解嵩博

（同濟(jì)大學(xué)，上?！?00092）

一種電動(dòng)列車蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)

解嵩博

（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

本文主要介紹了目前軌道交通列車車載蓄電池的特性，如何提高其在列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的可靠性及安全性，如何提高對(duì)其進(jìn)行維護(hù)時(shí)的檢修質(zhì)量及檢修效率。文中提到了對(duì)車載蓄電池充放電過程中的困難及問題——工作強(qiáng)度大、工作效率低、工作環(huán)境差。創(chuàng)新性的提出設(shè)計(jì)一套蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控蓄電池充放電過程中所必須要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并能對(duì)其中存在問題的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪選，提醒檢修人員及時(shí)找到有故障隱患的蓄電池。解決了困擾蓄電池充放電工作的主要問題，提高了蓄電池的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，保證了列車在行駛過程中的運(yùn)營(yíng)安全。

車載蓄電池實(shí)時(shí)監(jiān)控工作效率運(yùn)營(yíng)質(zhì)量運(yùn)營(yíng)安全

1　背景

軌道交通電動(dòng)列車車載蓄電池主要所采用的是堿性電池，在列車運(yùn)營(yíng)過程中，蓄電池始終處于浮充電過程中，完整的充放電過程在列車運(yùn)營(yíng)過程中基本不會(huì)出現(xiàn)。因此，列車運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間以后，蓄電池的充放電性能會(huì)下降，影響到蓄電池在列車運(yùn)營(yíng)過程中的使用效果，極易引起列車因虧電而迫停，引起救援；更有甚者，當(dāng)列車遇到觸網(wǎng)失電或者其他異常情況，需要長(zhǎng)時(shí)間使用車載蓄電池時(shí)，其工作時(shí)間往往無法滿足供給車載應(yīng)急設(shè)備（應(yīng)急照明、應(yīng)急通風(fēng)）45分鐘的必須要求（上海地鐵11號(hào)線技術(shù)招標(biāo)要求，7.4.1蓄電池的容量必須保證列車的緊急負(fù)載工作45分鐘），情況嚴(yán)重的，會(huì)引起蓄電池自燃、自爆等，可能會(huì)引起人員傷亡。

圖1　蓄電池充放電檢測(cè)設(shè)備接線原理圖

所以，如何保質(zhì)保量的完成對(duì)車載蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)，是一個(gè)值得研究的技術(shù)問題。根據(jù)各個(gè)電動(dòng)列車車載蓄電池維護(hù)手冊(cè)：

（1）在對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電過程中，為確保車輛的充電系統(tǒng)在規(guī)定的電壓和電流限制內(nèi)運(yùn)行需要進(jìn)行如下工作：1）安裝一塊鉗式電流表；2） 將一塊電壓表連接到電池端子上測(cè)量電池電壓；3）以上數(shù)據(jù)需要在充放電過程中定時(shí)測(cè)量；（上海地鐵1 1號(hào)線維修手冊(cè)MMWM0302_蓄電池，5.4.2.4）。

（2）為進(jìn)行容量測(cè)試，將電池與充放電逆變器連接，然后按如下方式：1）用28A的電流放電直至蓄電池電壓為1.00V/單體；2）中斷至少12小時(shí)（冷卻階段）；3）用28A直流電給蓄電池充電7.5小時(shí)；4）中斷至少2小時(shí)；5）蓄電池用28A電流放電至1.00V/單體；6）分別讀取并記錄容量試驗(yàn)第5步后，3.5小時(shí)、4小時(shí)、4.5小時(shí)甚至5小時(shí)之后的各個(gè)蓄電池的電壓。（上海地鐵9號(hào)線車輛維護(hù)保養(yǎng)、檢修及大修手冊(cè)第3.37卷蓄電池，2.3節(jié)）。

