列車車載蓄電池組參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

李 寧，徐冠基，張志強(qiáng)，王 騰，秦 毅

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室（南方），山東 青島 266111；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

列車車載蓄電池組參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

李 寧1，徐冠基1，張志強(qiáng)1，王 騰2，秦 毅2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室（南方），山東 青島 266111；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

為保證列車蓄電池安全可靠工作，需要對其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測?；诿绹鴩覂x器公司（NI）的軟硬件平臺，利用基于接口電路的一體化儀器技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)，克服目前列車車載蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的量程小、準(zhǔn)確度低等缺點(diǎn)，能夠?qū)π铍姵亟M的溫度、電壓和電流等參數(shù)同時進(jìn)行監(jiān)測、保存以及回放。測試結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)具有使用方便、檢測精度較高、工作穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

蓄電池；虛擬儀器；一體化儀器技術(shù)；LabVIEW軟件

0 引言

目前，所有列車必須配備有輔助供電電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)為車上所有交流和直流輔助電氣設(shè)備提供配電和保護(hù)，如車輛的空調(diào)/采暖、空壓機(jī)組、列車照明、各系統(tǒng)控制電路、電動車門以及車載信號與通信設(shè)備等。其中，蓄電池組是輔助供電系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。

列車車載蓄電池組的作用是為列車提供激活電源，平時由列車提供的110V直流電進(jìn)行充電。在緊急情況下，如列車發(fā)生故障或者出現(xiàn)供電中斷等意外事故時，可以放電為列車各負(fù)載提供大約40min左右的供電，包括緊急照明、緊急通風(fēng)和通信設(shè)備的供電。在緊急狀況下，蓄電池供電時間的長短以及供電過程中

的可靠性直接關(guān)系到列車正線運(yùn)營的安全[1-3]。如果它失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必須對蓄電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面地在線監(jiān)測。國內(nèi)外也有不少文獻(xiàn)涉及到監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，但所測的電參數(shù)量程較小，精度也較低[4-6]，并不能完全滿足車載蓄電池組的測量要求。

針對這一問題，在進(jìn)行需求分析后，提出了一種基于LabVIEW的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，該方案結(jié)合了基于接口電路的一體化儀器技術(shù)[7]和虛擬儀器技術(shù)[8-10]，并利用NI硬件平臺及相應(yīng)的傳感器開發(fā)出該測試系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

溫度、電壓和電流測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在對蓄電池參數(shù)的監(jiān)測過程中，通過傳感器獲得溫度、大電壓、大電流信號，并將這些信號全部轉(zhuǎn)化為小電壓信號，再通過采集模塊NI9217（可直接采集溫度，并顯示實(shí)際溫度）和NI9205采集信號，并上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示；同時，判斷電流和電壓是否在正常范圍內(nèi)，若不在，進(jìn)行報警提示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集平臺的選擇

針對系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用項(xiàng)目，NI提供了3大平臺：PXI、CompactDAQ和CompactRIO平臺。其中，CompactDAQ平臺提供即插即用的USB連接，只需要一根USB數(shù)據(jù)線，就可以非常方便地與PC機(jī)或筆記本電腦連接在一起。1個CompactDAQ機(jī)箱中最多可以放置8個CompactDAQ數(shù)據(jù)采集模塊。與其他兩個平臺相比，CompactDAQ平臺體積小巧，功耗低，便于攜帶，并且成本比較低。

2.2 電池溫度測量

對于電池溫度測量，選擇的采集卡為4通道、24位分辨率的NI9217溫度采集卡，選擇的溫度傳感器為100Ω RTD傳感器。NI9217具有通道-地面接地雙重隔離屏障，可與3線和4線RTD測量兼容，自動探測與通道連接的RTD類型（3線或者4線）并可自動把每條通道配置成恰當(dāng)?shù)哪Ｊ?，通過3線連接，可以有效地抑制共模電壓。

