VRLA蓄電池?zé)o線檢測(cè)裝置研制及應(yīng)用

李國直

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京科學(xué)技術(shù)研究所，北京100036）

1 概述

閥控式密封鉛酸蓄電池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA蓄電池）在鐵路系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。蓄電池是內(nèi)燃機(jī)車的重要部件之一，其用途主要是提供柴油機(jī)啟動(dòng)用電，在柴油機(jī)停機(jī)或發(fā)電機(jī)故障時(shí)提供照明和部分控制電器用電［1-2］。蓄電池的理論循環(huán)使用壽命為15～25年，但實(shí)際使用中壽命情況和理論時(shí)間相差很大，有些蓄電池在使用3～5年后就出現(xiàn)容量不足以至于失效［3］。為了確保蓄電池處于安全有效的狀態(tài)、避免出現(xiàn)蓄電池早期失效的情況，對(duì)VRLA蓄電池的維護(hù)是必須的?，F(xiàn)階段對(duì)VRLA蓄電池的維護(hù)工作分為2部分，第1部分為日常維護(hù)，其中包括清理蓄電池的塵土以保持清潔、在規(guī)定時(shí)間循環(huán)周期中對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電以保證內(nèi)部物質(zhì)的活性、檢查蓄電池是否出現(xiàn)接觸不良等。第2部分為專業(yè)維護(hù)，主要包括蓄電池電壓檢測(cè)和容量測(cè)試，需要由專業(yè)人員利用專業(yè)儀器對(duì)蓄電池的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量［4］，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的蓄電池，并進(jìn)行及時(shí)更換，從而提高整套系統(tǒng)的安全性；但在實(shí)際環(huán)境的檢測(cè)應(yīng)用中，電壓檢測(cè)需離線且預(yù)見性較差，不足以成為判斷蓄電池早期失效的條件，因此容量測(cè)試是判斷蓄電池是否早期失效的重要依據(jù)，但在容量測(cè)試過程中，蓄電池溫度、使用時(shí)間、電解液密度等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，同樣難以精確在線測(cè)量出具體數(shù)值大小。近年來蓄電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系越來越被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可，大量試驗(yàn)與數(shù)據(jù)證實(shí)了這種關(guān)系的正確性與可靠性［5］。

2 VRLA蓄電池內(nèi)阻

VRLA蓄電池內(nèi)阻是指電流流過VRLA蓄電池內(nèi)部所受到的阻力。VRLA蓄電池內(nèi)阻主要由極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻組成，其中極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)內(nèi)阻和濃度極化內(nèi)阻等；歐姆內(nèi)阻是由VRLA蓄電池的內(nèi)部構(gòu)件如板柵、活性物質(zhì)、隔膜和電解液產(chǎn)生。雖然VRLA蓄電池內(nèi)阻遵循歐姆定律，但其大小也隨蓄電池的荷電狀態(tài)而改變。VRLA蓄電池的內(nèi)阻值隨著蓄電池容量多少而改變，容量越大內(nèi)阻越小，反之容量越小內(nèi)阻越大。由分壓原理可知內(nèi)阻大的蓄電池向外供電的能力低于內(nèi)阻小的蓄電池［6］。

VRLA蓄電池內(nèi)阻大小與蓄電池質(zhì)量優(yōu)劣有很大關(guān)系，質(zhì)量好的蓄電池和質(zhì)量差的蓄電池內(nèi)阻差別會(huì)非常明顯。由能量消耗法則可知，當(dāng)蓄電池向外部電路供電時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量好的蓄電池內(nèi)阻小，自身消耗很低，所以可持續(xù)向外輸出大電流進(jìn)行放電；而質(zhì)量差的蓄電池由于其內(nèi)阻較大，在電流通過蓄電池本身時(shí)消耗了大量能量用來發(fā)熱，所以向外部電路持續(xù)供電的能力較差。且當(dāng)內(nèi)阻大的蓄電池產(chǎn)生的大量熱量來不及排出時(shí)，會(huì)對(duì)蓄電池的安全產(chǎn)生隱患。同樣，由歐姆定律可知，在蓄電池內(nèi)阻大的情況下，內(nèi)阻大意味著放電時(shí)分壓大，蓄電池在放電過程中端電壓下降很快，端電壓很快就會(huì)低于用電系統(tǒng)的最低電壓要求，從而引發(fā)用電系統(tǒng)故障［7］。

經(jīng)過大量對(duì)VRLA蓄電池內(nèi)阻的數(shù)據(jù)分析，得到VRLA蓄電池內(nèi)阻與蓄電池性能及容量有如下關(guān)系［8］：