圖2　改進(jìn)前后工時(shí)對(duì)比

根據(jù)以上維修手冊(cè)的要求，為確保充放電設(shè)備在規(guī)定的電壓和電流限制內(nèi)運(yùn)行，保證對(duì)蓄電池充放電的質(zhì)量，檢修人員在蓄電池充放電過程中需要每隔一段時(shí)間對(duì)所有的蓄電池電壓電流進(jìn)行測(cè)量并記錄，而對(duì)完成一組蓄電池的充放電作業(yè)需要30個(gè)小時(shí)，可以說工作強(qiáng)度非常大。并且，在在測(cè)量蓄電池充、放電期間，工作人員在使用設(shè)備測(cè)量時(shí)，需要將表棒接觸電平液，容易造成腐蝕；而且，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)測(cè)量，容易造成接觸誤差、視覺誤差、疲勞誤差等多種累積誤差；此外，在蓄電池充、放電過程中，由于電解液的電解作用，電離子游動(dòng)造成電解液產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象，有毒氣霧不斷從補(bǔ)液口冒出，吸入人體后，容易造成工作人員的身體危害。

如何減輕軌道交通電動(dòng)列車蓄電池充、放電工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率及質(zhì)量，減少有毒有害氣體對(duì)人體的傷害，是擺在我們面前的迫切任務(wù)。為提高蓄電池充、放電各項(xiàng)工藝的質(zhì)量，減少有毒有害氣體對(duì)人體的傷害，同時(shí)減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，有必要開發(fā)并設(shè)計(jì)一種通用的電動(dòng)列車蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)。

2　技術(shù)方案

在國(guó)內(nèi)地鐵行業(yè)中，使用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)列車蓄電池充、放電電壓的測(cè)量無實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的先例。我們?cè)O(shè)想通過設(shè)置有反饋信號(hào)的儀表，采樣蓄電池充放電過程中的電壓、電流信號(hào)，信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絻蓚€(gè)地方，實(shí)時(shí)顯示屏幕以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)，可以做到依靠人員或電腦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓、電流數(shù)據(jù)變化。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)與工作人員預(yù)先設(shè)置進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一旦某節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比能夠及時(shí)判斷出來，并且通過蜂鳴器及時(shí)報(bào)警，并提醒工作人員異常蓄電池的位置，方便工作人員采取相關(guān)操作措施，分離有問題的電池，以達(dá)到對(duì)蓄電池的維護(hù)，提高蓄電池使用效率的目的。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，為避免某節(jié)蓄電池、電壓表發(fā)生故障時(shí)損壞其他設(shè)備，可通過每條線路中的保險(xiǎn)絲和限流電阻的保護(hù)，以達(dá)到其它線路能夠正常工作。

圖1為部分接線原理圖。

在確立制造方案時(shí)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際情況“量身定做”，在選材時(shí)充分考慮蓄電池自身組成的特殊性。由于蓄電池自身的堿性具有腐蝕的特性，系統(tǒng)必須采用專用的夾具、耐酸堿導(dǎo)線等，保證設(shè)備在使用過程中不會(huì)因腐蝕而發(fā)生異常。

同時(shí)，為確保設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到蓄電池充放電要求，因此在制作完線路圖后，使用電子工作平臺(tái)EWB進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，對(duì)各種可能發(fā)生的工作故障及意外情況均作了試驗(yàn)，在各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再執(zhí)行于實(shí)際制造。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線檢測(cè)系統(tǒng)主要功能是對(duì)鎳鎘蓄電池組中每一個(gè)蓄電池的端電壓進(jìn)行巡檢，其工作方式分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定時(shí)監(jiān)測(cè)兩類，定時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔由用戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，用戶可隨時(shí)切換實(shí)時(shí)與定時(shí)監(jiān)測(cè)兩種工作模式，通過監(jiān)視器顯示電壓、內(nèi)阻曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)及整體蓄電池的監(jiān)測(cè)操作?？赏瓿汕€顯示，圖表打印， 圖形保存，歷史數(shù)據(jù)回放多種管理功能，設(shè)置越限報(bào)警電壓如有異常情況立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

