本发明属于城铁车辆车载蓄电池剩余容量计算方法领域，具体涉及一种城铁车辆蓄电池剩余容量计算方法。
背景技术：
目前，在城铁车辆车载蓄电池容量管理领域中，仅通过判断蓄电池电压值来衡量蓄电池剩余容量SOC(State OfCharge)的大小，当用电压值衡量法判定某电池的电压低于某一定值时，则认为该蓄电池不足以提供足够的容量供列车使用。这种电压值衡量法未能考虑充放电电流大小、蓄电池温度以及蓄电池老化程度等其他因素对蓄电池容量的影响，无法准确表示蓄电池当前真实的剩余容量，甚至会产生比较大的偏差，从而造成浪费和经济损失。
安时积分法是一种较为成熟的蓄电池剩余容量SOC的计算方法，其主要原理是通过计算一段时间内电流和充放电时间的积分求解得出积分时间内电量的变化值占初始总电量的百分比，进而求出初始容量和变化容量之间的差，该差值即为剩余容量，其计算公式为：
式(1)中，SOC(t)为剩余容量；SOC(t0)为初始容量，I为电池电流，Q为额定电量，t为积分时间；
电池本身的初始剩余容量SOC(t0)由TCMS列车控制和管理系统在列车初始上电时读取自身内部存储器中的当前值而获得。
在城铁车辆的行车过程中，若车载蓄电池容量过低，则充电机以恒定的标准电流为蓄电池充电，使蓄电池电量逐渐增加，当蓄电池充电基本达到满充量时进行恒压浮充，以极小电流继续充电确保蓄电池的电气性能得到最大程度的恢复，此过程充电效率近似为100％，因此计算蓄电池剩余容量的动态过程无需考虑充电效率。但当蓄电池放电时，其放电电流的大小则会根据负载的不同而变化，且其变化过程差别极大，没有规律可供追寻，因此蓄电池的放电倍率对电池剩余容量的动态过程必须予以考虑。
另一方面，蓄电池的生产厂家会根据多次试验和记录，总结并得出一个《不同放电电流与放电时间的关系表》作为表1，该表1通常是电池厂家针对其出售的蓄电池产品提供的试验参数，用以指导用户了解其电池的基本性能。所述多次试验是指在25℃的标准温度条件下，将被测试的蓄电池以表1所试验的电流值I测进行多次放电试验，记录其在放电过程中使电池电量耗尽所需要耗费的时间值T测；
以南昌地铁2号线车辆项目所使用的国内城铁车辆常用DTM-3系列型车载蓄电池为例，该电池出厂时，由厂家所提供的不同试验的放电电流值I测及其对应的测量时间T测的已知对应关系如下述表1所示：
表1
表1所示的不同的测试电流I测及其对应的测量时间T测，其二者的数值对应关系均为厂家所提供的已知量。
购买蓄电池的用户可以参照表1的数据并根据自己的应用蓄电池时的特殊工况环境和使用方法来进一步验证蓄电池的参数性能，或尝试重新推理得出有针对性的独特算法补偿因子。
然而，由于单体蓄电池生产工艺的复杂性，即使同一批次的蓄电池在出厂时也存在个体差别，同时，不同的蓄电池在其各自的放电使用过程也大相径庭，这导致不同的蓄电池个体的实际使用工况存在较大差异，这造成蓄电池的荷电状态受放电电流、电池内部温度、自放电、老化等因素的影响而呈现截然不同的电池剩余容量状态。现有的安时积分法所求解的蓄电池剩余容量SOC值未能充分考虑前述影响因素所造成的误差，因此该方法计算结果不够精确，无法准确反映蓄电池剩余容量SOC的实际值，其结果往往产生比较大的偏差，因此不能满足车载电源管理模块对电池容量测评的及时性和准确性的高精度计算需求，进而严重影响电源管理模块向铁路列车的TCMS列车控制和管理系统(Train Control andManagement System，TCMS)所实时上报的蓄电池参数信息和系统低压告警信息的可靠性，这导致车载电源管理模块无法为列车调试或运营时提供准确的蓄电池状态信息，甚至危害行车安全。
技术实现要素：
为了解决现有的安时积分法所求解的蓄电池剩余容量SOC值未能充分考虑蓄电池的荷电状态受充放电电流、电池内部温度、自放电、老化等影响因素所造成的误差，其无法准确反映蓄电池剩余容量SOC的实际值，因此不能满足车载电源管理模块对电池容量测评的及时性和准确性的高精度计算需求，进而这导致车载电源管理模块无法为列车调试或运营时提供准确的蓄电池状态信息，甚至危害行车安全的技术问题，本发明提供一种城铁车辆蓄电池剩余容量计算方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
城铁车辆蓄电池剩余容量计算方法，其包括如下步骤：
步骤一：设定所需的参数变量，其具体包括如下子步骤：
步骤1.1：将蓄电池生产厂家提供的不同放电电流与放电时间的关系表1中所给出的测量时间T测的时间单位由分钟m转换为小时h，然后将表1所示试验参数的电流值I测与耗费的时间T测的二者乘积来求得该测试蓄电池的容量电量Qcal0；并将计算结果与表1合并，重新整合为不同放电电流与时间及相应计算电量的关系表表2；
