新能源列车车载储能数据采集系统设计及储能系统

引言

目前储能式有轨电车由于清洁、灵活、安全等特性得到了迅速的发展。对新能源列车储能系统的运行数据进行采集以及寿命预测对于监测储能系统运行状态、保障列车运行安全具有重要意义。

本数据采集系统基于STM32芯片,支持最多对4通道的数据进行同步高速采集,同时可以将数据通过4G模块发送出去并存储在SD卡中,兼具稳定性与高速性,是一种理想的数据采集及监测系统。运用数据采集系统的数据,依据超级电容运行寿命模型对超级电容的品质进行评价,对于降低整个储能系统的维护成本都具有极其重要的意义。

1数据采集系统的硬件平台

本系统的硬件主要用于列车运行过程中超级电容电流和电压等信号的采集。从一般定义上来讲,数据采集是指将传感器上的信号或从其他设备上得到的信号进行采集并存储在SD卡上。相关硬件电路示意图如图1所示。

系统硬件部分主要分为以下几个功能区域:

(1）信号采样调理区域:

(2）供电区域:

(3）STM32主控芯片区域:

(4）SD卡读写和无线通信区域。

1.1信号采样调理区域

在列车运行过程中,列车的震动以及大功率器件的运行,不可避免地会出现干扰信号。信号采样调理区域对实时监测的电压/电流信号进行采样滤波调制处理,滤除信号中的干扰信号,确保采集到的信号的准确性。

1.1.1原理分析

调理电路如图2所示。

同一采样电流/电压信号输入到同相比例和反相比例放大器中,确保了电流/电压采样信号正向、反向都正常调理输出,且能通过STM32主控芯片判断采样信号的正反方向。

反相比例放大器的输入/输出传递函数如下:

其中比例系数K1=-Ra4/Ra2。

同相比例放大器的输入/输出传递函数如下:

1.1.2滤波器设计

STM32主控芯片的工作电压为3.3V,电流采样电阻250Ω上的最大压降为5V,因此为防止芯片被烧坏,同相/反相放大器的比例系数约为0.6,同时在运放输出端接入RC滤波器和限幅输出三极管,确保输出电压不会超过3.3V。

根据之前的原理分析可知,调理电路采用了积分器的结构,产生一个极点,即为转折频率,用以消除采用输入噪声的影响。利用MathCAD绘制出反相比例放大器传递函数的Bode图,如图3所示,横坐标为频率,纵坐标为幅度和相位。

如图3所示,反相比例放大器的工作带宽约为1kHz,在低频阶段的幅值衰减度约为-4.4dB:在整个工作带宽上,相位移约为1809,因为是反相输入的缘故:在高频阶段,幅值以斜率为-20dB/十倍频程进行衰减,有效地抑制了高频噪声对采样信号的影响,提高了STM32对采样信号的有效处理性。同相比例放大器的设计方案类似,具体过程不再赘述。

1.2供电区域

供电电路主要为STM32主控芯片、采样调理电路、茶花探头等提供3.3V、士15V工作电压,支持适配器、USB和后备式供电方式。采用LM1117-3.3电源芯片将5V电源转为3.3V,并采取电阻式单点接地方式进行噪声隔离以防止模拟信号噪声传入至数字信号中。选用SR5D15/100电源模块为探头提供士15V电压。后备式电源为3.3V锂电池,当外部供电因意外中断时,触发芯片内部后备式供电功能,转由3.3V锂电池供电,以保证芯片内部定时器等基本功能继续工作。在外部供电恢复之前,确保SD卡中存储的数据不会被擦除,从而达到连续记录状态。

1.3STM32主控芯片区域

本项目中的STM32主控芯片区域包括STM32处理芯片及其外围电路。STM32处理芯片采用STM32F4芯片,该芯片是由ST(意法半导体）开发的一种高性能微控制器,集成了新的DSP和FPU指令,时钟频率可达168MHz,使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平,提升了控制算法的执行速度和代码效率。STM32F4芯片自带12位ADC,采集速率可达2.4MSpS。

1.4SD卡读写和无线通信区域

本项目采用GPRS4G通信模块和MicroSD进行数据的传输与存储。其中GPRS4G通信模块采用IPv4、TCP、UDP等协议,最高传输速率可达50MbpS,能够很好地满足列车采集系统向服务器的数据传输。此外,在数据向服务器传输的同时,数据采集系统将采集到的列车相关数据存储在MicroSD上,用作后备数据存储,以防止数据的丢失,大大提高了数据采集系统的可靠性,存储MicroSD采用SDI0的方式,存储速率可达24MB。

