車載蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

【摘要】對蓄電池的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并定期進(jìn)行均衡充放電維護(hù)是延長蓄電池使用壽命，保證蓄電池正常工作的必不可少的手段之一。蓄電池充放電技術(shù)是與蓄電池相伴而生的，與蓄電池的發(fā)展和應(yīng)用有著密切的關(guān)系。本文介紹了一種在地鐵上應(yīng)用的蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】蓄電池；數(shù)據(jù)采集；在線監(jiān)測

1.前言

蓄電池是一種可循環(huán)使用的電源，其常規(guī)的維護(hù)大都采用充電器和放電器，其使用壽命與充放電過程有著很大關(guān)系。

蓄電池作為儲能裝置，是車輛應(yīng)急供電的保障，其維護(hù)運行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到車輛安全運營。在地鐵上使用的蓄電池是由多塊蓄電池構(gòu)成的蓄電池組。使用相同充放電特性的蓄電池，有利于提高蓄電池組的整體性能，有必要及時了解蓄電池組中各電池狀態(tài)，對蓄電池組進(jìn)行維護(hù)。

對蓄電池狀態(tài)的檢測，一般依靠人工的方式，在蓄電池充放電過程中，用萬用表，監(jiān)測儀等儀器設(shè)備，每隔一定時間從儀表讀取電壓、電流變化，并進(jìn)行手工記錄，一個過程結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)中，進(jìn)行分析處理。這種方式效率極低，且得到的樣本數(shù)太少，不能全面分析蓄電池的充放電特性。通過設(shè)置蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)可以及時掌握蓄電池的充放電使用維護(hù)情況，為蓄電池供電系統(tǒng)的連續(xù)性、安全性方面提供了保障。本文對應(yīng)用在唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造的A型地鐵樣車上的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和分析。

2.蓄電池充放電原理及特性

目前蓄電池常規(guī)充放電制度還是依據(jù)1940年前的國際公認(rèn)的經(jīng)驗法則設(shè)計的。這些法則中規(guī)定“充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安時數(shù)”。

蓄電池充電方法有恒流、恒壓、準(zhǔn)恒壓、兩級或三級準(zhǔn)恒流、恒壓、浮充電等幾種。恒流充電是通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法。保持在充電過程中充電電流強(qiáng)度不變。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池的電動勢是上升的，蓄電池的內(nèi)阻下降，如果充電電源的電壓不變，則充電電流將下降。為了保持充電電流恒定，必須在充電過程中提高充電電源電壓或減小電池的串聯(lián)電阻。恒壓充電是指充電電源的電壓在全部充電時間里保持一定的數(shù)值，因而，蓄電池每個單格電池的電壓也是一定的。在恒壓充電的初期，充電電流很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常恒流充電電流值。在充電過程中，隨著蓄電池電動勢的上升，充電電流逐漸下降。在充電后期，比正常恒流充電電流還要低。充電結(jié)束時，充電電流是一個非常小的值。

蓄電池的放電方式有連續(xù)放電和間歇放電兩種，檢查電池的容量，大都采用連續(xù)放電方式，而使用上大都是屬于間歇放電方式。

充電特性

對蓄電池進(jìn)行恒流充電，電池的端電壓會隨時間變化而變化。充電初始，由于電池正極電位迅速向正方向移動，電池負(fù)極電位迅速向負(fù)方向移動，電池端電壓迅速升高。在充電中期，由于電極反應(yīng)速度及電遷移速度基本穩(wěn)定，離子擴(kuò)散速度也已經(jīng)足夠大；此時，端電壓上升緩慢。到充電后期，當(dāng)氣體析出速度達(dá)到穩(wěn)定時，繼續(xù)充電，端電壓不再變化。對蓄電池以不同的電流充電，則會有不同的開始電壓和終了電壓。如用大電流充電，充電終值提前到達(dá)，所以，在同一時刻端電壓高于正常充電率端電壓。反之，如用小電流充電，充電時端電壓要比同一時刻正常充電電流時的端電壓小。蓄電池以恒定電壓充電時，極化電勢尚未建立，而歐姆內(nèi)阻又較小電流是隨時間變化的，故初始的電流值很大。充電初期，電流衰減也很快。在充電中期，電流繼續(xù)衰減，只是衰減的速度有所減小。充電末期，電流衰減到很小的一個值后維持在一定的值。

放電特性

蓄電池的放電是以恒流的方式進(jìn)行的。放電初期，由于歐姆內(nèi)阻的功耗，以及擴(kuò)散速度的增加，使得電池端電壓迅速降低。到放電中期，由于電極反應(yīng)速度以及電遷移速度是一定的，擴(kuò)散速度也趨于穩(wěn)定，電池端電壓變化不大。放電后期，由于極板表面附近電解液濃度很小，擴(kuò)散不起作用，歐姆極化增加，使得電池端電壓迅速降低。放電改變時，蓄電池端電壓與終了都要改變。用小電流放電時，終了電壓定的大一些，用大電流放電時，終了電壓則定的小一些。因為在大電流放電時，放電中期提前到達(dá)，但有效物質(zhì)并沒有充分反應(yīng)，所以，終了電壓可以規(guī)定略低，適當(dāng)?shù)难娱L放電時間，是電池放出的電量增多。

