新能源列車車載儲能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及儲能系統(tǒng)

引言

目前儲能式有軌電車由于清潔、靈活、安全等特性得到了迅速的發(fā)展。對新能源列車儲能系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行采集以及壽命預(yù)測對于監(jiān)測儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)、保障列車運行安全具有重要意義。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于STM32芯片,支持最多對4通道的數(shù)據(jù)進行同步高速采集,同時可以將數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送出去并存儲在SD卡中,兼具穩(wěn)定性與高速性,是一種理想的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測系統(tǒng)。運用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),依據(jù)超級電容運行壽命模型對超級電容的品質(zhì)進行評價,對于降低整個儲能系統(tǒng)的維護成本都具有極其重要的意義。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺

本系統(tǒng)的硬件主要用于列車運行過程中超級電容電流和電壓等信號的采集。從一般定義上來講,數(shù)據(jù)采集是指將傳感器上的信號或從其他設(shè)備上得到的信號進行采集并存儲在SD卡上。相關(guān)硬件電路示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件部分主要分為以下幾個功能區(qū)域:

(1）信號采樣調(diào)理區(qū)域:

(2）供電區(qū)域:

(3）STM32主控芯片區(qū)域:

(4）SD卡讀寫和無線通信區(qū)域。

1.1信號采樣調(diào)理區(qū)域

在列車運行過程中,列車的震動以及大功率器件的運行,不可避免地會出現(xiàn)干擾信號。信號采樣調(diào)理區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測的電壓/電流信號進行采樣濾波調(diào)制處理,濾除信號中的干擾信號,確保采集到的信號的準(zhǔn)確性。

1.1.1原理分析

調(diào)理電路如圖2所示。

同一采樣電流/電壓信號輸入到同相比例和反相比例放大器中,確保了電流/電壓采樣信號正向、反向都正常調(diào)理輸出,且能通過STM32主控芯片判斷采樣信號的正反方向。

反相比例放大器的輸入/輸出傳遞函數(shù)如下:

其中比例系數(shù)K1=-Ra4/Ra2。

同相比例放大器的輸入/輸出傳遞函數(shù)如下:

1.1.2濾波器設(shè)計

STM32主控芯片的工作電壓為3.3V,電流采樣電阻250Ω上的最大壓降為5V,因此為防止芯片被燒壞,同相/反相放大器的比例系數(shù)約為0.6,同時在運放輸出端接入RC濾波器和限幅輸出三極管,確保輸出電壓不會超過3.3V。

根據(jù)之前的原理分析可知,調(diào)理電路采用了積分器的結(jié)構(gòu),產(chǎn)生一個極點,即為轉(zhuǎn)折頻率,用以消除采用輸入噪聲的影響。利用MathCAD繪制出反相比例放大器傳遞函數(shù)的Bode圖,如圖3所示,橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為幅度和相位。

如圖3所示,反相比例放大器的工作帶寬約為1kHz,在低頻階段的幅值衰減度約為-4.4dB:在整個工作帶寬上,相位移約為1809,因為是反相輸入的緣故:在高頻階段,幅值以斜率為-20dB/十倍頻程進行衰減,有效地抑制了高頻噪聲對采樣信號的影響,提高了STM32對采樣信號的有效處理性。同相比例放大器的設(shè)計方案類似,具體過程不再贅述。

1.2供電區(qū)域

供電電路主要為STM32主控芯片、采樣調(diào)理電路、茶花探頭等提供3.3V、士15V工作電壓,支持適配器、USB和后備式供電方式。采用LM1117-3.3電源芯片將5V電源轉(zhuǎn)為3.3V,并采取電阻式單點接地方式進行噪聲隔離以防止模擬信號噪聲傳入至數(shù)字信號中。選用SR5D15/100電源模塊為探頭提供士15V電壓。后備式電源為3.3V鋰電池,當(dāng)外部供電因意外中斷時,觸發(fā)芯片內(nèi)部后備式供電功能,轉(zhuǎn)由3.3V鋰電池供電,以保證芯片內(nèi)部定時器等基本功能繼續(xù)工作。在外部供電恢復(fù)之前,確保SD卡中存儲的數(shù)據(jù)不會被擦除,從而達到連續(xù)記錄狀態(tài)。

1.3STM32主控芯片區(qū)域

本項目中的STM32主控芯片區(qū)域包括STM32處理芯片及其外圍電路。STM32處理芯片采用STM32F4芯片,該芯片是由ST(意法半導(dǎo)體）開發(fā)的一種高性能微控制器,集成了新的DSP和FPU指令,時鐘頻率可達168MHz,使得數(shù)字信號控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達到了新的水平,提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。STM32F4芯片自帶12位ADC,采集速率可達2.4MSpS。

1.4SD卡讀寫和無線通信區(qū)域

本項目采用GPRS4G通信模塊和MicroSD進行數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。其中GPRS4G通信模塊采用IPv4、TCP、UDP等協(xié)議,最高傳輸速率可達50MbpS,能夠很好地滿足列車采集系統(tǒng)向服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。此外,在數(shù)據(jù)向服務(wù)器傳輸?shù)耐瑫r,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的列車相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在MicroSD上,用作后備數(shù)據(jù)存儲,以防止數(shù)據(jù)的丟失,大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性,存儲MicroSD采用SDI0的方式,存儲速率可達24MB。

