城市軌道交通車輛電氣控制 課件5-3蓄電池系統(tǒng)及其電氣控制

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制任務(wù)三蓄電池系統(tǒng)及其電氣控制目錄蓄電池及充電機(jī)系統(tǒng)概述12蓄電池及充電機(jī)控制系統(tǒng)電路應(yīng)用分析

第一部分蓄電池及充電機(jī)系統(tǒng)概述011.蓄電池及蓄電池箱概述蓄電池箱位于Tc車，每節(jié)Tc車車底設(shè)置兩個(gè)蓄電池箱，其中一個(gè)蓄電池箱帶有溫度傳感器及外掛熔斷器箱，箱體采用懸掛安裝方式，冷卻方式為自然通風(fēng)。圖為地鐵車輛蓄電池箱。

地鐵車輛蓄電池一般是由80或84只鎳鎘可充電電池單體串聯(lián)組成的電池組，滿電壓DC110V。鎳鎘電池具有使用壽命長（充放電循環(huán)周期高達(dá)數(shù)千次）、機(jī)械性能好（耐沖擊和振動(dòng)）、自放電小、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。鎳鎘蓄電池充放電過程中電池的電化學(xué)反應(yīng)如下：負(fù)極：正極：總反應(yīng)：蓄電池充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)。蓄電池放電時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。

蓄電池的額定容量用C表示，單位是A·h，它是放電電流和放電時(shí)間的乘積。蓄電池在工作中的電流常用“放電倍率”（簡稱“放電率”）表示，寫作NC，N是一個(gè)倍數(shù)。放電倍率對(duì)電池放電容量的影響很大。放電倍率越大，放電電流就越大，電化學(xué)極化和濃差極化急劇增加，使電池放電電壓急劇下降，電極活性物質(zhì)來不及充分反應(yīng)，電池容量會(huì)減少很多。根據(jù)放電倍率的大小，電池可分為低倍率（小于0.5C）、中倍率（0.5C~3.5C）、高倍率（3.5C~7C）和超高倍率（大于7C）四類。

本小節(jié)所舉例介紹的車輛，其蓄電池箱內(nèi)的蓄電池為地鐵車輛用鎳鎘堿性中倍率蓄電池。車輛采用的蓄電池型號(hào)為FNC140MR2，標(biāo)稱電壓為1.2V，電池容量為140Ah。蓄電池箱1內(nèi)共有40個(gè)電池單元，蓄電池箱2內(nèi)共有40個(gè)電池單元，電池單元串聯(lián)連接如圖所示，作為列車110V直流供電系統(tǒng)的備用電源，使用環(huán)境溫度為-40℃到50℃。地鐵車輛蓄電池蓄電池箱內(nèi)電池單元的連接方式2.充電機(jī)模塊概述

蓄電池充電機(jī)屬于車輛輔助逆變箱內(nèi)的一個(gè)緊湊型模塊，列車每個(gè)單元包含兩個(gè)充電機(jī)，一列車共有4個(gè)充電機(jī)，其將DC/DC模塊輸出的中間直流環(huán)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換成電位隔離的DC110V電壓。在正常模式下，本單元1臺(tái)充電機(jī)為本單元蓄電池充電，同時(shí)與另一臺(tái)充電機(jī)共同向DC110V母線供電。輔助供電系統(tǒng)直流負(fù)載供電及蓄電池充電電路原理圖充電機(jī)模塊項(xiàng)目數(shù)據(jù)輸入電壓/VDC700輸出電壓/VDC110輸出充電電壓控制精度±2%輸出電壓紋波±1%rms輸出電壓調(diào)整范圍/VDC77~137.5額定輸出功率/kW12最大輸出電流/A109（有效電流限制）電流限制控制精度±5%效率(cosφ=0.85)>90%諧波畸變<5%rms充電機(jī)基本性能參數(shù)

第二部分蓄電池及充電機(jī)控制系統(tǒng)電路應(yīng)用分析021.充電機(jī)模塊電路分析充電機(jī)模塊實(shí)際上是一個(gè)DC110V電壓轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)充電機(jī)模塊與輔助逆變模塊在電路中的邏輯關(guān)系，一般充電機(jī)電路設(shè)置方式有兩種。

第一種是先逆變?cè)俎D(zhuǎn)換的方式，這種方式也稱為間接轉(zhuǎn)換，如圖所示。間接轉(zhuǎn)換在進(jìn)行工作時(shí)需要經(jīng)輔助逆變器逆變、濾波后，在進(jìn)行降壓、整流，得到DC110V電壓。DC110V電壓的間接轉(zhuǎn)換