（1）VRLA蓄電池在低倍率放電時(shí)，其內(nèi)阻對(duì)蓄電池性能的影響不如蓄電池在高倍率放電時(shí)對(duì)蓄電池性能的影響明顯。

（2）VRLA蓄電池內(nèi)阻的大小和蓄電池容量不能通過簡(jiǎn)單等式關(guān)系表達(dá)，單純的內(nèi)阻大小不能判斷出蓄電池的壽命長短，但在短時(shí)間內(nèi)內(nèi)阻的陡增預(yù)示著蓄電池的壽命即將終止，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換新的蓄電池。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 交流四線法檢測(cè)內(nèi)阻

測(cè)量蓄電池內(nèi)阻不能采用“二線法”或其他方法，必須采用四線法，在電學(xué)測(cè)量中這種方法又稱開爾文電橋。開爾文四線檢測(cè)（Kelvin Four-Terminal Sensing）也被稱為四端子檢測(cè)（4T檢測(cè)，4Tsensing）、四線檢測(cè)或四點(diǎn)探針法，是一種電阻抗測(cè)量技術(shù)，使用單獨(dú)的對(duì)載電流和電壓檢測(cè)電極，相比傳統(tǒng)2個(gè)終端（2T）傳感能夠進(jìn)行更精確的測(cè)量。開爾文四線檢測(cè)被用于一些歐姆表和阻抗分析儀，在精密應(yīng)變計(jì)和電阻溫度計(jì)中作為接線配置，也可用于測(cè)量薄膜的薄層電阻。四線法檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是采用分離的電流和電壓的電極，消除了布線和接觸電阻的阻抗。

工業(yè)蓄電池普遍應(yīng)用于通信、能源、交通和IT等行業(yè)的電源設(shè)備上，與手機(jī)、電動(dòng)車等民用蓄電池相比，其體積、容量更大，所以內(nèi)阻特別小，一般在毫歐姆級(jí)，甚至低到微歐姆級(jí)，普通萬用表只有2條測(cè)量線（二線制），其測(cè)量值必然包含接觸電阻和測(cè)量線的導(dǎo)線電阻（合稱觸導(dǎo)電阻），觸導(dǎo)電阻通常范圍是幾毫歐至幾十毫歐，不僅遠(yuǎn)大于被測(cè)對(duì)象，而且極不穩(wěn)定，而普通萬用表的測(cè)量下限僅為幾百毫歐姆，難以測(cè)出毫歐姆級(jí)的蓄電池內(nèi)阻。

所有等效阻抗的測(cè)量方法都應(yīng)遵從歐姆定律：R=V/I，其中：I為加載電流（或稱激勵(lì)電流、注入電流），V為加載電流在被測(cè)對(duì)象上建立的電壓，若加載電流I恒等于已知單位電流，那么V的采樣值就剛好等于被測(cè)阻抗值，再經(jīng)相位校正后可得被測(cè)純電阻值。二線制誤差的根源在于：采樣值V中含有加載電流I在觸導(dǎo)電阻上建立的電壓。顯然，如果直接從被測(cè)電阻兩端采樣，采樣值V將不再包括觸導(dǎo)誤差電壓，這意味著V的電壓采樣線必須獨(dú)立于I的電流加載線。因此，排除觸導(dǎo)誤差的關(guān)鍵是二線改四線，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是電流加載回路與電壓采樣回路的徹底分離。交流四線法測(cè)量內(nèi)阻系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 交流四線法測(cè)量內(nèi)阻系統(tǒng)框圖

3.2 蓄電池內(nèi)阻傳感模塊

蓄電池內(nèi)阻傳感模塊采用獨(dú)特的自供電設(shè)計(jì)，將設(shè)定電池?cái)?shù)下的總電壓層層配置到CPU及其他電路，無需另外供電［7］。圍繞CPU，配備自激勵(lì)電流發(fā)生器、模擬開關(guān)、信號(hào)處理與變換、隔離通信端口等4種功能電路。蓄電池內(nèi)阻傳感模塊框圖見圖2，包括用于產(chǎn)生測(cè)量用電流的自激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路、傳感控制器、MUX多路開關(guān)。MUX多路開關(guān)的輸出端連接傳感控制器的采樣輸入端，MUX多路開關(guān)的地址端連接傳感控制器的控制輸出端，自激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路的輸出用于加載被跨接的電池兩端的正極與負(fù)極。

3.3 LoRa無線傳輸技術(shù)

LoRa射頻是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低功耗的無線調(diào)制技術(shù)，相比于傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)，可以傳輸更遠(yuǎn)距離。使用簡(jiǎn)單的星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)就可建立LoRa微功率網(wǎng)絡(luò)。

