城市軌道交通車輛車載蓄電池剩余容量估算方法

姜 波 李曉明

(中車長春軌道客車股份有限公司,130062,長春∥第一作者,工程師)

城市軌道交通車輛車載蓄電池剩余容量估算方法

姜 波 李曉明

(中車長春軌道客車股份有限公司,130062,長春∥第一作者,工程師)

城市軌道交通車輛車載蓄電池的電壓值無法準確反映當前蓄電池剩余容量值。采用安時積分法作為蓄電池電量變化量的基本計算方法,綜合考慮影響蓄電池容量的初始誤差和累計誤差,將老化程度、溫度變化及放電倍率作為誤差補償因子,建立估算蓄電池剩余容量的數學模型。根據估算模型設計算法流程,并將其應用于城市軌道交通車輛蓄電池監測系統。該系統可以向列車操作人員提供蓄電池剩余容量的實時信息,便于維修維護等操作。

城市軌道交通; 車輛; 蓄電池; 剩余容量; 誤差補償; 估算模型

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,130062,Changchun,China

在城市軌道交通車輛車載蓄電池容量管理中,一般僅通過判斷蓄電池電壓值來衡量蓄電池剩余容量SOC的大小。當用電壓值衡量法判定某蓄電池的電壓低于某一定值時,則認為該蓄電池不足以提供足夠的容量供列車使用。這種電壓值衡量法無法定量地表示蓄電池當前真實的剩余容量,甚至會產生比較大的偏差,從而造成對列車當前的狀態判斷失準。本文基于安時積分法求取充放電過程中的電量變化量,并考慮蓄電池老化程度[1]、蓄電池溫度[2]、放電倍率[3]等因素對蓄電池容量的影響,建立具有誤差補償能力的數學模型計算當前剩余容量,為列車調試或運營管理提供可靠的蓄電池容量狀態信息。

1 電量變化值計算存在的問題

安時積分法是一種常用的蓄電池電量累計方法。其主要原理是通過計算一段時間內充放電電流與充放電時間的積分,求解得出積分時間內電量的變化值占初始總電量的百分比,進而求出初始容量和變化容量之間的差。該差值即為SOC,其計算公式為:

(1)

式中:

SOC(t)——剩余容量;

SOC(t0)——初始容量;

I——電池電流;

Q——電池額定電量;

t——積分時間。

安時積分法將蓄電池視為1個密閉系統,不關心其內部復雜的電化學反應及內部各個參數之間的關系,而是研究系統外部特性,關注進出系統的電量。這種方法通過電流與時間的積分值計算充入電池和流出電池的電量,在一段時間內,監測和記錄電池的變化電量,通過與初始值求差,得到實時的SOC。

但是,安時積分法忽略了電池狀態與電量的關系,沒有考慮電池老化、溫度及放電倍率等因素對SOC估算的影響,長期積累,誤差會越來越大。所以,要想提高安時積分法的精度,就必須對這些因素采用較好的方法進行處理。

2 基于影響因素補償的數學模型

2.1 影響因素分析

考慮到安時積分法忽略了蓄電池狀態與電量的關系,下面針對幾種重要的影響因素對SOC的計算進行補償處理。

電池SOC初始誤差來源于蓄電池老化程度的影響,本模型考慮這一影響因子來解決初始誤差的問題。

安時積分的累積誤差來源于蓄電池充放電過程中溫度的影響以及放電倍率的影響,在蓄電池的動態運行過程中,通過對以上兩種影響因子的處理來解決累積誤差的問題。

定義蓄電池老化程度[4]的影響因子為f(tm),則有:

(2)

式中:

∑tm(i)——電池累計循環充放電次數,由監測單元實時判斷并累計處理,并可即時存儲和調取;

tm,I——電池出廠時的額定循環壽命。

定義充放電過程中蓄電池溫度變化影響因子為f(Tp(t)),其表達式為:

(3)

式中:

kT——溫度系數[5],其取值范圍是0.006～0.008;

T(t)——電池實時溫度,由溫度傳感器實時檢測而獲得;

T0——額定電量Q對應的標準溫度值。

設η為放電倍率影響因子,則:

(4)

式中:

QN——采用標準電流對電池進行放電時從電池中所放出的電量值,其是蓄電池出廠時由蓄電池廠家提供的固有已知參數;

Qcal——蓄電池放電狀態下不同放電電流對應放出的電量,可通過查表求得。

以南昌地鐵2號線車輛項目所使用的國內城鐵車輛常用DTM-3系列型車載蓄電池為例,該電池出廠時,廠家提供了一部分不同試驗的放電電流值I測及其對應的測量時間t測的關系(如表1所示)。其中,電量Qcal根據電流與時間的乘積得出。

表1 不同放電電流、時間及電量的對應關系

2.2 數學模型的建立

綜合考慮上述補償因素的影響,定義蓄電池剩余容量初始補償值為SOC,1(t0),則有:

(5)

式中:

SOC,1(t0)——監測單元初始上電時對蓄電池剩余容量的初始補償值;

SOC(t0)——蓄電池剩余容量初始值,由監測單元在列車初始上電時讀取自身內部存儲器中的保存值而獲得;

f(tm)由式(2)求得。

定義動態過程中電池容量的變化量ΔSOC的表達式為:

(6)

式中:

ΔSOC——動態過程中電池容量的變化量。

則有:

(7)

3 算法流程設計

3.1 算法步驟

根據上述影響因素補償的數學模型,并結合蓄電池監測單元等車載硬件性能,設計軟件算法流程為:

步驟一:在列車蓄電池上電后,由蓄電池監測單元讀取內部存儲器中存儲的蓄電池剩余容量SOC的存儲數值SOC(t0)。

步驟二:在蓄電池監測單元運行之初根據式(5)計算電池剩余容量的初始補償值SOC,1(t0)。

步驟三:在蓄電池動態過程中,根據式(6)計算實時溫度補償電量變化值。

步驟四:在蓄電池放電過程中,根據式(6)計算實時放電倍率補償電量變化值。

步驟五:蓄電池監測單元根據式(7)計算當前蓄電池SOC,并保存計算結果,該計算結果可被即時讀取。

3.2 算法流程圖

由2算法步驟,設計相應軟件的算法流程見圖1。

圖1 算法流程圖

4 結語

本方法基于蓄電池監測系統的硬件平臺,綜合考慮影響蓄電池SOC的因素進行誤差補償并建立估算模型,通過設計相應的流程算法實現城市軌道交通車輛蓄電池剩余容量的估算。在城鐵車輛實際應用中,蓄電池監測單元接入列車網絡系統中,向司機或維修維護人員實時顯示當前蓄電池電量狀態。當剩余容量低于安全值時,蓄電池監測單元會及時上報電量低的警告信息,以防止因蓄電池饋電而導致列車系統無法上電。

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Estimation of the Residual Capacity of Storage Batteries Installed on Metro Train

JIANG Bo, LI Xiaoming

The voltage values of storage batteries on the metro train cannot reflect the real residual capacity.The Ah (Ampere-hour) integral method is used as a basic calculation to judge the variable quantity of charge.It is proper to consider the initial and accumulative errors which affect the state of charge.The aging level of batteries,temperature changes and discharging rate are taken as the error compensation factors,so as to establish the mathematics model to measure the residual capacity of batteries.According to the design algorithm flow,the model will be applied to the batteries′monitoring system on metro train.This system will provide the train operators real-time information about the state of charge,making it convenient for service and maintenance.

urban rail transit; train; storage battery; residual capacity; error compensating; estimation model

U 270.38+1; TM 912.8

10.16037/j.1007-869x.2016.12.015

2016-04-22)