基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统技术方案

本发明专利技术公开了基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统，包括1个电源管控器、N个模组均衡控制器、M个BMS节点，BMS节点实时监测超级电容模块内各单体超级电容的工作状态、实现各单体超级电容充放电过程的动态均压并通过RS485总线与模组均衡控制器，模组均衡控制器通过CAN总线连接与电源管控器连接并在电源管控器的控制下实现各超级电容模块在充放电过程中的动态均流。本发明专利技术的有益效果在于：所述电源管理系统能实时、全面、准确的监测超级电容模组的工作状态参数，为超级电容模组的剩余容量估算、循环使用寿命预测和电机车可行驶里程估计提供可靠数据，为电机车运行控制器、充电装置提供运行控制、充电控制所需的基础数据。

【技术实现步骤摘要】
基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统
本专利技术涉及一种电源模块管理系统，尤其是采用分布式集成的隧道工程电机车用超级电容模组管理系统。
技术介绍
电机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，动力是利用牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行；这种运行方式，它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约；机车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3‰，局部坡度不能超过30‰。隧道工程电机车是隧道工程施工中常用的一种牵引电机车，具有牵引力大、速度高、运载能力强等特点。现有的隧道工程电机车大都采用传统铅酸蓄电池组作为能源，铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池的主要优点是电压稳定、价格便宜，缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁；从而制约了隧道工程电机车的运载能力、工作效率。超级电容是一种通过极化电解质来储能的一种电化学元件，它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，且这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电数十万次，且不会造成污染。另外，超级电容具有非常高的功率密度，为电池的10-100倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快、模式简单。随着能源新技术的发展，超级电容的应用逐渐广泛，例如：（1）大尺寸超级电容器可用在火车和地铁的刹车制动系统上，亦可为物料搬运工程车提供能量输出；中等尺寸超级电容器可用在太阳能能量收集方面，因为其具备可在高温下工作的特性；48V超级电容器应用于汽车；小尺寸超级电容器则对通讯设施的持续供电和电脑内存系统储存后备电源等有极大贡献。（2）超级电容器的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的，对于快速充放电，超级电容器小的ESR意味着更大的功率输出，几秒钟充电，几分钟放电；用于电动工具、电动玩具等。（3）在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补。（4）用于当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持。（5）可小电流、长时间持续放电，用作计算机存储器的后备电源。（6）瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。随着能源新技术的发展，隧道工程电机车的电源由传统的铅酸蓄电池逐步替换成以超级电容模组为核心的新能源。为实现超级电容在隧道工程电机车牵引的应用，首先将多个单体电容通过并联、串联方式以形成一定功率、直流输出电压的超级电容模组，再并联、串联多个超级电容模组来满足电机车的额定功率和电压要求。对单体电容进行状态监测比较容易，但是对串联、并联在一起的超级电容组单体电容工作状态监测很困难，需要解决引线数量太多、存在共模干扰、共地等问题。由于超级电容器内部结构、电极和电解液材料的特性，使得超级电容器表现出与理想电容器或电池不同的特性，对其模型和荷电状态(StateOfCharge,SOC)估计方法目前还研究较少。而且由于超级电容器单体性能的差异，在串联、并联充放电的过程中会产生单体SOC变化速率不一致的问题，表现在单体电容电压变化的不均衡。如果不进行均衡管理，容量小的单体电容就会过充或过放，容量大的又得不到充分利用；这将对超级电容模组的循环使用寿命产生严重影响，同时还影响了隧道工程电机车的牵引力、运行速度、载荷能力等。由于隧道工程电机车所需要的电源功率大、工作电压高，需要数量较多的模组进行串联、并联使用，其工作电源的管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）是超级电容与用户之间的纽带，是为了能够提高超级电容的利用率，防止超级电容出现过度充电和过度放电，需进行实时跟踪超级电容运行状态及参数检测、实时采集超级电容充放电状态、剩余电量及运行里程估算、温度管理、电容单体之间均衡控制、故障诊断、电容状况预测和报警、信息监控、充放电管理等工作。因此，隧道工程电机车的BMS存在需要解决引线数量太多、共模干扰、共地等问题。电机车的工作环境较为复杂，而电机车超级电容电源性能受周围环境的影响很大，过高和过低的温度都会影响电池的寿命和容量。同时在SOC测量时也要充分考虑当时的温度值。超级电容的剩余电量和电压、电流、温度、老化程度等很多参数有关，BMS管理系统需要对单体电容电压等参数准确快速监测，现有的系统存在监测参数不全面、精度不高、实时性不好等缺点。
