施曉芳 牛希洋 丁賀敏

（1、中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031 2、蘭州石化公司檢維修中心，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

蓄電池是軌道交通車輛中重要的供電設(shè)備，主要用于車輛的喚醒及緊急工況下為車輛緊急負(fù)載供電。然而在車輛運(yùn)營過程中，蓄電池存在多種問題，如漏液、鼓包、短路、壞死、容量不足、失效、爆炸等，為了便于監(jiān)控蓄電池的工作狀態(tài)，避免車輛運(yùn)營過程中出現(xiàn)不必要的故障，現(xiàn)多個(gè)已開通運(yùn)營的項(xiàng)目中要求加裝蓄電池管理系統(tǒng)?？紤]到已運(yùn)營項(xiàng)目加裝改造整改工作量、整改周期、整改成本等因素，對于已經(jīng)開通運(yùn)營的項(xiàng)目，推薦采用基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統(tǒng)。使用該方案可實(shí)現(xiàn)：整改方案簡單、整改工作量小、整改周期短、整改成本低等目標(biāo)，通過本方案可及時(shí)掌握蓄電池的使用維護(hù)情況，判斷車載充電設(shè)備是否正常，方便及時(shí)排除蓄電池相關(guān)故障，避免蓄電池相關(guān)故障發(fā)生。

2 方案介紹

2.1 有線式蓄電池管理系統(tǒng)方案介紹

常規(guī)項(xiàng)目執(zhí)行過程中，蓄電池管理系統(tǒng)采用有線傳輸方案，即采樣盒與主控器之間、主控器與車輛TCMS 之間均采用有線傳輸方案。該方案執(zhí)行過程中涉及現(xiàn)場底架大設(shè)備拆卸、安裝，現(xiàn)場線束的加工、制作、敷設(shè)等。并且蓄電池箱內(nèi)敷設(shè)有大量線束，后期蓄電池做恢復(fù)性充電時(shí)，需要拆卸大量線束，不便于后期蓄電池的維護(hù)和保養(yǎng)，改造方案具體如圖1 所示。

圖1 有線式蓄電池管理系統(tǒng)安裝實(shí)物照片

2.2 無線式蓄電池管理系統(tǒng)方案介紹

本方案是對既有項(xiàng)目電池組組進(jìn)行自動(dòng)化檢測管理，對電池組和單體進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的檢測顯示和報(bào)警。考慮到加裝改造方案的簡化性和可行性，為了簡化現(xiàn)場蓄電池管理系統(tǒng)的加裝改造、降低改造成本、縮短改造周期，現(xiàn)采用基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統(tǒng)，本方案包括：84 個(gè)無線采樣盒(采樣盒數(shù)量同蓄電池單體數(shù)量)、1 個(gè)主控器、1 個(gè)電流傳感器、1 個(gè)中間無線轉(zhuǎn)換模塊、2 個(gè)433 天線（SAM天線）、1 個(gè)4G（5G）天線、若干電纜、接線端子等組成。

采樣盒與主控器采用無線傳輸方案（從主控器到電池箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸采用SMA 的延長線（無線433 天線），將全防水的天線安裝在蓄電池箱內(nèi)，用SMA 延長線將無線天線與主控器進(jìn)行連接），主控器與車載TCMS 采用無線傳輸方案（主控器能夠通過lora 無線傳輸方案將檢測數(shù)據(jù)傳輸給中間無線轉(zhuǎn)換模塊，中間無線轉(zhuǎn)換模塊安裝在客室電器柜內(nèi)），再通過RS485 將無線轉(zhuǎn)換模塊中的檢測數(shù)據(jù)傳輸給車輛TCMS 系統(tǒng)。主控器上留有4G 接口(5G)，也可以通過4G(5G)模塊將數(shù)據(jù)傳送到地面服務(wù)器。為方便保存與查看。存儲的數(shù)據(jù)可以通過主控器USB 接口導(dǎo)出表格并生成曲線，便于分析蓄電池的車載充放電維護(hù)運(yùn)行情況和性能狀態(tài)。加裝改造方案具體如圖2、3、4 所示。

圖2 無線433 天線安裝實(shí)物照片

圖3 無線式采樣盒安裝實(shí)物照片

在列車正常工作時(shí)，由主控器對總電壓、總電流進(jìn)行測量，并估算蓄電池的剩余容量，同時(shí)發(fā)送指令啟動(dòng)無線采樣盒對蓄電池單體電壓、溫度進(jìn)行測量，主控器接收到各單體電壓后，對單體電壓相加處理形成蓄電池單箱1 和蓄電池單箱2 的組電壓，檢測數(shù)據(jù)通過Lora 無線傳給中間無線轉(zhuǎn)換模塊，中間無線轉(zhuǎn)換模塊再通過RS485 傳輸給車輛TCMS，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。（相關(guān)數(shù)據(jù)也可以通過無線4G 或者是5G 模塊將數(shù)據(jù)上傳至地面服務(wù)器，通過登錄賬號查看相關(guān)數(shù)據(jù)）。

