蓄电池充电系统在动车组上的优化应用
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[摘 要]论述随着电子信息产品普及，高速动车上的应急供电和其他额外供电，蓄电池被广泛应用，然而蓄电池相关控制技术的研究一直处于停滞状态。高效、节能的蓄电池充电技术一直是阻碍蓄电池技术发展的关键问题。从Ni-Cd碱性蓄电池的充电特性出发，通过对Ni-Cd碱性蓄电池常用充电方法的研究，提出了基于模糊控制的智慧化充电方法。该充电方法主要解决充电过程中的极化问题，相比常用的充电方法，该充电方法更接近马斯所提出的完美充电曲线，提高蓄电池使用寿命。此系统可以工作于模糊控制充电模式，恒流充电模式和正脉冲充电模式。实验结果表明，采用模糊控制充电模式可以大大提高电能的利用率，并实现快速的充电。
[关键词]Ni-Cd碱性蓄电池 DPS 模糊自适应PID 斩波电路 全桥整流电路 快速充电 MATLAB
中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0136-01
1引言
蓄电池的功能是：在系统故障情况下（缺少接触网电压，牵引变压器或变流器故障，蓄电池充电机故障等）确保向重要负载供电。通过充电机智能向蓄电池合理进行充放电，智能控制部分是整个充电装置结构的核心，负责对电池进行检测并将检测回来的信号进行处理，以便鉴别蓄电池的好坏、智能控制充电和停止充电。
2常用的蓄电池充电与停止充电方法
2.1 恒电流充电方法
恒流充电是指在充电的过程中，把整个过程分为几个部分，其各部分设定适合的电流，此方案长时间工作使电量饱和。可以应用于串联电池的充电系统。该方法的缺点是：整个过程需要较长的充电时间，其效率也不理想，而且其电能消耗比较大，也不能达到节能的目的。
2.2 恒电压充电方法
恒电压充电是将充电对象电压保持恒定，一般情况下，其不能独立的给电池充电，需要配合一定的电流变化一起构成系统才能进行充电。整个充电的过程中电流的值不断减小，而电压却保持恒定不变。
恒压充电与恒流充电相比，整个过程中，产生极化现象比较前者少很多。充电效率比较高，充电时间相比恒流充电要少很多。
2.3 停止充电的方法
电池充电系统中，除了消除极化以外另一个要解决的问题就是防止过充。根据Ni-Cd碱性蓄电池的化学反应原理，过充将会造成电池温度上升、电极板加速损坏、电解液不断分解，导致蓄电池彻底损坏。因此，当蓄电池充满后，必须控制电池停止充电。控制停充的方法主要有以下几类：（1）定时控制；（2）根据电池温度控制；（3）电压负增量值控制；（4）电压导数控制法。
3充电系统采用充电方法和停充控制策略
3.1 快速自我调整调整充电方法
通过对Ni-Cd碱性电池充电原理的分析，常规的充电方法优缺点的比较，得出快速充电系统设计时的原则：
在充电过程中，其电流随时间逐渐减小，符合马斯的最佳充电规律。充电系统要有消除极化的装置，消除极化的效果越好，充电速度就越快。
本文快速自我调整充电方法是依据上边的三点原则提出的。三个部分组成该方法：恒流充电阶段，脉冲充电阶段，恒压补足充电阶段。
（1）分析蓄电池的化学充电原理可知，在充电的开始阶段应采用合适的电流进行充电，在其可以接受的电流范围内，采用较大电流充电可以节省充电的时间。当其端电压到达14.7V（析气电压）时，停止恒流充电，进入到下一充电过程。（2）分析上述的常规脉冲式充电方法可知，脉冲充电主要是由正脉冲、前停充、负脉冲，以及后停充四部分组成。分析根据马斯最佳充电曲线可知，充电过程中逐渐减小电流可以加速充电的过程。前脉冲电流相比后脉冲相对比较大。（3）补足充电阶段：整个充电系统的最后一部分就是恒压补足阶段。它主要检测脉冲充电阶段停止的标志位，防止过充和欠充。
4模糊自动调节PID控制器仿真模型研究
本模糊系统的核心是模糊控制器，输入量与输出量之间的关系是关键部分。本文利用Matlab/Simulink仿真环境，对模糊控制器仿真和调试。
4.1模糊化
对本系统和传统模糊控制的分析，我们采用KP、KI、KD作为该系统的输出参数，整个系统动态运行中，由于电压的变化值E以及动态变化误差Ec容易测量和控制，则作为该系统的输出。其中， 和 。高斯隶属度函数的平滑性好，可以将输入的误差和误差变化率控制在一定范围内。根据要求选取三角隶属度函数作为PID的三个输出函数。三角隶属度函数有较高的动态响应速度，计算速率较快。
4.2模糊规则设计
因为整个控制系统根据输入量的变化，分析响应和预期达到控制的彼此关系，调整PID三个输出量，最终达到系统最佳的状态。
利用MATLAB/simulink仿真平台，输入FUZZY模块，建立模糊控制器的仿真模型。
图7-4 控制规则的三维表面效果图
4.3本系统电压控制部分实验和结论
Simulink中利用delay模块可以实现电压检测滞后性仿真。其中 ，T2为0.01s；这个系统输入电压为12V；干扰值设定为0-0.05V；Kp=12， Ki=0.001， Kd=0.5，比例因子均为1；Kp、Ki、Kd的决策因子设定为0.15、0.001、0.1。与常规PID控制相比，模糊自适应PID控制下的超调量明显减少。系统稳定性比传统PID更好，并且具有更高的鲁棒性。
4.4 本系统电流控制部分实验和结论
电流环仿真过程中，同样可以利用Simulink中的delay模块可以实现电流检测滞后性仿真。与常规PID相比，电流环采用模糊自适应PID控制方法，动态响应更稳定、快速，抗干扰能力更强。
5 蓄电池快速充电在新一代高速动车组中的应用
每个蓄电池充电器（CBS）提供输出DC24V（B1+，Lp和+B），由变压器整流得到，分别给相关车辆的LV负载供电，并且为相应蓄电池组件（B）充电。电源供电B1+和+Lp被连接到编组的每个车辆中的电气柜上，目的是在考虑以下可能性为每个车辆的LV负载供电：
（1）大容量负载（制动、照明、牵引和辅助变流器控制系统等）。（2）冗余性负载或系统（信号接收器、驱动和控制、在控制台上的信号等）。（3）应急负载（防滑，防火系统试验，内部，外部司机室照明和緊急照明等）。（4）列车待运行条件下的负载（受电弓，压缩机，空调系统等）。充电机电器部件均密封在防水箱体内，充电机包括机械回路、功率电气回路及控制回路，功率电气回路需要冷却，安装散热器通风扇使空气对流防止形成局部热点。中低压功率连接通过箱体防水导线管到达端子，同时通过连接器实现信号连接。
6结论与展望
本文主要阐述了充电机对蓄电池的充电过程在新一代高速动车组单车调试中的应用，并详细分析了常用充电的过程和采用快速自适应充电系统的过程，由于充电机不同版型和采用不同充电方式是高速动车组制造过程中，可以便捷、准确的实现车辆蓄电池快速充电及单车功能控制的检测，随着不同平台的网络控制型车辆的不断开发和引进，在未来的高速动车组制造中，和以后技术发展后，适用电池快速充电的控制方法也会随之发展，实现高速动车组充电机和蓄电池更稳定的使用调试。
参考文献
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2000.
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术.西安：机械工业出版社，2000.
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