STK-DWL平面无线调车电台锂电池及充电器研究

STK-DWL平面无线调车电台锂电池及充电器研究

秦超

沈阳铁道科学技术研究所有限公司 沈阳 110013

摘要：平面调车电台是铁路运输生产中不可或缺的通讯设备，其电池的质量与持续使用时间是平面调车电台能否正常工作的重要因素。STK-DWL平面无线调车电台锂电池，选用高质量、高性能锂电池芯，采用先进生产工艺制作，在严寒地区依然能够提供相对稳定的电力输出，低温放电性能明显优于常规电池。此外，配套设计研发的四路电池充电器，针对现场特殊工作环境，出现的一些问题，进行分析并提出相应的解决办法。

关键词：平面无线调车；锂电池；充电器优化

1引言

目前，全路正在逐步推广数字平面无线调车电台，现有电池容量小、持续使用时间短，尤其在低温环境中电量损耗迅速，需要配备两块电池才能完成一个班次的工作，常常影响到调车作业的正常进行。

研制生产的STK-DWL平面无线调车电台锂电池选用增强定制的进口电池芯，除具有高能量密度、放电平台平坦、充电时间短等特性外，经国家权威检测机构检测及现场运用考核，该电池在-35℃环境中以满足运输生产的需要。

2 STK-DWL平面无线调车电台锂电池的设计

2.1电池保护电路的设计

为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象，在锂离子电池组中设计安装了保护电路，

锂离子电池保护电路具有任何一只单体电池的充电电压超过允许的最大值时，切断充电回路；任何一只单体电池的放电电压低于极限电压时，切断放电回路；电池组放电电流大于极限值或负载电路短路时，切断放电回路；不正常状态消除后，能自动地恢复电池组正常工作状态；保护电路功耗低等技术特点。

充电过程中，允许充电的电压范围是： 每节电池2.25V～4.2V。放电过程中，锂离子电池的电压下限为2.25V。当电池电压低于过放电保护电压时，能够关闭电池放电，避免电池过放电现象发生。过电流检时，当放电电流超过设定值时，保护电路能够关闭电池放电回路。

2.2电池性能及技术指标

本产品选用了高质量、高性能的18650F低温锂电池芯，与目前平面调车手持电台配备的镍氢电池相比，具有使用温度范围宽，容量衰减低，充电时间短等明显的性能优势。

3 充电器

3.1充电器功能

STK-CDQ-D4L系列充电器适用于额定电压为7.2v的对讲机锂电池进行充、放电，四路并联输出；通过更换充电输出槽可为各型号对讲机锂离子电池进行充放电。STK-CDQ-D4L系列充电器具有效率高，重量轻，体积小；采用中央微处理器控制，充电-充满状态自动完成；采用恒流转恒压充电模式，确保充电安全；具有充电-放电随意转换功能；采用LCD液晶显示屏显示电池的工作状态；四路可同时对电池进行不同状态工作；具有容量检测（电池充满后）功能；具有断电接续原有工作状态功能等技术特点。

3.2问题反馈

由于铁路现场工作条件的不确定性，一些偏远小站不具备良好绝缘环境及三相插头接地条件，造成充电器在正常工作中，金属紧固件触摸起来有带电感，用万用表测量金属紧固件与接地两端电压有110V左右。

3.3问题分析

因为设备内装有输入电源滤波电路（防止电网对电源造成的共模干扰），通常的滤波器采用CLC的形式。其中，在火线对地和零线对地之间都有一个电容（俗称Y电容）如图9所示。而设备中的滤波电路的地和机壳是接在一起的。当机壳未接地时，就出现两个同容量电容串联并接在电源（220V）之间，而串联那个中点A点正好跟机壳连在一起，此时每只电压上分得的电压是110V。当测量机壳对地时，由于供电网的零线是接大地的，所以实际测得的是接零线端电容上的电压，也就是110V。这种滤波在这里主要是用来防止供电网由于雷击或其他网络冲击产生浪涌及尖峰电压。所以，在未接地的情况下测量出来机壳对地的感应电压是110V是正常的。

此外，为更好的抑制共模干扰，经常在电源的次级接地端和初级接地端间另接入一个Y电容。

初级接地端与滤波电路相连构成回路，电路板滤波电路实物图如图8所示。

图8 滤波电路原理实物图

3.4改进优化

正常条件下，充电器使用的三芯交流电源插座必须接地良好，以防因零线、火线错接导致机壳带电。针对特殊复杂环境提出几点解决办法：

3.4.1配备绝缘装备

造成机壳带电感的主要原因，是充电器机体通过人体与大地构成回路，所以，进行适当的绝缘防护可以很好的规避这一问题，如佩戴绝缘手套、操作区域铺设绝缘胶皮等设备。

3.4.2滤波电路电路板改进方法

通过3.3问题分析可知接触机壳金属固件有电感，主要由于滤波电路Y电容两端分压造成，适当减小C1、C2和C3电容值，可以降低电容两端分压值，进而可以消除带电感。但Y电容值的大小既保证充电器的抗共模干扰能力，又决定充电器的电磁兼容性能，EMC、EMI要求需在充电器初级次级加以3750V电压，漏电流需保证低于5mA，不报警，即通过验证。

通过兼顾电磁兼容性能的基础上，降低C1、C2和C3电容值，试验证明充电器机壳金属紧固件与接地两端电压有所降低，但人为接触仍有轻微带电感。

3.4.3充电器内部硬件隔离改进方法

由于带电感主要是开关电源漏电造成，所以尝试将开关电源整体与充电器机壳绝缘隔离，可以有效消除带电感现象。

采用六角尼龙螺丝，将开关电源重新固定在充电器机壳上，使二者充分隔离如图12所示，通过万用表测量金属紧固件与接地两端电压为零，接触无带电感。

图9 开关电源与机壳隔离效果图

4结束语

研制的STK-DW平面调车电台锂电池及配套充电器在沈阳局集团公司各车站、车务段大量推广使用，该产品具有电池容量大，持续使用时间长；充电时间短，由过去镍氢电池的6-8小时缩短至目前的2-3小时；使用中无需定期充放电维护；在-30℃低温环境下，单块电池能够满足一个班次的正常使用，减少备用电池配备数量；电池重量轻、结构坚固；改进后充电器适应于各类复杂环境等特点，应用推广前景广阔。

参考文献：

[1] 李琨.GSM-R铁路平面调车通信手持终端设计[D].天津:天津大学,2007.

[2] 侯文秀,肖晶晶.锂电子电池的低温性能改善[J].化工技术与开发,2011,40(4):16-18.