軌道交通車載設備的供電需求與分類介紹

本文介紹了軌道交通車載設備的供電需求與分類，，并結合《車載電子設備標準》EN50155-2007要求，提出車載電子設備中的DC/DC選型需考慮的要求，包括隔離、輸入電壓范圍要求、工作溫度范圍、以及要求的特性等，最后針對上述要點推薦了用于車載電子設備單元的隔離DC/DC電源模塊選型指導。

中國作為擁有全世界一半以上高鐵運營里程的國家，在“十三五”期間（2016年~2020年），總的目標是到2020年鐵路里程達到15萬公里，高速鐵路達到3萬公里，鐵路總規模是增加2.9萬公里，其中高速鐵路增加1.1萬公里。“十三五”高鐵規劃投資額有望突破4萬億元，鐵路機車車輛投資額為8000億元左右。

反觀中國高鐵的國際市場，一批境外項目取得重大進展，印尼雅萬高鐵、中老鐵路已經開工建設，中泰鐵路、匈塞鐵路塞爾維亞段正式啟動，俄羅斯莫斯科—喀山高鐵項目確定，充分說明了鐵路已經成為“中國制造”的一張靚麗名片，是“一帶一路”規劃中政府力推“走出去”的重點。發展中國家的鐵路建設比如印度，蘊含著巨大的發展潛力。

一、車載電子設備的介紹

隨著鐵路行業的不斷發展，為了提高車載運行的可靠性和提高乘客的舒適性，大量的電子設備被應用于軌道交通中。車載電子設備的供電主要是由車載輔助供電系統提供，輔助供電系統指的是除為牽引動力系統之外的所有需要用電力的負載設備，包括輔助供電系統和蓄電池系統。

一般情況下，車載電子設備供電由充電機輸出作為低壓母線電源，蓄電池系統正常情況下向TCMS系統、照明系統、等系統進行供電，并在充電機出現臨時故障等情況下，起到能量緩沖的作用。

圖1.蓄電池系統的供電情況

車載電子主要由TCMS系統（網絡控制系統）、信號系統、乘客咨詢廣播系統、空調控制系統等組成；各系統之間都是通過進行供電，為了保證每個系統之間都能可靠的運行工作，需要隔離電源對各個子系統進行供電，從而隔離出現故障的車載電子設備，防止故障區域的蔓延。

大量的車載電子設備通過列車通信總線進行互聯，駕駛員可通過車載控制器對各個車載電子系統進行控制，可實現遙測功能，達到遠程控制的目的。車載電子設備的、智能化技術應用，對隔離總線提出了更高的要求。

圖2.典型EMC區域與隔離系統接口情況

二、車載電子設備的要求

由于車載電子設備種類繁多并且存在著差異性，為了保證車載電子設備都能夠滿足鐵路車載使用的特殊要求，其產品必須需要滿足EN50155等標準內容要求；所有車載電子設備接口均需要滿足電位差、電磁兼容、人身安全等方面的要求，并且控制外部故障而引起的失效擴散。

標準對車載電子設備的要求主要有以下方面：

1.環境要求如海拔、溫度濕度、沖擊振動以及IP等級要求；

2.電氣要求如電源需求、電氣隔離等；

3.浪涌和靜電放電需求；浪涌試驗主要是過電壓需求試驗，最大需要承受1.4倍常規電壓需求；

4.EMC要求；包括CE、RE以及CS、RS、Surge、EFT、ESD等要求，對于不同的接口部分，采用不同的等級要求；如圖2所示。

5.對裝置的可靠性、可維修性和預估的使用壽命；如可維修性驗證：采用指示燈進行指示，定位故障發生點，方便進行維修；如可靠性運行驗證，運行里程不少于10W公里，運行時間不少于1年等要求；

6.其他要求：如對于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設計難滿足10mS中斷需求，尤其是對于低壓輸入產品，需要增加外圍輸入輸出滿足客戶需求；如對于蓄電池的短路保護措施，一般采用防反或者機械設計來規避此方面的失效。

