王文伟

【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。

1.1主要控制对象

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電机主要参数。

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：

3.1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.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。

3.2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300W LD300E-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。

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.