北京地铁DKZ16型电动客车的蓄电池工作模型与充电机设计机理

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摘要：蓄电池的工作原理就是化学能与电能相互转换的变化规律，其作为一种性能可靠的化学电源，其应用价值与日俱增，日益广泛地运用在公共交通部门的设备中，已经成为这些设备中最重要的关键系统部件之一。但是蓄电池在使用中存在问题，就会缩短使用寿命，为此需要延长蓄电池的使用寿命，建立良好的充电系统。而一个智能的充电系统应建立在良好的充电方法和高效的充电电源的基础。本文首先概述了蓄电池充电公式与基本理论，分析了北京地铁dkz16型电动客车蓄电池应用现状与存在的问题，探讨了蓄电池智能充电技术的构建，最后明确了北京地铁DKZ16型电动客车蓄电池智能充电的应用效果。

关键词：北京地铁；DKZ16型电动客车；蓄电池；智能充电

1 蓄电池充电公式与基本理论

1.1蓄电池充电公式

蓄电池的一个充电周期按时间可分为三种状态：大电流快速充电状态，过充电状态和浮充电状态。其充电参数主要有浮充电电压Vf、过充电电压Voc、最大充电电流Imax、过充电终止电流Ioct等。它们与Ra、Rb、Rc、Rs之间的关系可以从下面的公式反映出来：

Voc=Vref（1+Ra/Rb+Ra/Rc）

Vf=Vref（1+Ra/Rb）

Imax=0.25V/Rs

Ioct=0.025V/Rs

Vf，Voc和Vref成正比。Vref的温度系数是-3.9mV/℃。Imax，Ioct，Voc，Vf可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受，Imax的值可以尽可能地大。虽然某些厂家宣称如果有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C，但是电池厂商推荐的充电率范围是C/20～C/3。Ioct的选择应尽可能地使电池接近100%充电。合适值取决于Voc和在Voc时电池充电电流的衰减特性。Imax和Ioct分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的电阻Rs决定。Vf、Voc的值由内部参考电压Vref和外部电阻Ra、Rb、Rc组成的网络决定。

1.2 蓄电池充电基本理论

蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下：

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

2 北京地铁DKZ16型电动客车蓄电池应用现状与存在的问题

2.1 北京地铁DKZ16型电动客车蓄电池的应用现状

北京地铁2号线现运营车辆均为DKZ16型电动客车，采用的是三动三拖6辆编组形式，车辆采用受流器第三轨供电方式。DKZ16型电动客车蓄电池采用的是国际知名品牌，法国进口Saft公司生产的型号为SRM 140 FR的蓄电池产品，采用免维护、碱性镉-镍蓄电池，每节电池额定电压为DC1.2 V，额定容量140 Ah，一组蓄电池共76节，DKZ16型电动客车每列车配有2个蓄电池箱，每个蓄电池箱配有一组蓄电池组。

蓄电池不仅为车辆低压电路提供电源，还提供车辆在紧急情况下的车辆负载要求。根据车辆辅助供电系统电源技术规范，单节蓄电池浮充电压为1.45V-1.55V，列车在无网压时，蓄电池的容量能够供给电动客车内部紧急通风、客室应急照明、司机室照明、前照灯、尾灯、车侧灯、仪表灯、列车广播、无线电台、车门控制、车载安全设备、火灾预警系统、列车TMS系统等系统工作45分钟，45分钟后仍可起动辅助供电系统。同时考虑到紧急状态下可能出现的各种情况，为了充分发挥广播系统在紧急情况下的作业，重点将LED信息显示单元列在蓄电池供电的应急状态范围内，并能在列车无网压工作45分钟后保证电动客车开关一次车门，将列车在无网压情况下的各种负载要求考虑在内，充分保证电动客车在无网压紧急突发事件时能够顺利完成乘客疏散工作。

2.2 北京地铁DKZ16型电动客车蓄电池存在的问题

随着电动客车的长期运行，运行公里数的不断增加，装载在电动客车上的蓄电池组随着电动客车的启动与断电作业，蓄电池组将进行重复性的充电与放电过程，每经历一次充电和放电，称为一次循环或一个周期，蓄电池组的容量也将不断下降。蓄电池组的寿命长短与使用维护的好坏、使用的环境温度等外界因素有关。为保证蓄电池电解液水分充足，每两年加一次纯水，3年后（即车辆运行公里数达到40万公里）将需要在充电机进行充放电工作。由于此蓄电池是免维护型，即在电池的工作寿命内，只需要在充电机上进行充放电后就可恢复其容量。虽然此型号蓄电池组属于世界先进、免维护型的，但也需要后期的维护保养。如不能对蓄电池组进行合理的充放电或不满足各项充放电指标，将会对蓄电池组带来致命的损伤，蓄电池组的带载能力将明显下降。

