公铁两用牵引车电气设计探讨

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【摘要】公铁两用牵引车是可以在铁路和公路行驶的车辆，主要用于对列车在库房、工位、移车台之间的铁路线路上牵引作业，同时可在基地道路或检修库房普通地面上运行。系统采用电传动方式，以蓄电池为动力电器设计。电器系统具有节能环保，工作噪音不大于60dB，维护量低，传动效率高，采用先进可靠的交流电机，闭环控制系统、无级变速驱动，确保运行安全可靠。

【关键字】驱动器；控制器；电池管理系统

一、设计背景

公铁两用车的电气控制部分主要组成如图1所示：电机驱动控制器：电机驱动控制器是整车的核心部件，控制器接收来自操纵台的的各种主令信号（主令信号主要包括加速、制动、启动、紧急制动等指令），以及各传感器传送的检测信号，通过CAN总线通讯向变频器发送转矩、转速指令控制电机。通过CAN总线把车速、电池电量等信息在显示器上显示。变频器：两用车配备的变频器用于控制牵引电机，对电机采取转矩控制。变频器具有丰富的保护功能，包括过流保护、过压保护和过热保护等，保证驱动系统的安全可靠运行。主要控制对象为驱动电机和油泵电机，也是整车最关键部分，下面分别介绍目前该车的电机主要参数。1.牵引电机。牵引电机选用意大利SME公司生产的MC225型交流电机，该交流电机额定电压48V，额定功率16kW，额定转矩150Nm，额定转速1500r/min，峰值功率可达到47.8kW，峰值转矩314Nm，最高转速4500r/min。牵引电机是鼠笼转子交流电机，寿命长，不需要维护；电机具有0速输出最大转矩的能力，从而获得最大起动转矩。由变频器控制主电机，对电机的控制方式有转矩控制和转速控制2种，可以根据指令切换；回馈制动功能将电机制动的能量给电池充电，提高了电能利用率，延长电池一次充电的工作时间；变频器具有丰富的保护功能，包括过流保护、过压保护和过热保护等，保证驱动系统安全可靠运行。2.油泵电机。除牵引电机外，系统中还有一个泵电机用来驱动油泵。泵电机采用意大利SME公司生产的MT719B2型，额定功率10kW，额定转速1500rpm，可以为导轮、助力转向器和刹车油泵提供动力。

二、设计思路

通过对被控制对象的分析，需要实现一套大扭矩的电动车。电气系统部分的核心在于驱动电机控制，需要实现转矩控制，调频调速，制动控制，能量回收等，驱动电机为交流异步电机。纵观市场，此类控制器也比较多，应用广泛，如叉车、牵引车、代步车、景区摆渡车等类电动车，技术比较成熟，通过系统集成方式完成一套控制系统设计。

三、方案设计

该两用车的电气系统[1]，主要包括整车控制器VCU、电池管理系统BMS、驱动电机控制器、油泵电机控制器、操控系统、显示器和灯光组等，两用车电气控制系统框图如图2：3.高安全性和可靠性a.金属基座提供了极佳的散热性，提升了控制器的可靠性。b.自动防故障功率器件设计。c.硬件看门狗。d.电池电极反接保护。e.输出驱动的短路保护。f.过热保护，警告以及自动关机设置提供了对电机以及电控的保护。g.IP65防护标准，满足恶劣环境的使用要求。4.接口与控制谋型号的123x系列电机控制器使用非常方便，连接好主回路和控制IO就可以完成对电机控制，具体接线图如图3所示。图3123x控制器接线图图中详细给出了控制器的配线图，提供的接口完全满足系统的控制要求。另外该控制器提供了数据显示功能，可以作为选配。5.型号选择123x系列提供了多个型号选择，根据电机型号匹配，驱动电机控制器选择1238-56xx比较合适，最大输出功率可以达到41KW。泵电机控制器选择1236-53xx,最大输出功率可以达到16KW。

