA>7.3mA（110V/15K），传感器的相应参数范围要求。经过实验调试，系统中电流、电压传感器输出的线形度得到了很好的。
4.3 电磁兼容设计
   内燃机车充电器系统的电磁环境较差，干扰较强，但系统运行的、却要求较。因为内燃机车内部电磁环境十分复杂，干扰，有多种电气设备共存，其中有很多大功率开关设备；另外，系统中使用了IPM频DC/DC变换器，也会引入的频干扰；而系统中使用的单片微机器，要求运行的电磁环境好，才能信号的，这就对系统的电磁兼容设计提出了要求，必须精心考虑和设计。
   在充电器系统中，采取了些电磁兼容方面的设计，列举如下：
  （1）    使用模块电源，各处供电电源分散供电；
  （2）    信号线分开走线，远离大电流通路，频变压器，功率开关器件等干扰源；
  （3）    在采样信号端使用频滤波网络电路；
  （4）    对单片微机的输入、输出信号线，晶振电路等采取设计；
  （5）    在传感器的调整电路输入端加接LC滤波网络电路。
　　5   实验结果与波形图  
 

                         图4 频变压器输出波形
   充电器系统经过了满功率考核试验和实际装车运用考核试验。在直流110V充电电压下，充电电流达到50A，恒流充电模式运行，系统运行正常。系统能够实现很好的故障保护功能。图3给出了实验时IPM模块中个桥臂上下两个IGBT的驱动信号。从波形中可以看出，该时刻IGBT的开关频率为9.52kHz，上下桥臂互补通断。但要注意的是，图示信号经反相后才用来驱动IGBT管。通过该波形可以分析出两个驱动脉冲之间已加上了死区时间，防止同桥臂的上下两个管子直通故障。图4给出了DC/DC变换器中频变压器次边的波形。通过波形可以看出，逆变桥开关管在关断过程中会引入些电压。
　　6．结论
    实验结果和装车考核试验表明，内燃机车蓄电池智能充电器的设计可以机车的实际运用要求，实现了恒压充电过程中的自动限流充电，提了充电的效率和质量，大大减轻了充电过程对车载蓄电池组的损坏程度。系统中，LEM传感器测量信号实时、，故障保护，稳压、限流等功能和测量的要求。传感器的外围接口电路、供电电源、布线、电磁兼容设计等均要求，设计合理。目前充电器已经通过了现场装车运用考核，可望实现批量装车，扩大市场。 
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