機車蓄電池故障分析及在線智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

程世軍

摘 要：于機車而言，蓄電池是十分重要的組成部分之一，更是機車主斷路器和受電弓正常運行的動力源。蓄電池虧電是機車運用過程中常見的故障種類，不僅會造成機車無法正常運行的情況，而且一定程度影響鐵路運輸秩序。本文結(jié)合當前階段電力機車蓄電池的使用情況，對蓄電池故障中的虧電情況原因進行調(diào)查分析，并在此基礎上對機車蓄電池在線智能監(jiān)測系統(tǒng)進行提出，旨在降低機車蓄電池故障發(fā)生率，從而提升蓄電池使用壽命。

關鍵詞：機車蓄電池；故障分析；在線智能監(jiān)測系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.140

1 機車蓄電池虧電原因調(diào)查分析

（1）溫度補償欠缺。對于機車蓄電池而言其工作環(huán)境十分復雜，而溫度環(huán)境等直接影響蓄電池電流和電壓。機車蓄電池理想工作環(huán)境溫度為25度，在此基礎上蓄電池充電電流會隨溫度增加而增加，兩者之間為正比例關系，溫度每增加一度充電電流會提升20%左右。因此在蓄電池出廠時，產(chǎn)品說明書會明確標識依據(jù)環(huán)境溫度變化，要適當補償相應的充電電流，通常情況下3-5mv/℃為補償系數(shù)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)當前階段機車蓄電池工作中極少可以做到溫度補償，因此也就降低了蓄電池的使用壽命。

（2）新品蓄電池組未進行監(jiān)測。通常情況下新購入或者大修新裝的蓄電池組僅僅依據(jù)廠家說明進行簡單的初級檢驗，不會再利用專業(yè)的檢測設備進行全面檢驗，權威第三方驗證更是不會執(zhí)行。

（3）機車蓄電池維護保養(yǎng)手段不合理。大量調(diào)查數(shù)據(jù)得出，機車蓄電池現(xiàn)階段保養(yǎng)和維護的項目僅僅是不良單節(jié)更換、單節(jié)電壓測量和恒壓充電。機車蓄電池檢測手段缺乏，蓄電池保養(yǎng)更是沒有制定科學的制度，因此導致機車蓄電池劣化情況提前。淺顯片面的維修保養(yǎng)項目對蓄電池問題不能及時發(fā)現(xiàn)及時處理，最終造成蓄電池劣化情況不斷加重，其使用壽命大幅度降低。

（4）浮充電壓偏離正常范圍值。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在機車蓄電池工作中電壓漂移現(xiàn)象十分常見，導致蓄電池欠充或者是過充的情況。蓄電池過充極易引發(fā)蓄電池正極腐蝕加重、蓄電池負極硫酸化、蓄電池熱失控及蓄電池失水等情況，對蓄電池使用性能造成嚴重損害；蓄電池欠充極易導致蓄電池荷電不足的情況，從而對其容量造成影響，長此以往蓄電池使用功能勢必受到嚴重損害。

（5）蓄電池更換及報廢制度不科學。調(diào)查現(xiàn)階段機車蓄電池更換和報廢情況發(fā)現(xiàn)，工作經(jīng)驗是機車蓄電池更換和報廢的直接依據(jù)，在實際使用中經(jīng)常發(fā)生蓄電池存在嚴重漏液、鼓包甚至無法充電等情況時才進行報廢，而更換也是因蓄電池無法應對實際使用需求才進行，因此在使用過程中虧電現(xiàn)象極易發(fā)生。

2 在線智能監(jiān)測系統(tǒng)研究構(gòu)想

綜合機車蓄電池當前階段使用情況和使用特征的調(diào)查分析結(jié)果，并且與現(xiàn)階段蓄電池智能芯片發(fā)展和信號處理技術進行有機結(jié)合，對在線智能監(jiān)測系統(tǒng)進行深入研究。

（1）系統(tǒng)構(gòu)成。本次研究的在線智能監(jiān)測系統(tǒng)其構(gòu)成可分為以下幾個方面：電壓、溫度、內(nèi)阻檢測、主處理器、蓄電池監(jiān)護、電流傳感器等，此外IGBT保護動作控制模塊、隔離電路、外圍保護、連接電纜線也囊括其中。