3.蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

一般蓄電池組是由多個蓄電池串聯(lián)組成，一組良好的蓄電池其內(nèi)阻都很均勻，其特性曲線亦很均勻。若其中有不良蓄電池，其特性曲線在放電時下降的較快，而充電時上升的較慢，因此將每個蓄電池的充放電動態(tài)曲線與平均曲線對比即可知道蓄電池的內(nèi)阻特性是否比較均勻。通過設(shè)置蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)可及時掌握蓄電池的使用情況。

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)是用于對蓄電池組的維護(hù)、使用狀況監(jiān)測的一套蓄電池網(wǎng)絡(luò)在線管理和檢測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)集檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)于一體；可以適時在線測量、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，監(jiān)測記錄單體電池電壓、具有超限告警功能，可以實行本地和遠(yuǎn)程控制；記錄參數(shù)可以通過 USB 接口導(dǎo)出打印并生成曲線，便于分析蓄電池的車載充放電維護(hù)運行情況和性能狀態(tài)，判斷車載充電機(jī)是否按蓄電池的充電曲線要求對蓄電池進(jìn)行充電，及時掌握蓄電池的使用維護(hù)情況。

蓄電池運行狀態(tài)的監(jiān)測主要是通過檢測蓄電池的電壓、電流、溫度等同蓄電池性能密切相關(guān)的參數(shù)，得出當(dāng)前蓄電池的運行狀態(tài)信息，然后通過分析處理并和預(yù)先設(shè)定的蓄電池性能判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而診斷出蓄電池的當(dāng)前的健康狀態(tài)是否良好。在和蓄電池的健康狀態(tài)密切相關(guān)的參數(shù)當(dāng)中，對溫度和電流的測量相對來說比較容易實現(xiàn)，對單個電池的電壓檢測也比較簡單，但是要實現(xiàn)對串聯(lián)在一起的蓄電池組中單體電池電壓的準(zhǔn)確測量一直是一個難于解決的問題。而電壓檢測是最直接檢測也是最常用的一個參數(shù)，也是目前許多電池監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的檢測方法。

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要通過以下方案實現(xiàn)：

蓄電池電壓信號采集

每節(jié)蓄電池單獨配備一個采樣盒，嵌裝在蓄電池排氣閥上。每個采樣盒可獨立采集蓄電池單體電壓，采用SBUS通訊電路，采樣盒通過單線級聯(lián)方式連接，最后將各級信號上傳到主控器。

電流信號采集

每個蓄電池組采用一個電流霍爾傳感器，電流傳感器可以保證準(zhǔn)確測量電池組的充放電電流，其工作電源從主控器取，霍爾電流傳感器與電流轉(zhuǎn)換裝置相連，電流轉(zhuǎn)換裝置經(jīng)過SBUS 電路，將電流信號送于SBUS轉(zhuǎn)RS485/ MVB模塊處。

SBUS轉(zhuǎn)RS485模塊

每組蓄電池都有一個SBUS 轉(zhuǎn) RS485/ MVB模塊，用于將蓄電池組電壓、電流、溫度的SBUS信號轉(zhuǎn)換成RS485/ MVB信號，每個SBUS轉(zhuǎn)RS485/ MVB可單獨設(shè)置通訊地址，轉(zhuǎn)換模塊安裝在主控器內(nèi)。采樣盒間采用 SBUS 級聯(lián)通訊方式，接入到主控器。

主控器

主控器采用小型工業(yè)服務(wù)器（工控機(jī)），實現(xiàn)對采集的蓄電池電壓、電流信號分析，同時具備信號上傳 MVB 或 RS485 接口，可與車輛監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）通信。

報警

監(jiān)控后臺分析軟件具有蓄電池電壓過高、過低，電流超限、溫度超限、單體壓差超限告警，具有維護(hù)提醒報警功能；并且具有多種報警的人機(jī)交互方式，聲音報警和燈光報警（必要時可升級為 EMAIL 或短信報警）。

4.結(jié)束語

可靠的應(yīng)急直流供電是車輛安全穩(wěn)定運行的基本條件之一，通過應(yīng)用蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以減少蓄電池測試人員的工作量，提高蓄電池測試的效率，并能根據(jù)充放電曲線有效地對蓄電池的性能進(jìn)行分析，及時掌握蓄電池的使用維護(hù)情況。必要時可及時采取有效的措施，使蓄電池長期處于正常狀態(tài)并發(fā)揮最佳性能，延長蓄電池使用壽命，值得推廣使用。

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