馬乾 劉丙林 姜云海

摘 要：堿性蓄電池廣泛應用于城市軌道交通車輛供電系統(tǒng)。伴隨著蓄電池在牽引等高頻、大功率放電工況下的應用，對于蓄電池的安全工作提出更高的要求。文章針對蓄電池傳統(tǒng)檢修方式中存在的問題，結(jié)合智能運維的發(fā)展趨勢，研發(fā)車輛蓄電池在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)應用效果良好，可為蓄電池智能運維提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;智能運維;蓄電池;在線監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：U231

1 研究背景

蓄電池廣泛應用于城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）車輛供電系統(tǒng)，為列車提供穩(wěn)定低壓電源和應急供電。蓄電池頻繁、大功率充放電的工作特點對于蓄電池的檢修維護提出了更高的要求，目前，蓄電池檢修主要采用計劃修為主，故障修為輔的相對保守維保模式，該模式存在如下問題：①受蓄電池箱體車下布置和修程設置情況限制，蓄電池狀態(tài)深度檢查周期在1年及以上;②不具備長期、系統(tǒng)性積累蓄電池運行數(shù)據(jù)的條件，缺乏實時準確掌握蓄電池工作狀態(tài)的手段;③部分地鐵線路前期曾出現(xiàn)蓄電池滲漏、爆炸等情況;④高鐵列車同樣出現(xiàn)過蓄電池工作超溫導致的火災情況，而傳統(tǒng)維護手段無法預知高頻率使用狀態(tài)下蓄電池工作過程安全狀態(tài);⑤國內(nèi)電力行業(yè)部分酸性蓄電池已加裝蓄電池監(jiān)測設備，實現(xiàn)了蓄電池基礎(chǔ)參數(shù)的測量，但是城軌車輛堿性蓄電池在線檢測尚無應用案例;⑥城軌車輛傳統(tǒng)的蓄電池檢修工作存在勞動強度大、作業(yè)周期長的特點;⑦電池組漏檢及觸電等潛在安全隱患;⑧電池檢測工作還處于人工操作階段，受設備限制，所測參數(shù)不全面，數(shù)據(jù)采集間隔較長，缺少蓄電池使用工況下的狀態(tài)檢查和實時性數(shù)據(jù)，無法對蓄電池的真實使用狀態(tài)開展分析研究，尤其是對于車輛堿性蓄電池的工作特性、氫氣濃度監(jiān)測等重點內(nèi)容尚無有效手段。為此，亟需研發(fā)車輛蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)蓄電池的智能在線實時監(jiān)測及智能檢修。

2 蓄電池智能在線監(jiān)測技術(shù)總體方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)包括主控器、采樣盒、電流傳感器、氫氣傳感器、空氣開關(guān)、聲光報警裝置和線纜等。列車正常工作時，由主控器發(fā)送測量啟動指令啟動采樣盒對單體蓄電池和蓄電池組的電壓、電流和溫度進行測量，估算蓄電池的剩余容量;氫氣傳感器采集箱體內(nèi)氫氣濃度并發(fā)送至主控器，主控器將采樣盒和氫氣傳感器的采集數(shù)據(jù)進行存儲并對電池組健康狀態(tài)進行告警及預判提示，最后通過4G網(wǎng)絡同步將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端或云端APP。

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)中，主控器與采樣盒之間通過RS485通信線纜相連接，每個采樣盒負責對單排共5 個（或4個）蓄電池單體的電壓、內(nèi)阻及溫度進行實時監(jiān)測，采樣盒安裝于電池箱的框架上，采樣盒與采樣盒之間通過通信線纜接入RS485總線。主控器內(nèi)置4G模塊，安裝4G卡后可以通過4G網(wǎng)絡無線連接至云端及手機APP，實時顯示蓄電池的各項健康參數(shù)，如有報警信息可實時推送至云端及手機APP。監(jiān)測數(shù)據(jù)可存儲6個月，USB接口可以與計算機連接通信，讀取的數(shù)據(jù)自動保存在數(shù)據(jù)庫，用戶能夠設定條件進行查詢。

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 主要設備模塊

（1）主控器。主控器是智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，能夠測量電池組總電壓、電流，可通過通信電路實現(xiàn)主控器與采樣盒、PC機、云端之間的數(shù)據(jù)存儲和通信。

（2）采樣盒。采樣盒是在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集部件，采樣盒在接收到主控器發(fā)出的測試命令后激活并啟動相應監(jiān)測，主要包括對蓄電池在線工作單體電壓、溫度等參數(shù)的監(jiān)測及采集，并通過RS485通信線纜將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控器。采樣盒與采樣盒之間通過RS485通信線纜連接。

（3）電流傳感器。電流傳感器是利用霍爾閉環(huán)原理將被測電流轉(zhuǎn)換成按比例跟隨輸出的電流或電壓的測量模塊，可準確測量電池組的充放電電流，同時可通過蓄電池干線電流變化判定蓄電池的當前狀態(tài)，包括均充、浮充及放電狀態(tài)，以及用于計算蓄電池組的剩余容量。