3.1电机控制器

通过对市场上蓄电池交流电机控制的比较，决定选择谋公司的123x系列控制器，下面具体介绍该款控制器的特性与应用。1.先进的设计和功能a.主要功能，操作和系统都要优于直流系统。b.0到300赫兹的频率范围，低噪音运行。c.24到80伏的电池电压系统，2分钟运行电流达到350到850安培。d.强大的操作系统，保证了车辆控制，电机控制和用户端程序同时运行。e.先进的脉宽调制技术，保证了电池被高效率利用，减少了电机能耗和扭矩转换的损失。f.科蒂斯的交流控制器可以适配任何型号的交流电机。g.内置了电池电量状态和计时器功能。h.现场调试编程，内置闪存可随时下载软件。2.优异的驱动控制a.使用矢量控制技术，结合科蒂斯的运算法则，保证了控制器能始终提供峰值扭矩和最佳效率。b.扭矩和速度的工作区域非常宽广，再生性能也非常完美。c.内部闭环控制的速度和扭矩模式保证了最优性能，而不需要任何其它的装置。d.通过编程参数设置，调节驱动和制动性能至最佳。e.扭矩控制模式提供独特的性能，保证了平稳转换，并在任何状态下都可以积极响应。f.独有的泵控模式，对液压变化反应敏捷。

3.2整车控制器

整车控制器主要完成和模拟的协调、控制、检测等功能，需要自带的通讯接口（CAN、RS485、RS422），IO接口、模拟输入输出等，主要用于完成各种指示灯、照明灯、报警灯、喇叭等的控制和系统故障的检测等，完成的任务有单一和连锁的，要具有仿制误操作的考虑。整车控制器可以选择在工业中大量使用的稳定可靠的PLC或者自研相应控制主板。最后根据控制逻辑编程实现相应功能。方案中选择经常使用的谋厂家CX5040型号。采用PLC优点就是系统搭建方便，方便整机部署调试。

3.3电源转化HV-LV

HV-LV高压转低压模块主要完成低压设备的供电[2]，为了增加抗干扰，系统选择隔离DC-DC来实现。低压负载主要为图4.1中蓝色代表的模块，主要为模块中的电路板、喇叭、指示灯等，根据对负载的计算，选择功率为200W的DC/DC电源模块。此类模块市场比较多，选择是要充分考虑可靠性和冗余量，这里选择谋公司的300WLD300E-M电源，该模块工作可靠，可工作在-40℃~85℃之间，安装方便，利于散热，适合汽车电子使用。

3.4电池管理系统（BMS）

电池管理系统是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带[3]，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。传感器选择某公司的YX-S蓄电池智能参数传感器单体型，主控通过485接口连接各蓄电池传感器，可精确对蓄电池进行管理，保证蓄电池使用安全性可靠。

3.5安全控制

安全控制主要由电锁、急停开关、充电互锁开关组成，电锁和电动车的电锁功能一样；急停开关提供紧急情况下的断电，急停开关位于车前后左右四个位置；充电互锁开关主要解决行驶和充电不能同时进行，通过双向开关完成。

3.6蓄电池

蓄电池选择48V/125Ah电池，循环不小于1500次充放电，通过10块电池并联使用，可做到48V/1250Ah,保证最大功率和续航能够满足整车电器需求。

四、结束语

公铁两用牵引车系统设计通过对整车电气需求的分析，采用系统集成方式选择匹配的电控设备，完成一正套电气系统设计。设计充分考虑了运行指标，操控性，安全性，可靠性等。实际技术指标还需要配合公铁两用牵引车机械结构进行整机调试，优化电气和机械结构的配合，获取实际的测试参数。王文伟（1984-10），男，汉族，陕西黄陵，本科，工程师，主要从事自动化控制研究。

参考文献

[1]莱夫.汽车电气与电子[M].北京：北京理工大学出版社,2014:22.

[2]徐德鸿,马皓,汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社,2006:31.

[3]徐晓明.动力电池热管理技术[M].北京：机械工业出版社,2018:45.

作者：王文伟 单位：西安翔迅科技有限责任公司