单节状态动车组蓄电池的监测装置研究

　　辅助电源系统(APU)是动车组中照明、升降弓、信号通信、车门控制、驱动和制动控制等重要负载的供电电源，其供电可靠性直接影响动车组的安全运行。辅助电源装置的后备电源一般采用蓄电池组，正常运行时由充电机浮充充电，当接触网电压缺失或变流器故障等情况下， 由蓄电池组作为应急备用电源为上述重要负载供电。目前对蓄电池组常用的检测方法只是对其总电压进行测量， 但电池组总电压并不能真实反映各单体电池的性能状况，即使有个别单体电池性能劣化，但整个电池组总电压也可能是正常的;而一旦发生接触网电压缺失或变流器故障，需要蓄电池组供电时，就可能无法保证紧急状态下的供电要求，从而扩大事故范围。为保证辅助电源装置供电的可靠性，必须对蓄电池组运行参数进行全面的实时在线监测。本文所设计的动车组蓄电池单节状态监测装置采用了Linear 公司的电池监测芯片LTC6803， 微控制单元选择了ST 公司的32 位微控制器STM32F105，以保证装置采样的实时性、数据处理的高速性及通讯的高效性。
　　1 装置设计原理
　　系统主要由蓄电池在线监测装置、上位机、触摸屏以及RS485 总线等构成。其中，蓄电池在线监测装置通过实时测量蓄电池组的单体电池电压、温度、充放电电流等参数，对单体电池荷电状态(SOC)、健康状况(SOH) 进行估算和预测，并通过车内RS485 总线与上位机或调试触摸屏进行通信; 上位机软件主要负责对蓄电池在线监测装置进行参数设置、发送信息的实时显示、存储的历史数据的读取和显示分析;调试触摸屏功能与上位机软件相似，只是调试触摸屏体积小易于携带，在装置安装布线阶段能起到很好的辅助检查作用。装置主要包括电源电路、STM32F105 单片机及其外围电路、电压采集电路、总电流采集电路、温度采集电路、存储电路、通信电路、实时时钟电路等，其基本结构如图1 所示。
　　2 系统硬件电路设计
　　2.1 电源电路
　　装置直接采用蓄电池组作为供电电源， 直接从蓄电池组两端取电。由于蓄电池组两端电压为108V，故需要电源模块进行电压转换， 本设计采用的电源模块为金升阳的URF1D_QB，其输入电压范围为66 160V(直流)，输出电压为5V。考虑到动车组复杂的电磁干扰环境，本设计在URF1D_QB 电源模块前段加入金升阳的EMC 滤波器FC-C01D。FC-C01D 输入电压范围为40 160V (直流)， 最大输出功率为10W， 符合EMC 标准IEC/ EN61000-4 系列及CISPR22 / EN55022，符合铁道行业标准RIA12、IEC571、EN50155、TB / T3021-2001。为防止因装置短路对蓄电池组造成不利影响， 在滤波器FC-C01D 前端加入自恢复保险丝。
　　本设计中单片机和存储芯片等多款芯片均需+3.3V 供电，因此采用LDO TLV70233DBV 将+5V 转换为+3.3V。该芯片采用了先进的iCoupler 磁隔离技术， 简化了外围电路，节省了电路成本和PCB 空间。
　　2.6 实时时钟电路
　　当蓄电池组发生故障时， 监测装置需要对故障发生时刻的数据进行实时记录与备份。本设计中采用EPSON 公司推出的拥有I2C 接口和温度补偿功能的高性能实时时钟芯片RX-8025，它支持I2C-BUS 高速模式(400kHz)，可以提供时计(时、分、秒)、日历(年、月、日、星期)的计数功能，能够自动判别闰年，具有定时报警功能，且内置高稳定度的32.768kHz 的数字温度补偿晶体振荡器。
　　3 系统软件设计
　　3.1 装置软件设计
　　使用C 语言在Keil Vision4 编译环境下进行模块化编程，考虑STM32F105 寄存器的定义繁琐，采用函数库进行程序编写，提高了代码的易读性和准确度，并通过JTAG 在线仿真调试，提高了软件设计效率。首先对装置中的各功能模块及集成芯片进行相应的初始化操作，初始化完成以后，首先判断是否接收到读取历史数据命令;若接收到读取历史数据命令则通过RS485 总线发送历史数据，若没接收到读取历史数据命令则进行各模块数据采集，然后对采集数据进行处理判断;判断是否发送预警或报警信息，若判断结果为是则发送预警或报警信息并将数据进行存储，若判断结构为否则直接对数据进行存储; 然后再判断是否显示数据， 若判断结果为是则通过RS485 总线发送数据并返回是否读取历史数据判断，若判断结果为否则直接返回读取历史数据判断。
　　3.2 触摸屏软件设计
　　调试触摸屏采用深圳显控公司的Samkoon SA-3.5A 触摸屏。该触摸屏采用24V 供电，是一款3.5 英寸彩色显示屏，采用强大的32 位RISC 微处理;采用RS485 通讯方式，可以通过相应软件对触摸屏进行配置与编程，开发周期较短，可通过对其编程模拟动车组中央控制器或上位机软件， 向装置发送相应指令来对装置进行调试。
　　4 系统测试
　　在实验室条件下， 进行了以磷酸铁锂电池组为测试对象的充放电调试。在调试过程中，实时记录触摸显示屏上的电池信息以及测量到的实际电池信息; 另外在调试中适时加入人为的故障模拟，用以观察系统的报警反应能力;实验结束后将装置采集数据与电池实测数据进行了对比， 实验结果表明该装置实现了设计任务。
　　5 结束语
　　该装置现已在时速350km 中国标准动车组上安全稳定运行了一年多，经受住了各种严苛考验。实际运行表明，该装置可以对动车组辅助电源系统蓄电池组的单体电压、充放电电流、温度及电池剩余容量等参数进行精确的实时监测， 当蓄电池组处于非正常状态时能进行及时预警，保证了电池组的安全，延长了电池组的使用寿命。