引言

目前儲(chǔ)能式有軌電車(chē)由于清潔、靈活、安全等特性得到了迅速的發(fā)展。對(duì)新能源列車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及壽命預(yù)測(cè)對(duì)于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、保障列車(chē)運(yùn)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(duì)4通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步高速采集,同時(shí)可以將數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊發(fā)送出去并存儲(chǔ)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(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),依據(jù)超級(jí)電容運(yùn)行壽命模型對(duì)超級(jí)電容的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)于降低整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)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(tái)

本系統(tǒng)的硬件主要用于列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中超級(jí)電容電流和電壓等信號(hào)的采集。從一般定義上來(lái)講,數(shù)據(jù)采集是指將傳感器上的信號(hào)或從其他設(shè)備上得到的信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)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(gè)功能區(qū)域:

(1）信號(hào)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(xiě)和無(wú)線(xiàn)通信區(qū)域。

1.1信號(hào)采樣調(diào)理區(qū)域

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,列車(chē)的震動(dòng)以及大功率器件的運(yùn)行,不可避免地會(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)。信號(hào)采樣調(diào)理區(qū)域?qū)?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電壓/電流信號(hào)進(jìn)行采樣濾波調(diào)制處理,濾除信號(hào)中的干擾信號(hào),確保采集到的信號(hào)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(hào)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(hào)正向、反向都正常調(diào)理輸出,且能通過(guò)STM32主控芯片判斷采樣信號(hào)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(jì)

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(shí)在運(yùn)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(huì)超過(guò)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(gè)極點(diǎn),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(gè)工作帶寬上,相位移約為1809,因?yàn)槭欠聪噍斎氲木壒?在高頻階段,幅值以斜率為-20dB/十倍頻程進(jìn)行衰減,有效地抑制了高頻噪聲對(duì)采樣信號(hào)的影響,提高了STM32對(duì)采樣信號(hào)的有效處理性。同相比例放大器的設(shè)計(jì)方案類(lèi)似,具體過(guò)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(diǎn)接地方式進(jìn)行噪聲隔離以防止模擬信號(hào)噪聲傳入至數(shù)字信號(hào)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(shí),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(shí)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(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被擦除,從而達(dá)到連續(xù)記錄狀態(tài)。

1.3STM32主控芯片區(qū)域

本項(xiàng)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(kāi)發(fā)的一種高性能微控制器,集成了新的DSP和FPU指令,時(shí)鐘頻率可達(dá)168MHz,使得數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)達(dá)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(dá)2.4MSpS。

1.4SD卡讀寫(xiě)和無(wú)線(xiàn)通信區(qū)域

本項(xiàng)目采用GPRS4G通信模塊和MicroSD進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。其中GPRS4G通信模塊采用IPv4、TCP、UDP等協(xié)議,最高傳輸速率可達(dá)50MbpS,能夠很好地滿(mǎn)足列車(chē)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(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的列車(chē)相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MicroSD上,用作后備數(shù)據(jù)存儲(chǔ),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(chǔ)MicroSD采用SDI0的方式,存儲(chǔ)速率可達(dá)24MB。

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的功能都是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)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(jìn)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(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)基本功能。首先,在數(shù)據(jù)采集部分,由定時(shí)器觸發(fā)ADC采樣,當(dāng)檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)時(shí),完成多通道的數(shù)據(jù)同步采集,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,當(dāng)達(dá)到采集時(shí)間后,停止A/D轉(zhuǎn)換。其次,在實(shí)時(shí)存儲(chǔ)部分,由于系統(tǒng)在不間斷地進(jìn)行信號(hào)采集,因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),否則將會(huì)丟失數(shù)據(jù),導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。存儲(chǔ)部分采用雙緩沖區(qū)模式,當(dāng)緩沖區(qū)滿(mǎn)則將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD存儲(chǔ)卡。在數(shù)據(jù)傳輸方面,使用GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸之前,先對(duì)GPRSDTU的參數(shù)進(jìn)行配置,包括:(1）數(shù)據(jù)終端單元設(shè)置:DTU身份識(shí)別碼:(2）數(shù)據(jù)服務(wù)中心設(shè)置:主IP及其端口:(3）用戶(hù)串口設(shè)置:波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位和數(shù)據(jù)流等。

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試

以某型儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車(chē)為例,測(cè)試時(shí)在車(chē)載超級(jí)電容進(jìn)線(xiàn)端A安裝電流傳感器,正負(fù)極兩端B安裝電壓傳感器,使用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ),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(jìn)行處理,使用Excel繪制電流/電壓曲線(xiàn),如圖6所示。其中橫坐標(biāo)為采樣的個(gè)數(shù),這里將采樣頻率壓縮至10個(gè)點(diǎn)/S,所取部分為A一B區(qū)間:縱坐標(biāo)為數(shù)值,電壓對(duì)應(yīng)伏(V）,電流對(duì)應(yīng)安培(A）。波動(dòng)較大且越過(guò)零點(diǎn)的是超級(jí)電容電流曲線(xiàn),波動(dòng)小的為超級(jí)電容電壓曲線(xiàn)。

4儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行壽命分析

在工程上影響超級(jí)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(jí)電容的特征值C和ESR會(huì)呈現(xiàn)不同程度的變化,到達(dá)失效標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間也不同,即超級(jí)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(cè)不同溫度、電壓下超級(jí)電容的壽命。電容溫度通過(guò)CAN通信方案從有軌電車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中讀取,電壓數(shù)據(jù)則通過(guò)本文中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取。

4.1溫度對(duì)壽命的影響

溫度對(duì)超級(jí)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(jí)電容壽命的衰減率可以看作是近似線(xiàn)性,但超級(jí)電容的溫度也是有范圍限制的,當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)也會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容的壽命加速縮短。

4.2電壓對(duì)壽命的影響

如果使用電壓接近或高于額定電壓,將會(huì)縮短超級(jí)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(huì)造成超級(jí)電容內(nèi)部壓力的增加,同時(shí)分解之后的雜質(zhì)降低了離子在微孔結(jié)構(gòu)中的可達(dá)性,導(dǎo)致ESR的增加。在一定的電壓區(qū)間內(nèi),電壓對(duì)壽命的影響其變化率可以看作是一致的,一般來(lái)說(shuō)可以認(rèn)為使用電壓每增加0.11,超級(jí)電容的壽命減半。

4.3壽命預(yù)測(cè)

通過(guò)上述對(duì)溫度和電壓對(duì)超級(jí)電容壽命影響的機(jī)理分析,可以看出當(dāng)溫度和電壓分別以△T和△V跳變時(shí),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(lái)對(duì)不同電壓和溫度下超級(jí)電容的壽命做出一個(gè)粗略的預(yù)測(cè)

基于本文所提出的壽命預(yù)測(cè)模型,得到的預(yù)測(cè)結(jié)果如表5所示,與實(shí)際使用情況基本相符,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

5結(jié)語(yǔ)

使用STM32芯片,實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集與SD卡的存儲(chǔ)等功能。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到了設(shè)計(jì)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(shí)采集多個(gè)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(mǎn)足新能源列車(chē)儲(chǔ)能裝置數(shù)據(jù)采集的需求。此外,本文提出了一種可以對(duì)在不同環(huán)境溫度和使用電壓下工作的超級(jí)電容進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的方法,可以應(yīng)用于不同溫度和電壓下退化過(guò)程中剩余容量百分比的預(yù)估,為超級(jí)電容的合理使用提供參考。