新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)在城市軌道交通中的應用

朱光文

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計處，710043，西安//高級工程師）

新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)在城市軌道交通中的應用

朱光文

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計處，710043，西安//高級工程師）

目前，城市軌道交通蓄電池常規(guī)維護方法存在很多缺點。為做好蓄電池的維護與檢測工作，提出了城市軌道交通新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)已應用于青島地鐵項目。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)的應用實踐表明：該系統(tǒng)不僅可彌補蓄電池常規(guī)維護方法的缺陷，而且還可整合各種常規(guī)檢測手段，實現(xiàn)蓄電池的實時在線檢測與維護。

城市軌道交通；蓄電池；維護與檢測；在線均衡

蓄電池是城市軌道軌道交通中重要的電源設備，也是繼配電柜、電源屏、UPS（不間斷電源））等核心供電設備后的最核心部分。其在各設備系統(tǒng)中充當了“心臟起搏器”的功能。一旦外部供電發(fā)生故障，UPS所配套的蓄電池就必須做到“一鍵啟動”，切實成為行車安全運營的最后一道保障。因此，蓄電池的最大特點就是高可靠性和可用性。蓄電池還有另外一個顯著特點——平時很少真正使用。城市軌道交通一般使用的電源都是一級負荷，加之現(xiàn)在的電網(wǎng)質量較高，故很少發(fā)生供電故障，蓄電池一般多處于“旁路”或“休眠“狀態(tài)。另外，大部分城市的地鐵使用了免維護蓄電池。出于“免維護”口號的誤導，眾多用戶放松了對蓄電池的日常維護和管理。這就造成了蓄電池早期容量的降低和損壞，使蓄電池不能滿足備用時間要求，因蓄電池容量不足或者失效造成的運營故障時有發(fā)生。因此，如何做好蓄電池在外電正常狀態(tài)下的日常維護工作，確保蓄電池在關鍵時刻不掉“鏈子”，就成了當前城市軌道交通中重點要考慮的問題之一。

1 傳統(tǒng)蓄電池維護及檢測方法

1.1 日常巡檢

日常巡檢是傳統(tǒng)蓄電池維護及檢測的重要方法之一，主要檢查蓄電池組中有無漏液、有無“臌肚子現(xiàn)象”、有無落后電池存在，以及蓄電池連接處有無銹蝕和固定螺釘松動等情況。

日常巡檢的缺點為：容易出現(xiàn)維護盲點，不能及時發(fā)現(xiàn)已存在的安全隱患。

1.2 定期維護

定期維護主要是定期對蓄電池進行人工充放電試驗并測試單體電池的電氣特性（如端電壓和內(nèi)阻等），通過預防性維護發(fā)現(xiàn)劣化或失效的電池［1］。

定期維護的缺點為：

（1）定期維護周期較為固定，時間一般由各個地鐵公司的運營部門確定。大部分運營公司一般都不會少于3個月。

（2）定期維護周期之間，蓄電池組內(nèi)部出現(xiàn)的單體電池失效不易被發(fā)現(xiàn)［2］，極易埋下安全隱患。

（3）定期維護放電測試時，不排除外電突然停電的可能性。

（4）維護前需通知相關部門，協(xié)調(diào)維護時間，維護期間后備電源供電連續(xù)性無法保障。

（5）充放電時間較長，需耗費大量的人力、物力、時間來進行容量核對［3］。

（6）充放電試驗過程中，對電量的消耗較大，造成了一定的能源浪費。

2 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)簡介

針對傳統(tǒng)蓄電池的缺點，本文提出在城市軌道交通中應用新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)。

2.1 關鍵技術及檢測方法

（1）實時通信和同步控制技術。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)內(nèi)置帶同步功能的CAN（控制器局域網(wǎng)）總線架構，提高了通信效率。下位機出現(xiàn)異常、告警等情況的時候，可以主動上傳。與傳統(tǒng)的采用RS485總線的產(chǎn)品相比，通信速率提高了50～100倍，動態(tài)響應時間幾乎為零，基本達到實時通信和同步控制。

（2）同步測量，多種數(shù)據(jù)同一時刻采集完成。傳統(tǒng)的測量方法采用單ADC（模擬-數(shù)字轉換器），然后用通道掃描方法進行采集，從第一節(jié)開始到最后一節(jié)逐節(jié)采集。采集一次需要很長時間，并且采集到的電壓首尾采集時間點差異大，導致可參考性變差。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)采用多ADC分布采集的方式，不論電池數(shù)量多少，2 ms內(nèi)可以全部采集完成。

（3）電池組能量基本無損耗均衡管理。通過雙向數(shù)字電源，可實現(xiàn)整組對單體降壓充電，也可實現(xiàn)單體對整組升壓充電。數(shù)字電源的工作效率達到92%以上，能量幾乎沒有損耗。而傳統(tǒng)的充電采用模擬電源，其工作效率只有60%；放電采用被動能量損耗法，其電量全部損耗在電阻上用來發(fā)熱，能源白白浪費。

