李國直

（中國鐵路北京局集團有限公司北京科學技術研究所，北京100036）

1 概述

閥控式密封鉛酸蓄電池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA蓄電池）在鐵路系統(tǒng)中廣泛應用。蓄電池是內燃機車的重要部件之一，其用途主要是提供柴油機啟動用電，在柴油機停機或發(fā)電機故障時提供照明和部分控制電器用電［1-2］。蓄電池的理論循環(huán)使用壽命為15～25年，但實際使用中壽命情況和理論時間相差很大，有些蓄電池在使用3～5年后就出現(xiàn)容量不足以至于失效［3］。為了確保蓄電池處于安全有效的狀態(tài)、避免出現(xiàn)蓄電池早期失效的情況，對VRLA蓄電池的維護是必須的?，F(xiàn)階段對VRLA蓄電池的維護工作分為2部分，第1部分為日常維護，其中包括清理蓄電池的塵土以保持清潔、在規(guī)定時間循環(huán)周期中對蓄電池進行充放電以保證內部物質的活性、檢查蓄電池是否出現(xiàn)接觸不良等。第2部分為專業(yè)維護，主要包括蓄電池電壓檢測和容量測試，需要由專業(yè)人員利用專業(yè)儀器對蓄電池的參數(shù)進行測量［4］，并將數(shù)據(jù)進行存儲處理，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的蓄電池，并進行及時更換，從而提高整套系統(tǒng)的安全性；但在實際環(huán)境的檢測應用中，電壓檢測需離線且預見性較差，不足以成為判斷蓄電池早期失效的條件，因此容量測試是判斷蓄電池是否早期失效的重要依據(jù)，但在容量測試過程中，蓄電池溫度、使用時間、電解液密度等都會對其產(chǎn)生影響，同樣難以精確在線測量出具體數(shù)值大小。近年來蓄電池內阻與容量的關系越來越被業(yè)內人士所認可，大量試驗與數(shù)據(jù)證實了這種關系的正確性與可靠性［5］。

2 VRLA蓄電池內阻

VRLA蓄電池內阻是指電流流過VRLA蓄電池內部所受到的阻力。VRLA蓄電池內阻主要由極化內阻和歐姆內阻組成，其中極化內阻又包括電化學內阻和濃度極化內阻等；歐姆內阻是由VRLA蓄電池的內部構件如板柵、活性物質、隔膜和電解液產(chǎn)生。雖然VRLA蓄電池內阻遵循歐姆定律，但其大小也隨蓄電池的荷電狀態(tài)而改變。VRLA蓄電池的內阻值隨著蓄電池容量多少而改變，容量越大內阻越小，反之容量越小內阻越大。由分壓原理可知內阻大的蓄電池向外供電的能力低于內阻小的蓄電池［6］。

VRLA蓄電池內阻大小與蓄電池質量優(yōu)劣有很大關系，質量好的蓄電池和質量差的蓄電池內阻差別會非常明顯。由能量消耗法則可知，當蓄電池向外部電路供電時，因為質量好的蓄電池內阻小，自身消耗很低，所以可持續(xù)向外輸出大電流進行放電；而質量差的蓄電池由于其內阻較大，在電流通過蓄電池本身時消耗了大量能量用來發(fā)熱，所以向外部電路持續(xù)供電的能力較差。且當內阻大的蓄電池產(chǎn)生的大量熱量來不及排出時，會對蓄電池的安全產(chǎn)生隱患。同樣，由歐姆定律可知，在蓄電池內阻大的情況下，內阻大意味著放電時分壓大，蓄電池在放電過程中端電壓下降很快，端電壓很快就會低于用電系統(tǒng)的最低電壓要求，從而引發(fā)用電系統(tǒng)故障［7］。

經(jīng)過大量對VRLA蓄電池內阻的數(shù)據(jù)分析，得到VRLA蓄電池內阻與蓄電池性能及容量有如下關系［8］：

（1）VRLA蓄電池在低倍率放電時，其內阻對蓄電池性能的影響不如蓄電池在高倍率放電時對蓄電池性能的影響明顯。

（2）VRLA蓄電池內阻的大小和蓄電池容量不能通過簡單等式關系表達，單純的內阻大小不能判斷出蓄電池的壽命長短，但在短時間內內阻的陡增預示著蓄電池的壽命即將終止，此時應及時更換新的蓄電池。

3 關鍵技術

3.1 交流四線法檢測內阻

測量蓄電池內阻不能采用“二線法”或其他方法，必須采用四線法，在電學測量中這種方法又稱開爾文電橋。開爾文四線檢測（Kelvin Four-Terminal Sensing）也被稱為四端子檢測（4T檢測，4Tsensing）、四線檢測或四點探針法，是一種電阻抗測量技術，使用單獨的對載電流和電壓檢測電極，相比傳統(tǒng)2個終端（2T）傳感能夠進行更精確的測量。開爾文四線檢測被用于一些歐姆表和阻抗分析儀，在精密應變計和電阻溫度計中作為接線配置，也可用于測量薄膜的薄層電阻。四線法檢測的主要優(yōu)點是采用分離的電流和電壓的電極，消除了布線和接觸電阻的阻抗。