2.2.1 無線式采樣盒數(shù)據(jù)采集及發(fā)送

84 個(gè)采樣盒與主控器之間通過無線方式通訊，單個(gè)采樣盒對單體電池電壓及單體電池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，無線采樣盒接收來自主控器的通訊指令啟動(dòng)和傳輸單體電池?cái)?shù)據(jù)。無線采集盒內(nèi)部采用一顆芯片實(shí)現(xiàn)蓄電池在線監(jiān)測功能，采樣盒具有無線傳輸功能，傳輸方式為無線433M射頻傳輸。

2.2.2 主控器數(shù)據(jù)采集及發(fā)送

圖4 主控器及無線4G 天線安裝實(shí)物照片

主控器為本系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)提供電流傳感器的工作電源；負(fù)責(zé)與電流傳感器及與車輛的通訊；對采樣盒發(fā)出檢測命令，并儲存回傳的檢測數(shù)據(jù)（通過無線天線）；主控器具有測量電池組總電壓、總電流功能，并根據(jù)采樣盒采集的單體電壓計(jì)算兩個(gè)單箱的總電壓。主控器能夠通過lora 無線傳輸方案將檢測數(shù)據(jù)傳輸給中間無線轉(zhuǎn)換模塊，中間無線轉(zhuǎn)換模塊再通過RS485 將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給車輛TCMS。主控器設(shè)有輸入電源開關(guān)，用于電源的控制。并具備維護(hù)USB 接口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

2.2.3 系統(tǒng)原理框圖

加強(qiáng)部隊(duì)官兵實(shí)戰(zhàn)意識的培養(yǎng)，熟練掌握現(xiàn)代化指揮手段。改善培訓(xùn)設(shè)施，優(yōu)化培訓(xùn)內(nèi)容，豐富培訓(xùn)手段，提高對維和人員的培訓(xùn)能力。在培訓(xùn)中注重實(shí)戰(zhàn)模擬和訓(xùn)練，強(qiáng)化作戰(zhàn)運(yùn)用實(shí)踐，熟練掌握現(xiàn)代化作戰(zhàn)方式。增強(qiáng)快速軍事部署能力，提高應(yīng)對多種安全威脅、遂行多樣化軍事任務(wù)的響應(yīng)能力。

本系統(tǒng)集檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)于一體；可以實(shí)時(shí)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(shí)間、環(huán)境溫度和日期，具有超限告警功能。

蓄電池管理系統(tǒng)中主控器、電流傳感器、4G 天線安裝于車下新增設(shè)備箱中，采樣盒及433 天線安裝在蓄電池箱內(nèi)，中間無線轉(zhuǎn)換模塊安裝在車上電器柜內(nèi)。基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統(tǒng)原理框圖及功能框圖如圖5 所示。

圖5 蓄電池管理體系功能框圖

2.2.4 容量（SOC）計(jì)算及修正

SOC 為電池當(dāng)前實(shí)際可以放出的電量，單位是容量的百分比。SOC 與蓄電池電壓、電流、溫度等參數(shù)都有很大關(guān)系，本方案中采用安時(shí)積分法對SOC 進(jìn)行計(jì)算，將電池在不同電流下的放電電量累計(jì)起來作為電池的放電量，計(jì)算公式如下：

其中SOC0 為SOC 初值；CN 為電池額定容量；K 為溫度、電流、老化程度等的校正參數(shù)；η 為充放電效率；I 為電流值。

通過電流和時(shí)間的積分，將箱體溫度換算成補(bǔ)償系數(shù)引入SOC 的估算，同時(shí)比對該蓄電池組的放電曲線，進(jìn)行修正計(jì)算，得出剩余容量值。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較分析

（1）不需要拆卸底架大型吊掛設(shè)備（輔助逆變器、空氣壓縮機(jī)、蓄電池箱、低壓配電箱等）；

圖6 電壓、電流、容量修正曲線

（2）不需要拆卸底架線槽安裝蓋板；

（3）底架線槽內(nèi)不需要增加線束；

（4）不需要增加從蓄電池管理系統(tǒng)主控器到車輛TCMS 主機(jī)的線束，避免引上線方案的整改；

（5）減少加裝改造工作量；

（6）減少硬線線束，提高系統(tǒng)的美觀性；

（7）縮短加裝改造周期；

（8）降低加裝改造費(fèi)用。

通過本方案，可以實(shí)現(xiàn)在基本不影響既有車輛的運(yùn)營情況，以較短的時(shí)間、較為簡單的方案、較低的成本完成既有項(xiàng)目的蓄電池管理系統(tǒng)的加裝改造方案。

4 結(jié)論

該方案的實(shí)施為已開通運(yùn)營的項(xiàng)目中的蓄電池加裝改造方案提供了一個(gè)比較好的解決思路和辦法，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了參考和平臺，并且該方案通用性比較高，操作簡單、省時(shí)，方案的可行性高，成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景，并且會(huì)給公司帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。