步骤1.2：在获得表2所示的数据后，继续步骤1.3；
步骤1.3：分别定义电池温度补偿因子f(Temp)、循环寿命补偿因子f(Time)、动态过程中电池容量的变化量ΔSOC、温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))、放电倍率补偿因子、电池剩余容量的存储值SOC(t0)、不同放电电流与时间及相应电量的关系所定义的动态过程中实时电池剩余容量为SOC(t)以及TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)，其中：
所定义的电池温度补偿因子f(Temp)是实时的已知量，其表达式为：
f(Temp)＝1+kT×(T-T0)……(2)
式(2)中，电池初始温度T是由温度传感器实时检测而获得的已知量，单位为摄氏度；kT是温度系数，其取值范围是(0.006～0.008)；T0为额定电量Q所对应的温度，其是已知量；
所定义的循环寿命补偿因子f(Time)是实时的已知量，其表达式为：
式(3)中，∑Time(i)为电池累计循环次数，该参量由列车控制和管理系统TCMS自动存储和调取，TimeInitial为电池出厂时的额定循环寿命，是已知量；
定义η为放电倍率其表达式分别为：
式(4)中，QN表示采用标准电流对电池进行放电时从电池中所放出的电量值，其是蓄电池出厂时由蓄电池厂家提供的固有已知参数；
Qcal表示采用任意电流从电池中放出的电量；Qcal根据前述表2查表获得，Qcal是已知量；
定义温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))，其表达式为：
f(Temp(t))＝1+kT×(T(t)-T0)……(5)
式(5)中，待求解的参量f(Temp(t))表示温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子；温度系数kT的取值范围是(0.006～0.008)；电池实时温度T(t)是由温度传感器实时检测而获得的已知量；T0为额定电量Q对应的初始温度值，T0是已知量；
所定义的动态过程中电池容量的变化量ΔSOC的表达式为：
式(6)中，待求解的参量ΔSOC为动态过程中电池容量的变化量，f(Temp(t))为前述式(5)所述的温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子，可通过计算求得；η为放电倍率，其通过前述式(4)计算求得，电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤二：在列车蓄电池上电后，计算和求解部分后续步骤所需的高级参量，其具体包括如下子步骤：
步骤2.1：由列车控制和管理系统TCMS读取内部存储器中存储的蓄电池剩余容量SOC的存储数值SOC(t0)；
步骤2.2：根据步骤一所述式(2)计算获得电池温度补偿因子f(Temp)；
步骤2.3：根据步骤一所述式(3)计算获得循环寿命补偿因子f(Time)；
步骤2.4：根据步骤一所述式(4)计算获得放电倍率η；
步骤2.5：根据步骤一所述式(5)计算获得温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))；
步骤2.6：将步骤2.5所求解的f(Temp(t))作为已知量并进一步根据步骤一所述式(6)计算获动态过程中电池容量的变化量ΔSOC，然后执行步骤三；
步骤三：由列车控制和管理系统TCMS判断其自身的控制系统在电源稳态状态下已经连续运行是否不足2s，若是，则执行步骤四，否则直接执行步骤六；
步骤四：定义并计算求解TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)，其补偿表达式为：
SOC'(t0)＝SOC(t0)×f(Temp)×f(Time)……(7)
式(7)中，待求解的SOC'(t0)表示TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值，其由TCMS在初始上电后的2s以内，读取自身的当前电池当前总容量值而获得，并作为初始已知量参与后续运算；TCMS读取的电池容量存储值SOC(t0)、电池温度补偿因子f(Temp)和循环寿命补偿因子f(Time)则由步骤2.1至步骤2.3分别获得；
步骤五：根据表2所定义的动态过程，定义并求解实时电池剩余容量SOC(t)，其表达式为：
SOC(t)＝SOC'(t0)-ΔSOC……(8)