VRLA蓄電池?zé)o線檢測(cè)裝置采用的LoRa組件是一款基于SEMTECH公司SX1212射頻芯片的無線串口模塊，透明傳輸方式，工作頻段為425.0～440.5 MHz（默認(rèn)433.0 MHz），優(yōu)勢(shì)是無線信號(hào)穿透性強(qiáng)、繞射能力強(qiáng)，具有超低接收電流、單點(diǎn)喚醒功能。技術(shù)指標(biāo)表明在開闊環(huán)境傳輸距離達(dá)到3 000 m，實(shí)際應(yīng)用中即使在有障礙的環(huán)境下也可達(dá)到500 m，完全符合工作要求。該裝置無線傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖2 蓄電池內(nèi)阻傳感模塊框圖

圖3 VRLA蓄電池?zé)o線檢測(cè)裝置無線傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

4 方案實(shí)施

4.1 蓄電池組測(cè)試

蓄電池組除為傳感器、可編程控制器及其他電路供電外，傳感器中的低周波交流測(cè)試電流由直流運(yùn)算放大器產(chǎn)生，運(yùn)算放大器的2個(gè)差分輸出端接在蓄電池組兩端；運(yùn)算放大器的2個(gè)差分輸入端，一端控制運(yùn)算放大器是否工作/截止，另一端連接低周波正弦波信號(hào)發(fā)生器，運(yùn)算放大器工作時(shí)，其直流工作點(diǎn)取值1 A，最大峰值電流可小于2 A，最小波谷電流近似為0，實(shí)現(xiàn)了交流測(cè)試電流流過蓄電池組的目的。

被測(cè)電池的充電器為AC/DC開關(guān)電源，交流紋波不大于50 mV，開關(guān)噪聲不大于200 mV。相比而言，傳感器激勵(lì)信號(hào)電壓不大于10 mV，激勵(lì)時(shí)間不大于900 ms。確定傳感器的分辨率要達(dá)到1 μΩ，A/D轉(zhuǎn)換器必須做到14～16位，在電路上采用相敏檢測(cè)設(shè)計(jì)，提高了裝置的抗干擾性。

因受傳感器體積所限，無法使用大電容隔直，采用2 A的直流作為交流激勵(lì)電流的載體，交流疊加在直流上，從而構(gòu)成完整的“激勵(lì)環(huán)”。當(dāng)開始注入測(cè)量電流和結(jié)束測(cè)量電流時(shí)，脈動(dòng)直流電流均處于接近0的相位，此時(shí)測(cè)量電流對(duì)設(shè)備的干擾最小。因采用該項(xiàng)技術(shù)，傳感器需短暫承受無效發(fā)熱功耗，適當(dāng)控制及盡量縮短運(yùn)算放大器的工作時(shí)長，既可減少傳感器發(fā)熱量，也可減少蓄電池電量消耗，解決熱控制的難題。

4.2 精測(cè)精判

精測(cè)是指以微歐姆的分辨率在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的傳感器技術(shù)。測(cè)量蓄電池內(nèi)阻是以1 A級(jí)特定頻率（約20 Hz）的精密激勵(lì)電流注入電池極柱，在極柱上測(cè)得的信號(hào)電壓正比于內(nèi)阻數(shù)據(jù)。由于目標(biāo)蓄電池內(nèi)阻非常小，非1 μΩ的分辨率不足以滿足預(yù)警需求，而要達(dá)到這一分辨率，除需要更高精度的信號(hào)恒流源和極高抗干擾放大器外，還需要良好的四線制連接。精判是指從足夠精度的內(nèi)阻數(shù)據(jù)中識(shí)別報(bào)警電池和提示預(yù)警電池。精判的前提是精測(cè)，從大量精測(cè)數(shù)據(jù)中總結(jié)出合適的報(bào)警閾值和預(yù)警閾值，證明在線上較強(qiáng)干擾下有令人滿意的準(zhǔn)確率。

4.3 電極連接

具有保險(xiǎn)功能的蓄電池與傳感器的連接附件可以熱拔插，前端叉形部分為預(yù)裝片，固定在電池極柱；后部為接線盒，內(nèi)置保險(xiǎn)管、外接測(cè)量線，將預(yù)熱片與接線盒組合后成為完整的附件。

首先預(yù)裝片固定在電池極柱上，然后插入接線盒，連線傳感器，根據(jù)空間大小，傳感器固定在電池箱體合適位置。每套傳感器可同時(shí)測(cè)量8只電池，按照一定順序編號(hào)后，連接測(cè)量電纜至對(duì)應(yīng)電池即可實(shí)施測(cè)量。