RTD基于純金屬電子阻抗改變的工作原理，其阻抗與溫度間的關(guān)系近似呈線性關(guān)系，并遵循如下等式：

當(dāng)溫度低于0℃時，

當(dāng)溫度高于0℃時，

式中：RT——溫度為T時的阻抗；

R0——標(biāo)稱阻抗；

a，b，c——RTD所使用的比例常數(shù)。

其阻抗-溫度曲線如圖2所示。

圖2 阻抗-溫度曲線

2.3 電池電流、電壓測量

對于電壓、電流測量，采用的采集卡為輸入信號為電壓的NI9205。NI9205具有32路單端或16路差分模擬輸入，16位分辨率和250kS/s的最高采樣率。NI9205的每條通道具有±200mV、±1V、±5V和±10V可編程的輸入范圍。為了防止信號瞬變，NI9205模塊還具有輸入通道和COM間達(dá)60V的過壓保護(hù)。另外，NI9205模塊還具有通道-地面接地雙重隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。瞬時過壓保護(hù)為1000Vrms。

對于范圍為0～50V的電壓信號，選擇的傳感器為LEM公司的AV100-50。對于范圍為0～150V的電壓信號，選擇的傳感器為LEM公司的AV100-150。它們的原邊電壓分別為50V和150V，并將所測的高電壓轉(zhuǎn)化為小電流輸出，轉(zhuǎn)化的最大電流均為50mA。對于AV100-50，其轉(zhuǎn)換比為1∶1000；對于AV100-150，其轉(zhuǎn)化比為1∶3000。AV100系列具有功耗低、線性度

好、低溫漂、反應(yīng)時間短、寬頻帶、抗干擾能力強(qiáng)、電流過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。

由于NI9205只能采集電壓，所以也需要從輸出端串聯(lián)一個被測電阻，從而將弱電流轉(zhuǎn)化為弱電壓進(jìn)行采集，并顯示出來。根據(jù)NI9205采集電壓的量程±200mV，±1V，±5V和±10V，以及電壓轉(zhuǎn)化的電流大小，同時，根據(jù)說明書上的相應(yīng)規(guī)定，被測電阻的大小應(yīng)在0～47Ω，所以對于測量范圍為0～20V，電壓傳感器選擇AV100-50時，可以選擇被測電阻40Ω，這樣轉(zhuǎn)化得到的電壓范圍為0～0.8V。同樣道理，對于測量范圍為0～150V的電壓測量，電壓傳感器選擇AV100-150，可以選擇被測電阻15Ω，這樣轉(zhuǎn)化得到的電壓范圍為：0～0.75V。這樣兩者都可以使用同一量程±1V。

對于范圍為0～20A和0～150A的電流信號，分別采用LEM公司的Lts25-np和LA200-P。其中Lts25-np是應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)電流傳感器，其將電流信號轉(zhuǎn)化為弱電壓信號。其轉(zhuǎn)化公式為

式中：Vout——輸出電壓；

Ip——待測電流；

Ipn——緣邊電流，這里為25A。

LA200-P采集的是電流，輸出的也是電流，其輸出輸入轉(zhuǎn)化比為1∶2000。由于選擇的采集卡NI9205只能采集電壓，并且采集量程為±200mV，±1V，±5V和±10V。而根據(jù)需求分析，所測得電流為0～150A，也就是說經(jīng)過傳感器后的電流輸出為0～75mA。要想測得電壓，必須將其連接一個電阻然后將電流轉(zhuǎn)化為電壓。根據(jù)說明書規(guī)定，電阻的大小應(yīng)為0～30Ω，最終，選定的電阻為10Ω，這樣就能轉(zhuǎn)化為電壓0～0.75V。

2.4 PCB電路設(shè)計(jì)

由于該實(shí)驗(yàn)中電流傳感器的安裝方式均為PCB安裝，所以需要PCB制板。在制板前，需要先確定總體電路圖，所以先繪制出電路原理圖，如圖3所示。圖3中的LTS代表量程為20 A電流傳感器，LA代表量程為200A的傳感器。同時，制板能使最后的硬件緊湊，連線方便，也能增加其美觀。