2数据采集系统的软件设计

系统的数据采集及存储的功能都是通过软件来实现的。在硬件系统完成后,结合硬件以及采集的需求进行软件编程。

软件主流程如图4所示。

本系统需要完成数据采集、数据存储和数据传输三个基本功能。首先,在数据采集部分,由定时器触发ADC采样,当检测到触发信号时,完成多通道的数据同步采集,对数据进行A/D转换,当达到采集时间后,停止A/D转换。其次,在实时存储部分,由于系统在不间断地进行信号采集,因此需要进行数据的实时存储,否则将会丢失数据,导致数据不完整。存储部分采用双缓冲区模式,当缓冲区满则将缓冲区数据存储到SD存储卡。在数据传输方面,使用GPRS模块进行无线传输之前,先对GPRSDTU的参数进行配置,包括:(1）数据终端单元设置:DTU身份识别码:(2）数据服务中心设置:主IP及其端口:(3）用户串口设置:波特率、数据位、奇偶校验、停止位和数据流等。

3数据采集系统的实际测试

以某型储能式现代有轨电车为例,测试时在车载超级电容进线端A安装电流传感器,正负极两端B安装电压传感器,使用该数据采集系统进行数据采集和存储,安装位置如图5所示。

然后将服务器端的数据在数据处理软件中进行处理,使用Excel绘制电流/电压曲线,如图6所示。其中横坐标为采样的个数,这里将采样频率压缩至10个点/S,所取部分为A一B区间:纵坐标为数值,电压对应伏(V）,电流对应安培(A）。波动较大且越过零点的是超级电容电流曲线,波动小的为超级电容电压曲线。

4储能系统运行寿命分析

在工程上影响超级电容寿命的因素主要是环境温度和使用电压。伴随着环境温度和使用电压的改变,超级电容的特征值C和ESR会呈现不同程度的变化,到达失效标准的时间也不同,即超级电容的寿命不同。因此找出寿命随环境温度和使用电压变化的规律就可以预测不同温度、电压下超级电容的寿命。电容温度通过CAN通信方案从有轨电车车载网络中读取,电压数据则通过本文中的数据采集系统读取。

4.1温度对寿命的影响

温度对超级电容寿命的影响可以由阿伦尼乌斯方程式解释:

此式表明在一定的温度区间内,超级电容寿命的衰减率可以看作是近似线性,但超级电容的温度也是有范围限制的,当温度过低时也会导致超级电容的寿命加速缩短。

4.2电压对寿命的影响

如果使用电压接近或高于额定电压,将会缩短超级电容的寿命。这是由于随着使用电压的增加,电解液分解产生的气体会造成超级电容内部压力的增加,同时分解之后的杂质降低了离子在微孔结构中的可达性,导致ESR的增加。在一定的电压区间内,电压对寿命的影响其变化率可以看作是一致的,一般来说可以认为使用电压每增加0.11,超级电容的寿命减半。

4.3寿命预测

通过上述对温度和电压对超级电容寿命影响的机理分析,可以看出当温度和电压分别以△T和△V跳变时,在跳变下,寿命的衰减率可以近似看作是一致的,如果我们把△T下的衰减率定义为△,△V下的衰减率定义为B,那么A和B是常数。鉴于上述定义的衰减因子A和B,可以利用式(V）来对不同电压和温度下超级电容的寿命做出一个粗略的预测

基于本文所提出的寿命预测模型,得到的预测结果如表5所示,与实际使用情况基本相符,验证了模型的准确性。

5结语

使用STM32芯片,实现了多通道数据同时采集与SD卡的存储等功能。实际现场应用效果良好,方便灵活,且板子面积小,安装方便,并节省了部分成本,基本达到了设计预期。与一般数据采集系统相比,本系统集成度高,可同时采集多个传感器数据:稳定性较好,采集精度高,采集速率较快,能满足新能源列车储能装置数据采集的需求。此外,本文提出了一种可以对在不同环境温度和使用电压下工作的超级电容进行寿命预测的方法,可以应用于不同温度和电压下退化过程中剩余容量百分比的预估,为超级电容的合理使用提供参考。