由于DKZ16型电动客车比旧车DK16A型电动客车蓄电池容量明显提高，由原来的50 Ah提升为140 Ah。原有蓄电池充电设备已不满足现电动客车蓄电池组充电要求。如果对原有设备进行维修，需对充放电电流值、电压值重新设计，以此带来的费用极高。其次原有充电机只能一次对一组蓄电池充放电，另一组蓄电池只能等待，拖延了工作时间。

3 蓄电池智能充电技术的构建

3.1 智能充电要求

（1）避免蓄电池充电过量或充电不足过充会使蓄电池内部温升过大、出气率上升，导致正极板损坏，从而影响电池的稳定性乃至寿命；欠充电会使负极板硫化，蓄电池内阻增大，容量降低。因此一定要掌握好蓄电池的充电程度；（2）控制放电电流值即放电速度蓄电池放电电流越大，再充电时可接受的初始充电电流值也越大，有助于提高再充电的速度。但是，蓄电池放电电流流经内阻时产生的热量会引起温度上升，因而放电电流不宜过大；（3）避免深度放电根据蓄电池充电电流接受比第一定律，对于任意给定的放电电流来说，蓄电池充电电流接受比与它已放出的电荷量的平方根成反比，因此放电深度越大，蓄电池放出的电量越多，蓄电池可接受的充电电流就越小，这将减慢蓄电池的充电速度；（4）注意环境温度的影响蓄电池的放电电量随环境温度的降低而减小，因此在不同的环境温度下，应该掌握不同的放电速度和放电程度。

3.2 智能充电器的实现

在设计中，综合考虑以上情况，设计了以下充电曲线：见图3-1。

图3-1：智能型充电器的充电电流、电压曲线

第一段快充和第三段涓流充电都是以恒定的电流给蓄电池充电，第二段慢充是以恒定的电压给蓄电池充电。电池的充电电流由第一段大电流逐渐过渡到第三段小电流。这种充电方法结合了恒压充电和恒流充电的优点，避免电池造成的瞬间大电流冲击，又避免了大电流恒流充电可能带来的过充电现象，而且第三段涓流充电（小电流充电）可以保证在不损坏蓄电池的基础上能够最大程度地给蓄电池充满电。这种方法比较有效地模拟了铅酸蓄电池的最佳充电曲线，起到了良好的充电效果。

3.3 89C51单片机的应用

我们选用了实用的单片机89C51。89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的89C51提供了高性价比的解决方案。89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.4 充电器的控制过程

单片机的运行程序主要为适时检测1N0～1N3四路模拟量，然后进行分析、判断。在快充阶段（t0-t1），充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制快充时间避免过量充电；在慢充阶段（t1-t2）单片机输出控制信号以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束由慢充进入涓流充阶段；在涓流充阶段（t2-t3）单片机输出控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。

该系统选用ADC0809实现数据的采集，ADC0809内部设有锁存器和8通道多路开关，用它即能完成多路转换，又能完成A/D转换。采用定时采样方式，每隔一定时间中断一次，在中断过程中完成数据的采集。初始化程序应使充电器在开机时对蓄电池不进行充电和放电，并使指示灯熄灭。测量程序的任务是对每个通道采样一遍，采样结果送IC2（89C51）分析处理，IC2（89C51）对采集的数据与标准设定值进行比较，分别调用不同的充电子程序，完成充电器标准三段充电的要求。充电电流调整程序要体现某种智能化，必需根据蓄电池电压、前次触发脉冲的电角度、充电电流和预定的充电电流确定本次触发脉冲的发出时刻。

4 北京地铁DKZ16型电动客车蓄电池智能充电的应用效果

为保证充电机能够满足车辆段生产安排，KGCD型充电机具有免维护免看管功能，核心装置变流器采用全数字变流系统，并配备PLC可编程控制器，利用强大的软件控制能力组建高自动化、智能化设备管理及控制系统的保障，系统的监控、所有操作、参数的设定等均通过巡检、接收、分析、执行、反馈、存档六步骤进行，并利用直观的人机界面对设备进行操作，使操作人员在毋须大量培训的情况下，亦能靠直观的人机界面对设备进行操作使用，快速掌握在触摸屏上进行各种工作模式的操作和修改控制参数。充电机设备主要由以下模块构成：变流模块、CPU、触摸屏、整流变压器、平波电抗器、BBC拼装柜体、CD触控软件。变流模块根据充电机采用标准充电和快速充电两种充电模式，分别采用36A和72A两种变流模块型号，采用的是欧陆公司ER系列产品，性能稳定可靠。采用先进的整流变压器和平波电抗器，使得控制精度在U≤3‰，标准充电和快速充电的输出功率、输出电流、输出电压均达到标准设定值。