4.4 軟件開發(fā)

以平板電腦為上位機(jī)載體，開發(fā)了專業(yè)APP軟件，并預(yù)裝在專業(yè)三防手持平板電腦中。檢修人員只需打開平板電腦中的APP，即可自動(dòng)完成對(duì)被測(cè)蓄電池組中各蓄電池內(nèi)阻、電壓等參數(shù)的檢測(cè)。平板電腦APP的主要功能包括實(shí)時(shí)檢測(cè)、提供測(cè)量數(shù)據(jù)及直觀圖形、完成蓄電池自動(dòng)診斷與故障報(bào)警，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、報(bào)表打印等各項(xiàng)功能。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

蓄電池在鐵路系統(tǒng)有大量應(yīng)用，如內(nèi)燃、電力機(jī)車均使用VRLA蓄電池，目的是在機(jī)車啟動(dòng)過程中依靠其提供電力。因此，蓄電池的可靠性直接關(guān)系到機(jī)車的運(yùn)行安全。因蓄電池的運(yùn)行環(huán)境惡劣，在安裝使用過程中操作不當(dāng)?shù)仍蚨紩?huì)導(dǎo)致蓄電池故障。在機(jī)車上安裝使用蓄電池?zé)o線自動(dòng)檢測(cè)裝置，檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻變化，可以解決機(jī)車蓄電池故障在線快速甄別和預(yù)警的難題。

VRLA蓄電池?zé)o線檢測(cè)裝置是針對(duì)鐵路應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況開發(fā)的，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了高精度微電阻測(cè)量。對(duì)于2 V蓄電池，可測(cè)電池內(nèi)阻0～10.000 mΩ，分辨率可達(dá)1 μΩ級(jí)，精度為≤±5%；可測(cè)電池電壓0～2.500 V，分辨率可達(dá)1 mV，精度為≤±2%。

（2）一個(gè)傳感器可以測(cè)量4～8只2 V蓄電池，設(shè)置靈活，適應(yīng)配接任意電池總數(shù)的電池組。

（3）采用射頻433.0 MHz的LoRa數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)，專為遠(yuǎn)距離、低帶寬、低功耗、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)；通信距離（無阻礙）達(dá)到3 000 m，地址容量多達(dá)65 000條。

（4）獨(dú)立雙串口，LoRa擴(kuò)頻串口與USB座TTL串口互相獨(dú)立。

（5）通過參數(shù)設(shè)置，可以選擇不同空中速率與串口波特率。

由于機(jī)車蓄電池運(yùn)行環(huán)境的特殊性，不能采用機(jī)架式檢測(cè)設(shè)備，不具備單獨(dú)外供電的條件，要盡可能減少測(cè)量接線，避免裝置安裝維護(hù)困難。另外，設(shè)計(jì)上嚴(yán)格依據(jù)國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，除測(cè)量準(zhǔn)確性，應(yīng)特別注意的是必須符合車載裝備電磁兼容性的要求。由于本裝置采用電池內(nèi)阻無線檢測(cè)方法，無需將蓄電池從機(jī)車上取下，使蓄電池檢測(cè)達(dá)到快速甄別、自動(dòng)維護(hù)，非常符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)用要求。

首次在DF7型機(jī)車兩側(cè)48塊2 V 450 Ah蓄電池上加裝該檢測(cè)裝置后（見圖4），發(fā)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻21塊電池告警、14塊電池預(yù)警，檢測(cè)結(jié)果表明該電池組基本不能再使用，建議更換。而在此次檢測(cè)、更換之前，該機(jī)車曾發(fā)生過多次無法啟動(dòng)現(xiàn)象，說明使用該裝置進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)論是正確的。

圖4 機(jī)車蓄電池加裝檢測(cè)裝置

6 結(jié)束語

VRLA蓄電池?zé)o線檢測(cè)裝置的研制成功，大幅提高了蓄電池?zé)o線檢測(cè)可靠性，對(duì)發(fā)現(xiàn)和消除蓄電池的早期隱患、降低維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。特別是無線傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)方法的技術(shù)提升，必將在蓄電池安全維護(hù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化和制度化管理方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。該裝置適用于通信、電力、鐵路等直流電源系統(tǒng)中，可解決蓄電池組中劣化電池在線快速甄別和預(yù)警的難題，為保證直流電源系統(tǒng)的運(yùn)用效率和檢修作業(yè)水平提供了可靠的技術(shù)保障。