工業(yè)蓄電池普遍應用于通信、能源、交通和IT等行業(yè)的電源設備上，與手機、電動車等民用蓄電池相比，其體積、容量更大，所以內阻特別小，一般在毫歐姆級，甚至低到微歐姆級，普通萬用表只有2條測量線（二線制），其測量值必然包含接觸電阻和測量線的導線電阻（合稱觸導電阻），觸導電阻通常范圍是幾毫歐至幾十毫歐，不僅遠大于被測對象，而且極不穩(wěn)定，而普通萬用表的測量下限僅為幾百毫歐姆，難以測出毫歐姆級的蓄電池內阻。

所有等效阻抗的測量方法都應遵從歐姆定律：R=V/I，其中：I為加載電流（或稱激勵電流、注入電流），V為加載電流在被測對象上建立的電壓，若加載電流I恒等于已知單位電流，那么V的采樣值就剛好等于被測阻抗值，再經(jīng)相位校正后可得被測純電阻值。二線制誤差的根源在于：采樣值V中含有加載電流I在觸導電阻上建立的電壓。顯然，如果直接從被測電阻兩端采樣，采樣值V將不再包括觸導誤差電壓，這意味著V的電壓采樣線必須獨立于I的電流加載線。因此，排除觸導誤差的關鍵是二線改四線，其技術實質是電流加載回路與電壓采樣回路的徹底分離。交流四線法測量內阻系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 交流四線法測量內阻系統(tǒng)框圖

3.2 蓄電池內阻傳感模塊

蓄電池內阻傳感模塊采用獨特的自供電設計，將設定電池數(shù)下的總電壓層層配置到CPU及其他電路，無需另外供電［7］。圍繞CPU，配備自激勵電流發(fā)生器、模擬開關、信號處理與變換、隔離通信端口等4種功能電路。蓄電池內阻傳感模塊框圖見圖2，包括用于產(chǎn)生測量用電流的自激勵驅動電路、傳感控制器、MUX多路開關。MUX多路開關的輸出端連接傳感控制器的采樣輸入端，MUX多路開關的地址端連接傳感控制器的控制輸出端，自激勵驅動電路的輸出用于加載被跨接的電池兩端的正極與負極。

3.3 LoRa無線傳輸技術

LoRa射頻是實現(xiàn)遠距離低功耗的無線調制技術，相比于傳統(tǒng)無線傳輸技術，可以傳輸更遠距離。使用簡單的星型組網(wǎng)結構就可建立LoRa微功率網(wǎng)絡。

VRLA蓄電池無線檢測裝置采用的LoRa組件是一款基于SEMTECH公司SX1212射頻芯片的無線串口模塊，透明傳輸方式，工作頻段為425.0～440.5 MHz（默認433.0 MHz），優(yōu)勢是無線信號穿透性強、繞射能力強，具有超低接收電流、單點喚醒功能。技術指標表明在開闊環(huán)境傳輸距離達到3 000 m，實際應用中即使在有障礙的環(huán)境下也可達到500 m，完全符合工作要求。該裝置無線傳輸拓撲結構示意見圖3。

圖2 蓄電池內阻傳感模塊框圖

圖3 VRLA蓄電池無線檢測裝置無線傳輸拓撲結構示意圖

4 方案實施

4.1 蓄電池組測試

蓄電池組除為傳感器、可編程控制器及其他電路供電外，傳感器中的低周波交流測試電流由直流運算放大器產(chǎn)生，運算放大器的2個差分輸出端接在蓄電池組兩端；運算放大器的2個差分輸入端，一端控制運算放大器是否工作/截止，另一端連接低周波正弦波信號發(fā)生器，運算放大器工作時，其直流工作點取值1 A，最大峰值電流可小于2 A，最小波谷電流近似為0，實現(xiàn)了交流測試電流流過蓄電池組的目的。

被測電池的充電器為AC/DC開關電源，交流紋波不大于50 mV，開關噪聲不大于200 mV。相比而言，傳感器激勵信號電壓不大于10 mV，激勵時間不大于900 ms。確定傳感器的分辨率要達到1 μΩ，A/D轉換器必須做到14～16位，在電路上采用相敏檢測設計，提高了裝置的抗干擾性。

因受傳感器體積所限，無法使用大電容隔直，采用2 A的直流作為交流激勵電流的載體，交流疊加在直流上，從而構成完整的“激勵環(huán)”。當開始注入測量電流和結束測量電流時，脈動直流電流均處于接近0的相位，此時測量電流對設備的干擾最小。因采用該項技術，傳感器需短暫承受無效發(fā)熱功耗，適當控制及盡量縮短運算放大器的工作時長，既可減少傳感器發(fā)熱量，也可減少蓄電池電量消耗，解決熱控制的難題。