2.5 硬件總體架構(gòu)圖

在測試過程中，為方便連接以及保證接線線路清晰，將所選擇的電壓電流傳感器轉(zhuǎn)換平臺和cDAQ測試平臺分別進(jìn)行裝箱，并采用BNC接頭作為外接接頭。對兩個實(shí)驗(yàn)箱分別命名為“電壓電流變送器”和“多功能信號采集儀”，分別用來將大電壓電流向小電壓轉(zhuǎn)化和信號的采集。最終硬件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)的上位機(jī)是采用的LabVIEW軟件，該系統(tǒng)主要是由溫度采集模塊、電流采集模塊、電壓采集模塊、信號處理模塊以及報警模塊5部分組成。軟件的構(gòu)架主要由狀態(tài)機(jī)和生產(chǎn)者消費(fèi)者循環(huán)兩種典型架構(gòu)組成。其中狀態(tài)機(jī)架構(gòu)決定具體某個功能的實(shí)現(xiàn)，例如采集、停止、保存和回放，而生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)架構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)采集和處理部分。軟件的流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

最終設(shè)計(jì)開發(fā)出的測試系統(tǒng)的硬件平臺包括兩個部分，分別命名為“多功能信號采集儀”和“電壓電流變送器”。將該測試系統(tǒng)運(yùn)用于某蓄電池的測試，在連接好所有線后，啟動程序，然后在程序面板上進(jìn)行各參數(shù)設(shè)置，包括采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、通道數(shù)和各通道的報警值，最后點(diǎn)擊開始，進(jìn)行各路信號的采集，

測試結(jié)果如表1所示。通過表1可以發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)的測試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

圖3 電路原理圖

圖4 硬件總體架構(gòu)圖

圖5 軟件流程圖

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的輔助供電試驗(yàn)臺溫度、電壓和電流測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道、多種不同量程的溫度、電壓和電流等電池參數(shù)的實(shí)時采集、顯示和記錄。將該測試系統(tǒng)應(yīng)用于某型蓄電池系統(tǒng)的測試，測試結(jié)果表明該測試系統(tǒng)具有檢測精度較高、工作穩(wěn)定可靠、使用方便、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

[1]王鑫，趙清良，曾明高，等.北京地鐵國產(chǎn)列車輔助電源系統(tǒng)及其改進(jìn)[J].機(jī)車車輛工藝，2007（2）：26-29.

[2]李云，趙清良.上海中低速磁浮列車輔助電源系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31（6）：15-18.

[3]鄧嘉.國產(chǎn)地鐵輔助供電系統(tǒng)及蓄電池的選擇[J].鐵道車輛，2000（21）：90-91.

[4]陳輝煌.基于LabVIEW的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（9）：151-153.

[5]武小花，張承寧，李司光，等.基于LabVIEW的蓄電池充放電電流采集系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2010，44（6）：80-81.

[6]高東.基于labvIEW的鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[7]陳輝，王磊.機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械，2008，35（7）：35-37.

[8]姜志玲.虛擬儀器技術(shù)在測控領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)與設(shè)備，2003，29（8）：33-35.

[9]王建林，劉靜宜.虛擬集成測試與虛擬儀器技術(shù)[J].北京化工大學(xué)學(xué)報，2001，28（2）：84-88.

[10]陳剛，秦樹人，鞠萍華.基于虛擬儀器技術(shù)的汽車齒輪箱故障診斷儀[J].中國測試，2009，35（2）：29-32.

Design and Development of online parameters monitoring system for train storage batteries

LI Ning1，XU Guan-ji1，ZHANG Zhi-qiang1，WANG Teng2，QIN Yi2
（1.National Engineering Laboratory for System Integration of High-speed Train（South），CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

In order to keep the storage battery of the train safe and reliable，it needs to monitor the parameters of the storage battery.Based on the hardware and software platforms of American national instruments（IN），the system is designed and developed by using the virtual instrument technology and integrated instrumenttechnology，which overcomesthe shortcomingsofthe commonly used online monitoring system such as the small range and low accuracy.The online monitoring system can monitor，save and playback signals like temperature，voltage and current of the batteries at the same time.When using the system on one storage battery，the result shows that the system has some characteristics such as the simple operation，accurate testing，high stability and friendly interface.

storage battery；virtual instrument；integrated instrument technology；LabVIEW

U292.9；TM912；TP277；TP306

：A

：1674-5124（2014）01-0106-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.027

2013-08-30；

：2013-10-19

重慶市科委自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（CSTC，2010BB4227，CSTC2012JJA70003）

李 寧（1980-），男，山東煙臺市人，高級工程師，博士，主要從事智能測試與虛擬儀器研究工作。