此充电机全新设计成两路充放电系统，一路为标准型，另一路是快充型。并且两路系统可分别独立运行工作，亦可同时运行工作，互不影响。标准型充电模式是按照蓄电池的标准充电参数而设计，额定输出功率为4.5KW，额定输出电流为30A。相对于标准型充电的是快速充电模式，额定输出功率为9KW，额定输出电流为60A，快速充电功率是标准充电的两倍，两种不同的充电模式是根据电动客车不同充电要求设计的。快充型设备也可作为标准型设备来使用，只须操作者在机前按标准充电参数进行设定即可。此充电机的工作模式包含“三阶段充电”、“恒流充电”、“均压充电”、“浮充电”、“恒流放电”五种工作模式，可根据不同的工作方式进行选择。常用的是三阶段充电，对蓄电池先进行恒流充电，充电电流值0.2C5A（28A），充电电压值120V。待蓄电池电压上升至120V时，虽然充电电压已经达到120V，但此时蓄电池的电压仍属于浮电状态，为了使蓄电池电压充足，再转为恒压充电模式，充电电流值6A，充电电压值120V，即在维持充电电压不变的情况下，减小充电电流值，直至浮充电流为0，防止长期恒流充电将使电解液沸腾的问题发生。实现了前期恒流充电，中期恒压充电，最后浮充电，此种充电模式的设计充分考虑了蓄电池的充电特性，实现了高效快速的恢复蓄电池电解液容量。

为使此充电机操作使用更加实用，此充电机增加了“事件记录”、“工况曲线”、“历史数据”功能键。事件记录可以对发生过的故障信息记录。工况曲线中可按时间进行分段分析，每个数据点都有相应的电流、电压数据显示。历史数据每分钟自动采集一次数据，记录数据包括时间、日期、实际电流值和实际电压值。事件记录和历史数据可以通过USB插口对数据进行下载，极大的方便了对蓄电池充电过程中性能指标的检验与分析，数据的下载与保存。

由于充电实验室时间长久，内部环境早已不符合要求，需要对工作间进行重新装修，以保证充放电设备的工作环境。首先根据充电机摆放的要求（环境湿度≤90%，环境温度在-5℃--- +40℃，无导电、爆炸尘埃、无腐蚀的气体、无强电磁干扰，垂直倾斜度不超过5度），提前安排好充电机的安装位置，并专门安装了塑钢材料的房间，一方面保证了充电设备的工作环境要求，另一方面确保了充电机的湿度要求。充电机放置在工作间纯水机设备的对面，防止有水外流造成设备潮湿，保证充电机洁净、无导电、无腐蚀、无强电磁干扰的环境，且放置地面垂直倾斜度不超过5度。充电机的设备安装位置的确定，还要兼顾房间的电源布线情况。原房间的电源接线正好满足AC380V频率50HZ±2%，进线电源功率不小于18kW的要求。第二为保证充电过程中操作者的安全，必须要将待充电蓄电池组放置在塑钢房间外，一方面防止在充电过程中产生的气泡对人体产生危害，另一方面使操作台与设备分开，充分考虑到设备在充电过程中易产生的安全事故。同时充分考虑到电动客车蓄电池组为两组，为方便生产安排，打破了原来老车使用的一组充电接线方式，现采用两路充放电系统。两种不同形式的充电模式，只需在充电机显示屏上触摸按钮选择即可，两者输出功率、电流不同。第三为防止充放电时正负极接反，在接线处专门粘贴提醒正确安装正负极的字样，并在接线头处分别画正负极图案。第四为方便职工使用充电机，在墙面上粘贴使用流程。同时利用表格形式对充电电流值、电压值进行详细说明，极大的方便了职工的操作过程。最后完善试验室内其他设施，在充电试验室内安装防爆性能的照明灯，取消原有房门，重新设计成卷帘门，并加宽了门口的宽度。卷帘门不仅动作方便，不占用工作空间，而且密封性较好，防止外界尘土吹进试验室。

该充电机经过前期功能的确认，各种充电功能电压电流值的设计与校核，经过技术确定、审批，设备安装、调试、检验，于2012年8月应用完成了对KGCD型充电机的开发、测试和安装任务。经实践证明，KGCD型充电机共完成25组车辆40万公里修程维修任务，同时避免了到万柳维修基地进行充电，节约了运费，减少大量的劳动力和人工成本，减少了工作时间，得到了操作者的一致好评。通过此充电机能够对蓄电池充电容量进行恢复，避免了更换电解液工作，减少了对废电解液的降解和回收费用，由于没有废电解液，避免了对周围环境的污染。蓄电池组的工作稳定性，保证了车辆控制电路运转正常，并确保电动客车在紧急情况下基本设备的工作良好性。KGCD型充电机功能和综合技术均居国内领先水平，在电动客车维修工作中发挥了巨大的作用，并为北京地铁的安全运营提供了可靠保证。

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