（4）氫氣傳感器。氫氣傳感器模組是采用催化燃燒原理，提供數(shù)字輸出信號，實現(xiàn)報警功能，用于檢測蓄電池箱內(nèi)的氫氣濃度。

（5）聲光報警裝置。聲光報警裝置通過AC 220 V 電源插座輸入和外網(wǎng)網(wǎng)線輸入，并通過云端接收裝置接受信息，包括蓄電池出現(xiàn)故障報警、聲光報警器報警信息。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.3.1 啟停控制

通過電源控制開關(guān)控制系統(tǒng)的啟停，當設備檢修、蓄電池維護或長時間停用蓄電池及監(jiān)測系統(tǒng)時，能夠方便、快速地停用全部監(jiān)測設備。

2.3.2 車輛設備功能影響

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設計為獨立的一套系統(tǒng)，不介入車輛的供電網(wǎng)絡，對蓄電池組只監(jiān)測不控制，避免對車輛運行造成影響。

2.3.3 功率損耗分析

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要耗電設備包括主控器、采樣盒、電流傳感器、氫氣傳感器4部分，其中，電流傳感器和氫氣傳感器由主控器供電，主控器由蓄電池組供電，每個采樣盒由所采集的蓄電池供電。

主控器平均功率為6W，每天耗電量為6W×24h×

1天/110V = 1.31Ah。采樣盒平均功率為0.5W，待機狀態(tài)功耗≤100μW可忽略不計，工作狀態(tài)耗電量為

0.5 W×24 h×1天/ 110 V = 1.11 Ah?？紤]到蓄電池組自

放電，按照要求的20%/月計算，自放電量為160Ah×

20%×1天/ 30天 = 1.07 Ah。因此，1天內(nèi)蓄電池的總耗

電量為1.31+1.11×10（10個采樣盒/蓄電池組） + 1.07 =

13.48Ah，約占蓄電池總?cè)萘康?.4%，在線監(jiān)測系統(tǒng)不會影響正常車輛的激活運行，若車輛進行長時間斷電停放，則需停用全部監(jiān)測設備，以避免蓄電池電量損耗。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

3.1 蓄電池組狀態(tài)監(jiān)測

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)對電池組電壓、充放電組電流、電池組剩余容量（SOC）進行檢測并生成記錄數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)曲線，如圖3～圖5所示。其中，剩余容量（SOC）指電池當前實際可以放出的電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，采用百分數(shù)表示。

3.2 蓄電池單體狀態(tài)監(jiān)測

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池單體溫度、電壓進行檢測，后臺可統(tǒng)計最大值、最小值和平均值并自動生成柱狀圖或表格進行全部顯示，如圖6、圖7所示。

3.3 故障告警

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池組和單體蓄電池參數(shù)的實時在線監(jiān)測，還能夠?qū)崿F(xiàn)電池組電壓上限、電池組電壓下限、充電電流上限、放電電流下限、單體電壓上限、單體電壓下限、單體溫度上限、電池組剩余容量下限、環(huán)境溫度上限、氫氣濃度上限的告警。用戶可通過手機APP 或網(wǎng)頁屏端實時查看蓄電池信息及告警推送，云端賬戶可以進行告警值修改和設置，如圖8所示。

4 蓄電池智能在線監(jiān)測運維分析

通過蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際加裝與應用，以及對比現(xiàn)有檢修維保模式，可見該系統(tǒng)在智能運維方面具有巨大潛力和優(yōu)勢，是實現(xiàn)蓄電池維護從“計劃檢修”向“智能維修”過渡的重要技術(shù)手段，具有巨大經(jīng)濟效益和廣闊發(fā)展前景。蓄電池智能在線監(jiān)測運維與傳統(tǒng)運維對比分析如表1所示，表1表明蓄電池智能在線監(jiān)測運維在數(shù)據(jù)采集、檢查項點、故障預警、爆炸氣體檢測、人工耗時、操作安全、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)檢修運維。

5 結(jié)束語

蓄電池作為儲能裝置，是城軌車輛安全、平穩(wěn)運行的基本條件之一，其維護運行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到車輛安全運營。蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)面向智能運維管理，通過檢測、數(shù)字信號處理、控制、通信等技術(shù)，實現(xiàn)了在線測量、記錄并存儲電池組在充電、放電和靜止階段的電壓/電流/時間/環(huán)境溫度和日期，以及超限告警，存儲的數(shù)據(jù)可以通過USB接口導出表格并生成曲線，便于分析蓄電池的車載充放電維護運行情況和性能狀態(tài)。蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)的應用對于及時掌握蓄電池的使用維護情況，判斷車載充電設備是否正常，避免蓄電池事故發(fā)生，提供了技術(shù)支持，對智能運維提供了技術(shù)保障。

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收稿日期 2020-06-29

責任編輯 朱開明