三、車載電子設備的電源選型

隔離電源作為防止故障擴散的方法之一，在車載電子設備中起著重要的作用；但是車載在運行過程中，存在著各種狀態，如劇烈的振動狀態；劇烈的外界環境溫度變化率等情況出現；普通常規的工業級電源很難滿足其使用要求；那么車載電源需要要求呢？

1.沖擊和振動：

由于鐵路運行環境的性質，鐵道車輛會受到沖擊和振動。對于安裝在鐵道車輛上的電子設備必須進行隨機振動和沖擊試驗要求。對于電源模塊來說，采用灌膠固定板載元器件的方法，可有效增強其抗振動和沖擊的能力。

如金升陽鐵路電源R3系列產品可完全滿足振動10~55Hz 10g 30Min along X Y Z要求。

車載蓄電池的額定供電電壓主要有以下幾種：24V、48V、72V、96V、110V等5種規格；由于輔助設備啟動或者感性負載進行切換，會產生浪涌電壓或者低電壓出現；電源設計的輸入電壓參數能夠在0.6VN和1.4VN電壓范圍內正常工作；并且電源廠家都會兼容多個車載蓄電池電壓等級。

如1.金升陽鐵路電源產品URB1D24YMD-6WR3，輸入電壓范圍為40VDC~160VDC，可兼容車載蓄電池72VDC、96VDC、110VDC三個供電電壓等級。

2.隔離電氣要求：

車載電子設備的介電試驗（耐壓試驗）的試驗電壓與車載蓄電池的供電電壓相關，其相關要求如下：

表1.隔離耐壓與蓄電池電壓關系

對于車載電子設備的供電類型不確定的話，比如110V蓄電池可能浮沖至125V以上情況出現或者低壓可能會產生大于125V電壓；建議采用1500VAC隔離的使用要求，可滿足瞬時過電壓時的電氣隔離要求；如金升陽鐵路電源產品6WR3，可滿足1500VAC/2250VDC的電氣隔離要求；

3.溫度和濕度要求：

為了滿足長途鐵道機車的溫度變化范圍和濕度范圍要求，要求車載電源要求滿足環境溫度-40℃~85℃的使用要求，需要通過高低溫循壞和濕熱交變等可靠性型式試驗驗證。金升陽鐵路電源產品，均按照嚴格的質量管控體系進行設計和生產，可通過鐵路要求的型式可靠性試驗。

4.特殊浪涌要求：

每個國家對特殊浪涌的要求不一致，例如：英國鐵路標準RIA12《拖動及運載設備的直流控制系統中瞬態浪涌保護的通用規范》（海外這句話，可以刪除了；或者FAE提供標準英文版名稱），要求與供電電源蓄電池連接的電子設備，必須能夠經受兩種波形：一種是1S 1.5倍輸入電壓波形另外一種波形是3.5倍輸入電壓，持續時間20mS的浪涌電壓，該浪涌脈沖電壓的源阻抗為0.2Ω，如果考慮供電蓄電池額定電壓為110VDC，那么如果只是采用單一的鉗壓器件進行防護，很難吸收（設鉗位電壓VC為160VDC）高達=2475J的能量，一般瞬時鉗壓抑制器件很難滿足要求，需要專門的電路或者模塊來滿足標準要求。金升陽輔助采用串聯導通功率器件形成有源鉗位電路，將瞬態的浪涌電壓鉗位至鐵路電源可承受的電壓范圍之內。如輔助器FC-CX3D，輸入電壓范圍66VDC~160VDC，輸出最大功率為100W，最大的限制鉗位電壓為165VDC；采用專利電路--有源鉗位電路，可實現最大98%的效率。

5.其他方面需求：

對于供電中斷、跌落等要求，一般模塊電源設計難滿足10mS中斷需求，需要增加外圍輸入輸出電容滿足客戶需求。