1）系統(tǒng)主要構(gòu)件選擇。本系統(tǒng)主機處理器選用ARM-coreX3，不僅擁有數(shù)據(jù)掉電的保存功能而且其儲存容量高達4M，可對計算監(jiān)護模塊所采集和傳動的電池溫度、電池電壓及電流數(shù)據(jù)等進行實時接收，通過內(nèi)設監(jiān)測程序判斷電池組和單節(jié)電壓的工作狀態(tài)。系統(tǒng)處理器具備自檢功能，從而保障監(jiān)測程序的正常運行。

2）測量、采集電路。第一，采集單體電壓。將串聯(lián)的單體電池分別在四個LTC6811-1芯片C0-C12電壓采集輸入端進行接入，并將一個5V穩(wěn)定管在輸入端口進行并聯(lián)，對高電壓的浪涌沖擊進行有效抑制；第二，采集電流信號。蓄電池電流測量通過AHKC-EKA型霍爾電流傳感器進行，5V為其副邊電壓，電壓數(shù)據(jù)為輸出值，利用TLC6811輔助ADC對輸出電壓進行輸入，兩個與所提供VCC成比例輸出值產(chǎn)生，而其連接至GPIO引腳隨其產(chǎn)生，電池組電池測量工作完成；第三，采集溫度信號。蓄電池溫度采集探頭對負溫度系數(shù)熱敏電阻進行應用，因此溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。將V引腳標稱3V電壓作為基準利用ADC進行測量，從而多個熱敏電阻NTC被驅(qū)動，偏置所需電流由此提供。

3）IGBT控制模塊。利用IGBT模塊實現(xiàn)實時控制的目的，將IGBT通斷技術作為依據(jù)，處理器接收并處理監(jiān)護模塊的相應數(shù)據(jù)，當蓄電池電量達到既定限值時IGBT會受到系統(tǒng)驅(qū)動，切除蓄電池供電回路的控制，從而保護蓄電池不會發(fā)生虧電情況。

4）信號發(fā)生、保護抗干擾電路。為了對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行提升，并預防和降低電壓度芯片的沖擊力，將5V穩(wěn)壓管并聯(lián)在信號輸入端；為將信號轉(zhuǎn)換精度進行提高，系統(tǒng)對外部濾波器進行采用，利用電容和電阻低通去耦濾波電路形成，從而達到對高頻噪聲干擾抑制的目的。

（2）系統(tǒng)軟件設計與功能實現(xiàn)。1）軟件設計。該系統(tǒng)LTC6811命令代碼發(fā)送的目的利用ARM-coreX3處理器經(jīng)由SPI口達成。第一，讀電壓、電流、溫度等自動測量系統(tǒng)啟動；第二，將程序提前設置的門限值作為依據(jù)對蓄電池欠壓、溫度異常、內(nèi)阻異常等情況進行自動判定；第三，對最近五百個采樣周期范圍內(nèi)的蓄電池電流、電壓、溫度、內(nèi)阻等監(jiān)測數(shù)據(jù)，及最近期的一百個報警數(shù)據(jù)參數(shù)值進行自動儲存；第四，自檢和校驗的完成，對本機自檢、通訊自檢和A/D測量自檢進行執(zhí)行。2）功能實現(xiàn)。第一，對單電池電流、電壓、溫度和內(nèi)阻等參數(shù)進行在線實時監(jiān)測，從而對蓄電池維護情況全面掌控；第二，將環(huán)境溫度的檢測結(jié)果作為依據(jù)決定充電電壓及充電電流隨環(huán)境溫度變化的相應調(diào)整；第三，蓄電池各重要參數(shù)和報警信息的自動儲存；第四，參數(shù)設計的運行便于數(shù)據(jù)的實時查詢；第五，支持系統(tǒng)程序隨科技發(fā)展而升級。

3 結(jié)束語

綜合上述所言，于機車而言蓄電池是十分重要的組成部分之一，直接影響機車的正常運行。本文首先對機車蓄電池虧電原因進行了調(diào)查分析，結(jié)合當前階段新技術和新的蓄電池監(jiān)測理論對蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)方案進行提出，為機車蓄電池日后維修保養(yǎng)提出新的發(fā)展方向，旨在降低機車蓄電池故障的發(fā)生率，從而促進我國機車行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

參考文獻：

[1]吳曉燕.電力機車用蓄電池充電機充電特性與故障分析[J].技術與市場，2017，24（09）：5-9.

[2]程建.蓄電池電力工程車牽引蓄電池故障分析[J].電力機車與城軌車輛，2017，40（01）：76-78.

[3]盧振方.HX_D3型機車常見故障分析及對策[J].電力機車與城軌車輛，2011，34（05）：79-81.