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原文传递基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统

专利名称：	基于超级电容的隧道工程电机车电源管理系统
摘要：	本发明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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	湘潭牵引机车厂有限公司
发明人：	陈献忠;文静;蔡尚松;蒋润德;黄采伦;赵延明;王靖;谢文超
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-23T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910436640.X
公开号：	CN110091880A
分类号：	B61C3/00(2006.01);B;B61;B61C;B61C3
申请人地址：	411100 湖南省湘潭市雨湖区草塘路15号
主权项：	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连接至16个单体超级电容的高电位端，另16个MOS管的漏极一起连接至平衡电容C17的负极性端且其源极分别连接至16个单体超级电容的低电位端，连接每个单体超级电容两端的MOS管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至4/16译码器器IC1的译码输出端，上电时4/16译码器器IC1的使能端由R1上拉或无需平衡时由控制单元输出KZOUT4＝1使IC1的输出全为高，32个MOS管全断开，需要平衡时由节点CPU模块输出KZOUT4＝0使能IC1并同时输出选择码KZOUT3、KZOUT2、KZOUT1、KZOUT0，以选通一个单体超级电容对平衡电容C17进行充电或放电；在超级电容模块充电或放电过程中，节点CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模块的工作电流，通过K个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量通过平衡电容C17转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时通过RS485总线将超级电容模块的工作参数传输到模组均衡控制器。 3.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：所述的模组均衡控制器包括模组均衡CPU模块，提供模组均衡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M个超级电容模块的并联输出端取电变换后给模组均衡控制器供电的电源电路，用于经RS485总线与M个超级电容模块的BMS节点通信的RS485接口，用于经CAN总线与电源管控器通信的CAN接口，用于监测超级电容模组工作环境温度的环温传感器，用于控制连接于M个超级电容模块负端的N沟道MOS管通/断的MOS管驱动控制电路；每个超级电容模组由M个超级电容模块组成，其正端并联在一起作为模组的正输出端，负端经N沟道MOS管后并联在一起作为模组的负输出端，模组均衡CPU模块通过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、并在电源管控器的控制下根据各超级电容模块实时工作状态参数智能决策、以PWM形式输出控制信号到MOS管驱动控制电路，由MOS管驱动控制电路控制超级电容模块负端M个N沟道MOS管的导通与断开占空比，实现各超级电容模组在充放电过程中的动态均流。 4.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：所述的电源管控器包括电源管控CPU模块，提供电源管控CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于从N个串联超级电容模组输出端取电变换后给电源管控器供电的电源电路，用于经CAN总线与N个超级电容模组的模组均衡控制器通信的CAN接口1，用于连接触摸显示屏以实现系统参数设置、工作状态形式的人机接口，用于经通信总线与电机车运行控制器、充电装置或其它设备通信的集成了RS485接口、WIFI模块、CAN接口2的通信模块；电源管控CPU模块过CAN接口1及CAN总线获取各超级电容模组、各单体超级电容的实时状态参数，然后根据实时状态参数估算N个串联超级电容模组的剩余容量、预测超级电容模组的使用寿命、估算隧道工程电机车的可行驶里程并通过触摸显示屏显示给用户。
所属类别：	发明专利