（4）正負電流平衡脈沖活化。采用交流脈沖對電池進行活化，使已經(jīng)出現(xiàn)硫化的電池恢復硫化前的狀態(tài)?；罨娏鞑捎谜摶罨娏髌胶獾目刂品椒?，使得電池在活化的過程中只有較少的氣體析出，并且在電池滿電的情況下也可以進行活化。

2.2 系統(tǒng)的構成

新型蓄電池組在線均衡與檢測系統(tǒng)由主站層及采集層構成。

主站層由服務器、PC機、網(wǎng)絡設備和主站軟件組成，并可根據(jù)實際監(jiān)控均衡裝置的數(shù)量，調(diào)整服務器和PC機的臺數(shù)。主站實現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)等功能，實現(xiàn)全網(wǎng)各個站點蓄電池組容量、內(nèi)阻、電壓、電流、均衡度及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的實時在線采集，并且對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、存儲，形成各種報警信息、報表、曲線圖及趨勢圖［4］。

采集層由在線均衡裝置和電纜線組成。采集層通過采集模塊采集每節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、電動勢、容量和溫度等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給主站；也可實時接收遠程控制命令，對裝置相關參數(shù)進行修改，是在線檢測、在線活化及在線均衡功能的具體執(zhí)行裝置。

2.3 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)的主要功能

（1）在線均衡功能：新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)可自動對單節(jié)電池電壓進行均衡調(diào)整，使其工作在相同的電壓狀態(tài)，可從根本上解決過充或欠充現(xiàn)象，提高蓄電池組運行質量，防止蓄電池組快速老化，延長電池組使用壽命［5］。

（2）在線活化功能：新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)能對性能落后的單節(jié)電池進行在線活化［6］，對蓄電池內(nèi)部電極板的結晶和硫酸的沉淀進行激活，防止蓄電池因長期浮充而導致的硫酸鹽化，消除從內(nèi)部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態(tài)。其能延長蓄電池組的運行壽命兩倍以上，同時還可減少環(huán)境污染，具有良好的社會效益和環(huán)保效益。

（3）在線檢測功能：新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)具有對端電壓、單體電壓、充電電流等數(shù)據(jù)的巡檢功能，同時還具備在線測量內(nèi)阻、容量、內(nèi)部電動勢等功能，可完全取代現(xiàn)有的蓄電池巡檢儀、蓄電池內(nèi)阻測試儀、蓄電池組容量檢測儀及蓄電池活化儀等維護設備，為蓄電池組優(yōu)化運行提供了全面而完善的解決方案，大大提高了蓄電池設備運行的安全性和可靠性［7］。

2.4 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)與其它蓄電

池檢測設備的區(qū)別

新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)與其它蓄電池檢測設備的區(qū)別見表1。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)對解決傳統(tǒng)蓄電池存在隱患的效果對比見表2。

3 在地鐵項目中的應用

3.1 工程應用案例

新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)（型號規(guī)格為LBE300-30AH16/12A，以下簡為“LBE300系統(tǒng)”）于2017年在青島地鐵11號線AFC（自動售檢票）維修系統(tǒng)的UPS中投入使用。該UPS采用艾默生FR-UK50L，帶16節(jié)艾諾斯SBS30蓄電池。LBE300系統(tǒng)運行前后的數(shù)據(jù)見表3。LBE300系統(tǒng)調(diào)試時間為2017年6月2日，LBE300系統(tǒng)運行前的數(shù)據(jù)測量時間為2017年6月2日，LBE300系統(tǒng)運行后的數(shù)據(jù)測量時間為2017年6月17日。

表1 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)與其它蓄電池檢測設備的區(qū)別

表2 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)對解決傳統(tǒng)蓄電池存在隱患的效果

由表3可見：LBE300系統(tǒng)運行前的蓄電池內(nèi)阻最高值為11.504 mΩ，最低容量為91.2%；LBE300系統(tǒng)運行后的蓄電池內(nèi)阻最高值為10.920 mΩ，最低容量為96.1%。LBE300系統(tǒng)運行前的蓄電池電壓均衡度差，有過充欠充象；內(nèi)阻偏大，電池內(nèi)部出現(xiàn)硫酸鉛晶體；整個電池組容量出現(xiàn)下降。LBE300系統(tǒng)運行后，蓄電池電壓平衡，過充欠充現(xiàn)象得以控制；內(nèi)阻已有所降低；整個電池組容量得以提升，消除了隱患。

3.2 新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢

根據(jù)實際維修數(shù)據(jù)，50%以上的電源故障與蓄電池有關。而一旦出現(xiàn)電源故障，則會導致設備斷電、重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失甚至引起火災。蓄電池之所以存在這樣的安全隱患，其問題主要在于沒有采用先進、有效的檢測技術，沒有容量和狀態(tài)特性顯示，無法及時預警蓄電池具體能夠持續(xù)工作多久，何時會突然失效。而且，只要電池組中任意一塊電池出現(xiàn)問題，勢必會導致整體電壓變化，進而影響到整個電池組的質量狀況。