它的技術(shù)難點(diǎn)如下：（1）每只單體電池檢測(cè)模塊內(nèi)部均設(shè)計(jì)了輸入過流保護(hù)，即使模塊內(nèi)部電壓短路也不會(huì)損壞被測(cè)蓄電池組。（2）如何提高抗干擾性能，確保工作穩(wěn)定可靠。（3）為了不影響蓄電池組的正常使用，采用低功耗設(shè)計(jì)。（4）通過放電過程，發(fā)現(xiàn)性能不符合要求的單節(jié)蓄電池。（5）通過軟件計(jì)算電池容量。（6）對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)際容量測(cè)試的目的在于能夠準(zhǔn)確掌握電池組的實(shí)際放電能力，根據(jù)國(guó)家有關(guān)電源維護(hù)規(guī)程以及蓄電池維護(hù)效果要求，電池組荷電容量達(dá)不到80%便應(yīng)整組淘汰。

圖3　使用萬用表測(cè)量蓄電池；使用蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備

4　應(yīng)用示范及效果

以上海地鐵11號(hào)線AC16型車輛為應(yīng)用示范對(duì)象，在使用自今的實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)中，經(jīng)過充、放電檢修的蓄電池各種工藝指標(biāo)完好，能量充足，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，從而充分確保了地鐵列車的安全運(yùn)營(yíng)系數(shù)。在工作效益和社會(huì)效益預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)中，由于蓄電池充、放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的制造及使用，降低了工作人員的工作強(qiáng)度，減小了工作人員長(zhǎng)期與有害氣體接觸的時(shí)間，直觀及時(shí)地了解了蓄電池的充、放電的實(shí)時(shí)情況，從而提高了的工藝質(zhì)量。從效益上來說，有以下幾個(gè)方面：

（1）經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)備的成本造價(jià)為5萬元人民幣，但是通過該設(shè)備的利用，避免了原本使用萬用表測(cè)量蓄電池表棒接觸電平液容易造成腐蝕現(xiàn)象；并且大大節(jié)約了作業(yè)時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了列車維修進(jìn)度，很好地增加了潛在的經(jīng)濟(jì)效益：一列車蓄電池的充、放電需要4個(gè)人，現(xiàn)在只需要2個(gè)人。時(shí)間節(jié)約了工時(shí)144小時(shí)。全年24列車共節(jié)約工時(shí)3456小時(shí)。如果以一個(gè)工時(shí)￥15計(jì)，相當(dāng)于每年節(jié)約了￥51840。如圖2所示。

（2）工作環(huán)境。蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，不僅使員工直接面對(duì)蓄電池的時(shí)間減少了，呼吸有毒廢氣的時(shí)間也大大減少了，從而保障了員工的身體健康。如圖3所示。

（3）社會(huì)效益。由于軌道交通電動(dòng)列車上所使用的蓄電池結(jié)構(gòu)原理基本相同，每種蓄電池都需要進(jìn)行定期充放電的工作，也都需要監(jiān)測(cè)在充放電過程中的電壓，蓄電池充、放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以適應(yīng)目前所有的軌道交通電動(dòng)列車，對(duì)其的使用具有可推廣性。蓄電池充、放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，提高了蓄電池的工作質(zhì)量，減小了蓄電池引發(fā)故障的可能，保證了地鐵列車的安全運(yùn)營(yíng)系數(shù)，讓市民放心乘坐地鐵。

5　結(jié)語

蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到蓄電池充放電過程中每個(gè)蓄電池的性能指標(biāo)。

蓄電池充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)從無到有的工作，它的出現(xiàn)能夠大大提高工作人員對(duì)蓄電池充放電工作的檢修效率，對(duì)檢修人員保質(zhì)保量的完成對(duì)車載蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)起到了積極的作用，從而提高了列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。

［1］上海地鐵11號(hào)線維修手冊(cè)MMWM0302.

［2］上海地鐵9號(hào)線車輛維護(hù)保養(yǎng)、檢修及大修手冊(cè).