无接触网供电城轨车辆复合动力储能系统状态监测研究

近年来,随着人口的增加,城市规模不断扩大,这对城市的基础设施建设提出了更高的要求,同时也促进了城市轨道交通车辆的快速发展。传统的接触网车辆需要架设供电接触网,这给城市的美观、甚至安全都有一定的影响。因此,无接触网供电城轨车辆应运而生。采用锂离子电池和超级电容器组成的复合动力储能系统弥补了使用单一储能元件存在的不足,二者相得益彰。为了确保列车安全、可靠高效的运行,对储能系统进行实时监测就非常必要。本论文依据国家重点研发计划《城轨交通新型供电制式车辆及其车载储能技术质量检测监测与运维保障技术》,以车载复合动力储能系统为研究对象,设计了一套无接触网供电城轨车辆复合动力储能监测系统。本文主要对无接触网供电城轨车辆复合动力储能监测系统进行研究,根据车载复合动力储能系统的运行特点,首先确定了车载监测系统需要具备的具体功能。针对储能监测系统的功能和特点,设计了采用主从式拓扑结构的复合动力储能监测系统,即复合动力储能监测系统由主控制模块和从控制模块组成。主控制模块和从控制模块分别承担着不同的任务,主控制模块采用控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)与从控制模块以及整车监测系统通信,采用主动均衡的控制方式减小单体间的电压差,同时采用一定的安全保护措施避免复合动力储能系统发生安全事故,影响整车的安全运行。论文对监测系统的硬件电路和软件进行了详细的设计,采用市场上应用成熟的芯片来提升整个复合动力储能监测系统的集成度和可靠性。选用STM32F407ZGT6作为主控制模块的核心芯片,设计了基于LTC6811-1的复合储能系统单体电压监测电路、基于LTC3300-1的单体电压主动均衡控制电路。采用模块化和层次化相结合的方法提高软件设计时的效率,缩短其运行时间,保证监测系统的可靠、高效运行。最后在实验室模拟实际工况对监测系统的性能进行了测试,对静态工况下的锂电池组和超级电容器组单体电压进行了检测、对监测系统中温度采集的精度、电流检测精度进行了测试,此外对即将失效的锂电池进行均衡控制测试,由此验证系统的监测精度和均衡控制效果。结果表明,系统可以安全平稳的运行且监测精度和均衡控制效果均能满足复合动力储能监测系统的使用需求(电压监测误差范围为±0.6%,电流监测误差范围为±0.5%,温度监测误差范围为±0.5℃),验证了本文复合动力储能监测系统的准确性。