式(8)中，待求解的参量SOC(t)为根据表2所定义的不同电流与时间及相应电量的关系所定义的动态过程中实时电池剩余容量；
TCMS运行2s之内的电池当前总容量SOC'(t0)可通过步骤四式(7)计算求得；
动态过程中电池容量的变化量ΔSOC可通过步骤一所述式(6)计算求得；
步骤六：依据步骤2.5所述的电池温度补偿因子f(Temp(t))对步骤一所述式(6)的电池容量变化量ΔSOC进行实时的电池温度补偿，其补偿表达式为：
式(9)中，电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤七：由列车控制和管理系统TCMS判断电池是否处于放电状态，若是，则执行步骤八，否则，执行步骤九；
步骤八：由列车控制和管理系统TCMS对步骤六所述式(9)的电池容量变化量ΔSOC进行放电倍率补偿，其补偿表达式为：
式(10)中，电池温度补偿因子f(Temp(t))由步骤2.5获得，放电倍率η由步骤2.4获得；电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤九：由列车控制和管理系统TCMS计算当前电池剩余容量值SOC(t)，其计算表达式为：
SOC(t)＝SOC'(t0)-ΔSOC……(11)
式(11)中，TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)可通过步骤四所述式(7)计算求得；电池容量变化量ΔSOC通过步骤八所述式(10)计算求得；
步骤十：由列车控制和管理系统TCMS将步骤九所述当前电池剩余容量值SOC(t)的计算结果以及当前对应的电池累计循环次数∑Time(i)保存到内部存储器中，然后重复执行步骤三直至列车断电为止。
本发明的有益效果是：该城铁车辆蓄电池剩余容量计算方法充分地考虑了在实际工况中影响蓄电池荷电状态的多种参量的变化规律，以便将这些参量的变化规律与多个能够影响蓄电池容量求解精度的出厂额定指标综合考虑，并结合从实际工况中所总结的经验规律来尝试建立反应所有变量和系统误差的统一数学模型，该具有误差补偿能力的数学模型能够精确计算蓄电池在多种工况下的容量值，因此能够为列车调试或运营管理提供快捷而可靠的蓄电池容量状态信息，具有广阔的应用前景和推广价值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
以南昌地铁2号线车辆项目所使用的国内城铁车辆常用DTM-3系列型车载蓄电池为例，具体应用本发明的城铁车辆蓄电池剩余容量计算方法时，其具体步骤如下：
步骤一：设定所需的参数变量，其具体包括如下子步骤：
步骤1.1：将蓄电池生产厂家提供的《不同放电电流与放电时间的关系表》，即表1中所示的测量时间T测的时间单位由分钟单位m转换为小时单位h，然后将表1所示试验参数的电流值I测与耗费的时间T测的二者乘积来求得该测试蓄电池的容量电量Qcal0；并将计算结果与表1合并，重新整合为《不同放电电流与时间及相应计算电量的关系表》表2，如下：
表2中，Qcal0＝I测×T测，其计量单位是Ah，即(安培×小时)；
步骤1.2：在获得表2所述的《不同放电电流与时间及相应计算电量的关系表》数据后，继续步骤1.3；
步骤1.3：分别定义电池温度补偿因子f(Temp)、循环寿命补偿因子f(Time)、动态过程中电池容量的变化量ΔSOC、温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))、放电倍率补偿因子、电池剩余容量的存储值SOC(t0)、不同放电电流与时间及相应电量的关系所定义的动态过程中实时电池剩余容量为SOC(t)以及TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)等初级已知量，其中：
所定义的电池温度补偿因子f(Temp)是实时的已知量，其表达式为：
f(Temp)＝1+kT×(T-T0)……(2)
式(2)中，电池初始温度T是由温度传感器实时检测而获得的已知量，单位为摄氏度；kT是温度系数，其取值范围是(0.006～0.008)；T0为额定电量Q所对应的温度，其是已知量；
所定义的循环寿命补偿因子f(Time)是实时的已知量，其表达式为：
式(3)中，∑Time(i)为电池累计循环次数，该参量由列车控制和管理系统TCMS自动存储和调取，TimeInitial为电池出厂时的额定循环寿命，是已知量；
定义η为放电倍率其表达式分别为：
式(4)中，QN表示采用标准电流对电池进行放电时从电池中所放出的电量值，其是蓄电池出厂时由蓄电池厂家提供的固有已知参数；
Qcal表示采用任意电流从电池中放出的电量；Qcal根据前述表2查表获得，Qcal是已知量；