技术实现思路
为了克服以上所述的问题，本专利技术公开了一种基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统。本专利技术采用的技术方案是：一种基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统，包括具有通信接口、CAN接口的电源管控器，通过CAN总线连接的、按超级电容模组数量配置的N个模组均衡控制器，以及通过RS485总线与每个模组均衡控制器连接的、按超级电容模块数量设置的M个BMS节点；电源管控器可通过人机接口进行操控、通过通信接口及通信总线向电机车运行控制器和充电装置发送超级电容模组的实时状态参数，N个超级电容模组以串联方式提供工作电源使隧道工程电机车在电机车运行控制器的控制下投入运行，充电装置可在需要时根据超级电容模组的实时状态参数对N个串联超级电容模组实现不解体充电；每个超级电容模组由M个超级电容模块并联而成以满足隧道工程电机车对电源储电量的要求，超级电容模块均由相同型号相同数量K的单体超级电容串联而成以使N个超级电容模组串联的电压能满足隧道工程电机车的工作电压要求，每个超级电容模块均设置一个用于实时监测超级电容模块内各单体超级电容的工作电压电流和温度、并据此动态均压各单体超级电容充放电过程的BMS节点，每个超级电容模组设置一个通过RS485总线实时采集各超级电容模块工作状态参数、监测超级电容模组所处环境温度、并据各超级电容模块实时工作电流来动态均流其充放电过程的模组均衡控制器，电源管控器通过CAN接口及CAN总线连接N个模组均衡控制器以获取各超级电容模组、各单体超级电容的实时状态参数，并根据实时状态参数估算超级电容模组的剩余容量、预测超级电容模组的使用寿命，再据估算出来的剩余电量按照运行里程估算算法估算隧道工程电机车的可行驶里程，为电机车运行控制器、充电装置提供运行控制、充电控制所需的基础数据。在本专利技术中，所述的BMS节点包括节点CPU模块，提供节点CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模块两端取电变换后给BMS节点供电的电源电路，用于经RS485总线与模组均衡控制器通信的RS485接口，用于监测各单体超级电容工作温度的K个温传感器，用于监测超级电容模块工作电流的电流传感器，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模块内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；一个K=16的电压检测与均衡模块包括由电阻R43~R122、电容C1~C16、四运放IC10~IC13组成的16通道单体超级电容端电压检测电路，由电阻R1~R42、与超级电容模块中单体超级电容同规格的平衡电容C17、MOS管MOS1~MOS32、四通道光电耦合器IC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术是基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统，包括具有通信接口、CAN接口的电源管控器，通过CAN总线连接的、按超级电容模组数量配置的N个模组均衡控制器，以及通过RS485总线与每个模组均衡控制器连接的、按超级电容模块数量设置的M个BMS节点；电源管控器可通过人机接口进行操控、通过通信接口及通信总线向电机车运行控制器和充电装置发送超级电容模组的实时状态参数，N个超级电容模组以串联方式提供工作电源使隧道工程电机车在电机车运行控制器的控制下投入运行，充电装置可在需要时根据超级电容模组的实时状态参数对N个串联超级电容模组实现不解体充电；其特征在于：每个超级电容模组由M个超级电容模块并联而成以满足隧道工程电机车对电源储电量的要求，超级电容模块均由相同型号相同数量K的单体超级电容串联而成以使N个超级电容模组串联的电压能满足隧道工程电机车的工作电压要求，每个超级电容模块均设置一个用于实时监测超级电容模块内各单体超级电容的工作电压电流和温度、并据此动态均压各单体超级电容充放电过程的BMS节点，每个超级电容模组设置一个通过RS485总线实时采集各超级电容模块工作状态参数、监测超级电容模组所处环境温度、并据各超级电容模块实时工作电流来动态均流其充放电过程的模组均衡控制器，电源管控器通过CAN接口及CAN总线连接N个模组均衡控制器以获取各超级电容模组、各单体超级电容的实时状态参数，并根据实时状态参数估算超级电容模组的剩余容量、预测超级电容模组的使用寿命，再据估算出来的剩余电量按照运行里程估算算法估算隧道工程电机车的可行驶里程，为电机车运行控制器、充电装置提供运行控制、充电控制所需的基础数据。...