表3 LBE300系統(tǒng)運行前后數(shù)據(jù)記錄表

2003年7月14日早晨，因供電設備故障，某市地鐵1號線3個車站及區(qū)間列車停運，時間長達62 min，造成行車大間隔嚴重事故。后經(jīng)事故分析，未及時掌握車輛蓄電池的老化情況是發(fā)生事故的主要原因之一。2007年12月7日晚8∶50，某市地鐵2號線某站內(nèi)出現(xiàn)刺鼻濃煙，119指揮中心迅速派調(diào)2個中隊5部消防車趕赴現(xiàn)場。最終核實為地鐵站機房內(nèi)的2組低壓蓄電池因短路冒煙。

采用新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)可實時采集電池狀態(tài)信息，有效避免應電池故障而引起的電源問題，在安全、經(jīng)濟和環(huán)保方面極具優(yōu)勢。

（1）安全方面：可實時對在線運行的每節(jié)電池進行精準檢測，并及時上傳到系統(tǒng)后臺，讓運維人員隨時了解電池運行狀態(tài)；多參數(shù)、多視角的精準測量，解決了人工維護巡檢盲點的問題，杜絕維護死角，把安全隱患降到最低；即時在線治療；全方位優(yōu)化電池運行環(huán)境，提高電池運行質量，從根本上保證后備電源的運行安全。

（2）經(jīng)濟方面：延長蓄電池實際使用壽命，大大降低了蓄電池購置投入成本；在線均衡功能打破了“壞一節(jié)換整組”的噩夢，實現(xiàn)了“壞一節(jié)換一節(jié)”的現(xiàn)實，大大降低了電池更換成本；全程在線檢測、在線活化及在線均衡的功能實現(xiàn)了“一機多用”，大大降低了用戶購買輔助維護設備的成本；全方位的維護模式大幅降低了人工維護成本，全面提高了蓄電池維護工作效率；在線檢測及在線活化功能解決了傳統(tǒng)“充放電試驗”的耗人工、耗時間及耗電量等問題，大大減少了電能的浪費。

（3）環(huán)保方面：新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)自身耗能低，是節(jié)能減排產(chǎn)品；提升了蓄電池的使用壽命，高效率地利用每節(jié)電池，降低了大量電池提前報廢帶來的環(huán)境污染；實現(xiàn)了“壞一節(jié)換一節(jié)”的理想，把電池對環(huán)境的污染降到了最低；可替代電池的“充放電試驗”，減少了電能的浪費。

4 結語

蓄電池的維護與檢測直接關系到城市軌道交通運營及行車安全。通過近年來城市軌道交通行業(yè)在蓄電池在線檢測技術上的探索和應用，已證明單純的在線檢測和傳統(tǒng)的人工維護方式均已不足以支撐當前城市軌道交通技術發(fā)展的需要。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)不僅可以彌補常規(guī)維護與檢測上的不足，還可以在線活化和均衡蓄電池組。新型蓄電池在線均衡與檢測系統(tǒng)在青島地鐵11號線調(diào)試初期的成功應用，已顯現(xiàn)出了常規(guī)維護方式所不能比擬的諸多優(yōu)勢。相信不久的將來，該技術必將得到全面的發(fā)展和應用。

［1］ 辜先軍.成都地鐵1號線通信蓄電池的維護改進建議［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2016（1）：26.

［2］ 劉險峰.蓄電池容量在線檢測的研究［J］.蓄電池，2009（3）：140.

［3］ 黃祖成，馬力，周賢培.一種蓄電池內(nèi)阻在線檢測直流電源系統(tǒng)的研究［J］.電源技術，2016（4）：844.

［4］ 邵慧彬.實用新型蓄電池組在線檢測維護系統(tǒng)設計［J］.蓄電池，2013（2）：88.

［5］ 燕玉梅.淺談使用蓄電池在線均衡系統(tǒng)的必要性［J］.消費電子，2013（22）：49.

［6］ 李寧，鄒宇.VRLA蓄電池活化處理方法探討［J］.湖南電力，2011（31）：61.

［7］ 李國華，張新國，焦彥軍.蓄電池內(nèi)阻檢測［J］.電力自動化設備，2003（3）：62.

Application of New Storage Battery On-line Balance and Detection System in Urban Rail Transit

ZHU Guangwen

There are many problems in the maintenance and testing method of the storage battery used for rail transit.For the daily maintenance of the storage battery，a new storage battery online balance and detection system is proposed，which has been applied to a metro project in Qingdao City.The application proves that the new storage battery balance and detection system can not only make up the defects in the conventional maintenance method of the storage battery，but also integrate various routine testing methods，achieving the goal of real-time online detection and maintenance of the storage battery.

urban rail transit；storage battery；maintenance and testing；on-line balance

Author′s address Communication and Signaling Design Division，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，710043，Xi′an，China

TM912；U231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.12.030

2017-03-31）