定义温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))，其表达式为：
f(Temp(t))＝1+kT×(T(t)-T0)……(5)
式(5)中，待求解的参量f(Temp(t))表示温度的动态补偿因子随时间的动态变化量；温度系数kT的取值范围是(0.006～0.008)；电池实时温度T(t)是由温度传感器实时检测而获得的已知量；T0为额定电量Q对应的初始温度值，T0是已知量；；
所定义的动态过程中电池容量的变化量ΔSOC的表达式为：
式(6)中，待求解的参量ΔSOC为动态过程中电池容量的变化量，f(Temp(t))为前述式(5)所述的温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子，可通过计算求得；η为放电倍率，其通过前述式(4)计算求得，电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤二：在列车蓄电池上电后，计算和求解部分后续步骤所需的高级参量，其具体包括如下子步骤：
步骤2.1：由列车控制和管理系统TCMS读取内部存储器中存储的蓄电池剩余容量SOC的存储数值SOC(t0)；
步骤2.2：根据步骤一所述式(2)计算获得电池温度补偿因子f(Temp)；
步骤2.3：根据步骤一所述式(3)计算获得循环寿命补偿因子f(Time)；
步骤2.4：根据步骤一所述式(4)计算获得放电倍率η；
步骤2.5：根据步骤一所述式(5)计算获得温度补偿因子随时间的动态变化量校正因子f(Temp(t))；
步骤2.6：将步骤2.5所求解的f(Temp(t))作为已知量并进一步根据步骤一所述式(6)计算获动态过程中电池容量的变化量ΔSOC，然后执行步骤三；
步骤三：由列车控制和管理系统TCMS判断其自身的控制系统在电源稳态状态下已经连续运行是否不足2s，若是，则执行步骤四，否则直接执行步骤六；
步骤四：定义并计算求解TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)，其补偿表达式为：
SOC'(t0)＝SOC(t0)×f(Temp)×f(Time)……(7)
式(7)中，待求解的SOC'(t0)表示TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值，其由TCMS在初始上电后的2s以内，读取自身的当前电池当前总容量值而获得，并作为初始已知量参与后续运算；TCMS读取的电池容量存储值SOC(t0)、电池温度补偿因子f(Temp)和循环寿命补偿因子f(Time)则由步骤2.1至步骤2.3分别获得；
步骤五：根据表2所定义的动态过程，定义并求解实时电池剩余容量SOC(t)，其表达式为：
SOC(t)＝SOC'(t0)-ΔSOC……(8)
式(8)中，待求解的参量SOC(t)为根据表2所定义的不同电流与时间及相应电量的关系所定义的动态过程中实时电池剩余容量；
TCMS运行2s之内的电池当前总容量SOC'(t0)可通过步骤四式(7)计算求得；
动态过程中电池容量的变化量ΔSOC可通过步骤一所述式(6)计算求得；
步骤六：依据步骤2.5所述的电池温度补偿因子f(Temp(t))对步骤一所述式(6)的电池容量变化量ΔSOC进行实时的电池温度补偿，其补偿表达式为：
式(9)中，电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤七：由列车控制和管理系统TCMS判断电池是否处于放电状态，若是，则执行步骤八，否则，执行步骤九；
步骤八：由列车控制和管理系统TCMS对步骤六所述式(9)的电池容量变化量ΔSOC进行放电倍率补偿，其补偿表达式为：
式(10)中，电池温度补偿因子f(Temp(t))由步骤2.5获得，放电倍率η由步骤2.4获得；电池额定电量Q是已知量，I为电池动态过程中放电电流，为一个实时变化量，是由电流传感器实时检测而获得的已知量；积分时间段为t0到t，t为积分计算的瞬时时刻；
步骤九：由列车控制和管理系统TCMS计算当前电池剩余容量值SOC(t)，其计算表达式为：
SOC(t)＝SOC'(t0)-ΔSOC……(11)
式(11)中，TCMS运行2s之内对电池剩余容量的初始补偿值SOC'(t0)可通过步骤四所述式(7)计算求得；电池容量变化量ΔSOC通过步骤八所述式(10)计算求得；
步骤十：由列车控制和管理系统TCMS将步骤九所述当前电池剩余容量值SOC(t)的计算结果以及当前对应的电池累计循环次数∑Time(i)保存到内部存储器中，然后重复执行步骤三直至列车断电为止。