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及存儲的功能都是通過軟件來實現(xiàn)的。在硬件系統(tǒng)完成后,結(jié)合硬件以及采集的需求進行軟件編程。

軟件主流程如圖4所示。

本系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸三個基本功能。首先,在數(shù)據(jù)采集部分,由定時器觸發(fā)ADC采樣,當(dāng)檢測到觸發(fā)信號時,完成多通道的數(shù)據(jù)同步采集,對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換,當(dāng)達到采集時間后,停止A/D轉(zhuǎn)換。其次,在實時存儲部分,由于系統(tǒng)在不間斷地進行信號采集,因此需要進行數(shù)據(jù)的實時存儲,否則將會丟失數(shù)據(jù),導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。存儲部分采用雙緩沖區(qū)模式,當(dāng)緩沖區(qū)滿則將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲到SD存儲卡。在數(shù)據(jù)傳輸方面,使用GPRS模塊進行無線傳輸之前,先對GPRSDTU的參數(shù)進行配置,包括:(1）數(shù)據(jù)終端單元設(shè)置:DTU身份識別碼:(2）數(shù)據(jù)服務(wù)中心設(shè)置:主IP及其端口:(3）用戶串口設(shè)置:波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位和數(shù)據(jù)流等。

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際測試

以某型儲能式現(xiàn)代有軌電車為例,測試時在車載超級電容進線端A安裝電流傳感器,正負極兩端B安裝電壓傳感器,使用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和存儲,安裝位置如圖5所示。

然后將服務(wù)器端的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理軟件中進行處理,使用Excel繪制電流/電壓曲線,如圖6所示。其中橫坐標(biāo)為采樣的個數(shù),這里將采樣頻率壓縮至10個點/S,所取部分為A一B區(qū)間:縱坐標(biāo)為數(shù)值,電壓對應(yīng)伏(V）,電流對應(yīng)安培(A）。波動較大且越過零點的是超級電容電流曲線,波動小的為超級電容電壓曲線。

4儲能系統(tǒng)運行壽命分析

在工程上影響超級電容壽命的因素主要是環(huán)境溫度和使用電壓。伴隨著環(huán)境溫度和使用電壓的改變,超級電容的特征值C和ESR會呈現(xiàn)不同程度的變化,到達失效標(biāo)準(zhǔn)的時間也不同,即超級電容的壽命不同。因此找出壽命隨環(huán)境溫度和使用電壓變化的規(guī)律就可以預(yù)測不同溫度、電壓下超級電容的壽命。電容溫度通過CAN通信方案從有軌電車車載網(wǎng)絡(luò)中讀取,電壓數(shù)據(jù)則通過本文中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取。

4.1溫度對壽命的影響

溫度對超級電容壽命的影響可以由阿倫尼烏斯方程式解釋:

此式表明在一定的溫度區(qū)間內(nèi),超級電容壽命的衰減率可以看作是近似線性,但超級電容的溫度也是有范圍限制的,當(dāng)溫度過低時也會導(dǎo)致超級電容的壽命加速縮短。

4.2電壓對壽命的影響

如果使用電壓接近或高于額定電壓,將會縮短超級電容的壽命。這是由于隨著使用電壓的增加,電解液分解產(chǎn)生的氣體會造成超級電容內(nèi)部壓力的增加,同時分解之后的雜質(zhì)降低了離子在微孔結(jié)構(gòu)中的可達性,導(dǎo)致ESR的增加。在一定的電壓區(qū)間內(nèi),電壓對壽命的影響其變化率可以看作是一致的,一般來說可以認為使用電壓每增加0.11,超級電容的壽命減半。

4.3壽命預(yù)測

通過上述對溫度和電壓對超級電容壽命影響的機理分析,可以看出當(dāng)溫度和電壓分別以△T和△V跳變時,在跳變下,壽命的衰減率可以近似看作是一致的,如果我們把△T下的衰減率定義為△,△V下的衰減率定義為B,那么A和B是常數(shù)。鑒于上述定義的衰減因子A和B,可以利用式(V）來對不同電壓和溫度下超級電容的壽命做出一個粗略的預(yù)測

基于本文所提出的壽命預(yù)測模型,得到的預(yù)測結(jié)果如表5所示,與實際使用情況基本相符,驗證了模型的準(zhǔn)確性。

5結(jié)語

使用STM32芯片,實現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)同時采集與SD卡的存儲等功能。實際現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,方便靈活,且板子面積小,安裝方便,并節(jié)省了部分成本,基本達到了設(shè)計預(yù)期。與一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)集成度高,可同時采集多個傳感器數(shù)據(jù):穩(wěn)定性較好,采集精度高,采集速率較快,能滿足新能源列車儲能裝置數(shù)據(jù)采集的需求。此外,本文提出了一種可以對在不同環(huán)境溫度和使用電壓下工作的超級電容進行壽命預(yù)測的方法,可以應(yīng)用于不同溫度和電壓下退化過程中剩余容量百分比的預(yù)估,為超級電容的合理使用提供參考。