4.2 精測精判

精測是指以微歐姆的分辨率在線測量蓄電池內阻的傳感器技術。測量蓄電池內阻是以1 A級特定頻率（約20 Hz）的精密激勵電流注入電池極柱，在極柱上測得的信號電壓正比于內阻數(shù)據(jù)。由于目標蓄電池內阻非常小，非1 μΩ的分辨率不足以滿足預警需求，而要達到這一分辨率，除需要更高精度的信號恒流源和極高抗干擾放大器外，還需要良好的四線制連接。精判是指從足夠精度的內阻數(shù)據(jù)中識別報警電池和提示預警電池。精判的前提是精測，從大量精測數(shù)據(jù)中總結出合適的報警閾值和預警閾值，證明在線上較強干擾下有令人滿意的準確率。

4.3 電極連接

具有保險功能的蓄電池與傳感器的連接附件可以熱拔插，前端叉形部分為預裝片，固定在電池極柱；后部為接線盒，內置保險管、外接測量線，將預熱片與接線盒組合后成為完整的附件。

首先預裝片固定在電池極柱上，然后插入接線盒，連線傳感器，根據(jù)空間大小，傳感器固定在電池箱體合適位置。每套傳感器可同時測量8只電池，按照一定順序編號后，連接測量電纜至對應電池即可實施測量。

4.4 軟件開發(fā)

以平板電腦為上位機載體，開發(fā)了專業(yè)APP軟件，并預裝在專業(yè)三防手持平板電腦中。檢修人員只需打開平板電腦中的APP，即可自動完成對被測蓄電池組中各蓄電池內阻、電壓等參數(shù)的檢測。平板電腦APP的主要功能包括實時檢測、提供測量數(shù)據(jù)及直觀圖形、完成蓄電池自動診斷與故障報警，以及數(shù)據(jù)存儲、查詢、報表打印等各項功能。

5 現(xiàn)場應用

蓄電池在鐵路系統(tǒng)有大量應用，如內燃、電力機車均使用VRLA蓄電池，目的是在機車啟動過程中依靠其提供電力。因此，蓄電池的可靠性直接關系到機車的運行安全。因蓄電池的運行環(huán)境惡劣，在安裝使用過程中操作不當?shù)仍蚨紩е滦铍姵毓收?。在機車上安裝使用蓄電池無線自動檢測裝置，檢測蓄電池內阻變化，可以解決機車蓄電池故障在線快速甄別和預警的難題。

VRLA蓄電池無線檢測裝置是針對鐵路應用現(xiàn)場的實際情況開發(fā)的，具有以下技術特點：

（1）實現(xiàn)了高精度微電阻測量。對于2 V蓄電池，可測電池內阻0～10.000 mΩ，分辨率可達1 μΩ級，精度為≤±5%；可測電池電壓0～2.500 V，分辨率可達1 mV，精度為≤±2%。

（2）一個傳感器可以測量4～8只2 V蓄電池，設置靈活，適應配接任意電池總數(shù)的電池組。

（3）采用射頻433.0 MHz的LoRa數(shù)字擴頻技術，專為遠距離、低帶寬、低功耗、物聯(lián)網(wǎng)應用設計；通信距離（無阻礙）達到3 000 m，地址容量多達65 000條。

（4）獨立雙串口，LoRa擴頻串口與USB座TTL串口互相獨立。

（5）通過參數(shù)設置，可以選擇不同空中速率與串口波特率。

由于機車蓄電池運行環(huán)境的特殊性，不能采用機架式檢測設備，不具備單獨外供電的條件，要盡可能減少測量接線，避免裝置安裝維護困難。另外，設計上嚴格依據(jù)國家相關技術標準，除測量準確性，應特別注意的是必須符合車載裝備電磁兼容性的要求。由于本裝置采用電池內阻無線檢測方法，無需將蓄電池從機車上取下，使蓄電池檢測達到快速甄別、自動維護，非常符合現(xiàn)場實際的應用要求。

首次在DF7型機車兩側48塊2 V 450 Ah蓄電池上加裝該檢測裝置后（見圖4），發(fā)現(xiàn)蓄電池內阻21塊電池告警、14塊電池預警，檢測結果表明該電池組基本不能再使用，建議更換。而在此次檢測、更換之前，該機車曾發(fā)生過多次無法啟動現(xiàn)象，說明使用該裝置進行檢測的結論是正確的。

圖4 機車蓄電池加裝檢測裝置

6 結束語

VRLA蓄電池無線檢測裝置的研制成功，大幅提高了蓄電池無線檢測可靠性，對發(fā)現(xiàn)和消除蓄電池的早期隱患、降低維修人員勞動強度具有重要的現(xiàn)實意義。特別是無線傳感器的設計應用，實現(xiàn)了檢測方法的技術提升，必將在蓄電池安全維護實現(xiàn)科學化和制度化管理方面產(chǎn)生深遠影響。該裝置適用于通信、電力、鐵路等直流電源系統(tǒng)中，可解決蓄電池組中劣化電池在線快速甄別和預警的難題，為保證直流電源系統(tǒng)的運用效率和檢修作業(yè)水平提供了可靠的技術保障。