【技术特征摘要】
1.本发明是基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统，包括具有通信接口、CAN接口的电源管控器，通过CAN总线连接的、按超级电容模组数量配置的N个模组均衡控制器，以及通过RS485总线与每个模组均衡控制器连接的、按超级电容模块数量设置的M个BMS节点；电源管控器可通过人机接口进行操控、通过通信接口及通信总线向电机车运行控制器和充电装置发送超级电容模组的实时状态参数，N个超级电容模组以串联方式提供工作电源使隧道工程电机车在电机车运行控制器的控制下投入运行，充电装置可在需要时根据超级电容模组的实时状态参数对N个串联超级电容模组实现不解体充电；其特征在于：每个超级电容模组由M个超级电容模块并联而成以满足隧道工程电机车对电源储电量的要求，超级电容模块均由相同型号相同数量K的单体超级电容串联而成以使N个超级电容模组串联的电压能满足隧道工程电机车的工作电压要求，每个超级电容模块均设置一个用于实时监测超级电容模块内各单体超级电容的工作电压电流和温度、并据此动态均压各单体超级电容充放电过程的BMS节点，每个超级电容模组设置一个通过RS485总线实时采集各超级电容模块工作状态参数、监测超级电容模组所处环境温度、并据各超级电容模块实时工作电流来动态均流其充放电过程的模组均衡控制器，电源管控器通过CAN接口及CAN总线连接N个模组均衡控制器以获取各超级电容模组、各单体超级电容的实时状态参数，并根据实时状态参数估算超级电容模组的剩余容量、预测超级电容模组的使用寿命，再据估算出来的剩余电量按照运行里程估算算法估算隧道工程电机车的可行驶里程，为电机车运行控制器、充电装置提供运行控制、充电控制所需的基础数据。2.根据权利要求1所述的基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统，其特征是：所述的BMS节点包括节点CPU模块，提供节点CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模块两端取电变换后给BMS节点供电的电源电路，用于经RS485总线与模组均衡控制器通信的RS485接口，用于监测各单体超级电容工作温度的K个温传感器，用于监测超级电容模块工作电流的电流传感器，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模块内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；一个K=16的电压检测与均衡模块包括由电阻R43~R122、电容C1~C16、四运放IC10~IC13组成的16通道单体超级电容端电压检测电路，由电阻R1~R42、与超级电容模块中单体超级电容同规格的平衡电容C17、MOS管MOS1~MOS32、四通道光电耦合器IC2~IC9和4/16译码器器IC1组成的单体电池电压平衡电路，其中4个四运放IC10、IC11、IC12、IC13与相应的电阻、电容构成16个减法电路，用于检测16个单体超级电容两端的电压差经电容C1~C16与相应电阻组成的一阶RC无源低通滤波后的16个检测输出信号ADin1~ADin16送节点CPU模块的ADC输入端，32个MOS管中除MOS1为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的32路光耦低电平有效控制，其中16个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C17的正极性端且其源极分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈献忠，文静，蔡尚松，蒋润德，黄采伦，赵延明，王靖，谢文超，
申请(专利权)人：湘潭牵引机车厂有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43