第二種是轉(zhuǎn)換和逆變過程同步進(jìn)行的方式，這種方式也稱為直接轉(zhuǎn)換，一般可采用全橋高頻逆變降壓后整流的方式工作。本任務(wù)中分析介紹的西門子輔助供電系統(tǒng)所采用的充電機(jī)就是這種工作方式，如圖所示。由于充電機(jī)模塊與DC/AC逆變模塊并聯(lián)連接，所以DC110V轉(zhuǎn)換和輔助逆變過程是同步進(jìn)行的，這種直接轉(zhuǎn)換的工作方式不會(huì)對(duì)輔助逆變器工作造成影響。DC110V電壓的直接轉(zhuǎn)換采用第二種直接轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行工作的充電機(jī)模塊電路如圖所示。該電路采用DC/DC高頻變流技術(shù)，包括逆變部分、變壓部分和整流部分組成。由IGBT元件組成的逆變電路將輸入的中間環(huán)節(jié)DC700V電壓進(jìn)行逆變，產(chǎn)生交流電壓，輸入中頻變壓器一次側(cè)。經(jīng)變壓器變壓，在二次側(cè)產(chǎn)生隔離的交流電壓，再經(jīng)整流電路，輸出恒定的DC110V電壓。輸出部分有兩條正母線，一條為蓄電池組充電，另一條為列車永久負(fù)載、常規(guī)負(fù)載和延時(shí)負(fù)載供電。充電機(jī)模塊按照蓄電池的充放電特性給蓄電池充電，蓄電池的電壓、電流、溫度以及相應(yīng)的充電均被集成在模塊中的SIBCOS控制器監(jiān)控，充電電壓等具體應(yīng)用參數(shù)可通過軟件設(shè)置。充電機(jī)的數(shù)字、電子、開環(huán)、閉環(huán)控制也由SIBCOS控制器執(zhí)行，通過CAN總線接口連接到更高級(jí)別的控制。

此外，為了向列車司機(jī)室內(nèi)的廣播控制盒等DC24V負(fù)載供電，在充電機(jī)模塊之后，通過并聯(lián)的方式從DC110V母線接出一路，經(jīng)過另一個(gè)功率為1kW的DC/DC斬波模塊，將DC110V電轉(zhuǎn)變?yōu)镈C24V電壓，為司機(jī)室DC24V負(fù)載供電，如圖所示。24VDC/DC斬波電路模塊2.蓄電池充電機(jī)控制電路分析蓄電池充電機(jī)為列車負(fù)載供電的控制電路如圖所示。

控制電路主要由充電機(jī)、蓄電池組、相關(guān)功能繼電器及其觸點(diǎn)、熔斷器、空氣開關(guān)、二極管等組成。以下簡要介紹本電路的主要控制功能。

（1）熔斷器=32-Q01位于蓄電池箱，可手動(dòng)拆裝，正常工作時(shí)熔斷器閉合。在電氣檢修時(shí)，為避免檢修人員觸電，需將=32-Q01熔斷器拉下。

（2）永久負(fù)載線供電：閉合位于司機(jī)室繼電器柜內(nèi)的永久負(fù)載空氣開關(guān)=32-F05，蓄電池組通過充電機(jī)正母線以及=32-F05空氣開關(guān)觸點(diǎn)1、2自動(dòng)為列車永久負(fù)載線供電，列車無需激活，永久負(fù)載線也能得電。

（3）常規(guī)負(fù)載線供電：閉合位于司機(jī)室繼電器柜內(nèi)的永久負(fù)載空氣開關(guān)=32-F05，蓄電池組通過充電機(jī)正母線以及=32-F05空氣開關(guān)觸點(diǎn)1、2為=32-K01欠壓檢測繼電器供電。當(dāng)蓄電池電壓低于84V時(shí)，欠壓檢測繼電器關(guān)斷，當(dāng)蓄電池電壓高于96V時(shí)，欠壓檢測繼電器導(dǎo)通，其=32-K01觸點(diǎn)11、14閉合，在列車激活的前提下，=32-K02輸出控制繼電器得電→=32-K02繼電器的觸點(diǎn)1和2、3和4、5和6閉合→=32-K03KM輸出繼電器得電→=32-K03的觸點(diǎn)1和2、3和4、5和6閉合→蓄電池組通過充電機(jī)正母線為常規(guī)負(fù)載線供電。

（4）延遲負(fù)載線供電：通過空氣開關(guān)=32-F05的閉合，使=32-K04延時(shí)繼電器A1端得電，在蓄電池組電壓大于96V且列車激活的前提下，=32-K04延時(shí)繼電器B1端得電，→=32-K04的觸點(diǎn)15、1