面向智能運(yùn)維的城軌車輛蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

馬乾 劉丙林 姜云海

摘 要：堿性蓄電池廣泛應(yīng)用于城市軌道交通車輛供電系統(tǒng)。伴隨著蓄電池在牽引等高頻、大功率放電工況下的應(yīng)用，對于蓄電池的安全工作提出更高的要求。文章針對蓄電池傳統(tǒng)檢修方式中存在的問題，結(jié)合智能運(yùn)維的發(fā)展趨勢，研發(fā)車輛蓄電池在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，可為蓄電池智能運(yùn)維提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;智能運(yùn)維;蓄電池;在線監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U231

1 研究背景

蓄電池廣泛應(yīng)用于城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）車輛供電系統(tǒng)，為列車提供穩(wěn)定低壓電源和應(yīng)急供電。蓄電池頻繁、大功率充放電的工作特點(diǎn)對于蓄電池的檢修維護(hù)提出了更高的要求，目前，蓄電池檢修主要采用計(jì)劃修為主，故障修為輔的相對保守維保模式，該模式存在如下問題：①受蓄電池箱體車下布置和修程設(shè)置情況限制，蓄電池狀態(tài)深度檢查周期在1年及以上;②不具備長期、系統(tǒng)性積累蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)的條件，缺乏實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握蓄電池工作狀態(tài)的手段;③部分地鐵線路前期曾出現(xiàn)蓄電池滲漏、爆炸等情況;④高鐵列車同樣出現(xiàn)過蓄電池工作超溫導(dǎo)致的火災(zāi)情況，而傳統(tǒng)維護(hù)手段無法預(yù)知高頻率使用狀態(tài)下蓄電池工作過程安全狀態(tài);⑤國內(nèi)電力行業(yè)部分酸性蓄電池已加裝蓄電池監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了蓄電池基礎(chǔ)參數(shù)的測量，但是城軌車輛堿性蓄電池在線檢測尚無應(yīng)用案例;⑥城軌車輛傳統(tǒng)的蓄電池檢修工作存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)周期長的特點(diǎn);⑦電池組漏檢及觸電等潛在安全隱患;⑧電池檢測工作還處于人工操作階段，受設(shè)備限制，所測參數(shù)不全面，數(shù)據(jù)采集間隔較長，缺少蓄電池使用工況下的狀態(tài)檢查和實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，無法對蓄電池的真實(shí)使用狀態(tài)開展分析研究，尤其是對于車輛堿性蓄電池的工作特性、氫氣濃度監(jiān)測等重點(diǎn)內(nèi)容尚無有效手段。為此，亟需研發(fā)車輛蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蓄電池的智能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測及智能檢修。

2 蓄電池智能在線監(jiān)測技術(shù)總體方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)包括主控器、采樣盒、電流傳感器、氫氣傳感器、空氣開關(guān)、聲光報(bào)警裝置和線纜等。列車正常工作時(shí)，由主控器發(fā)送測量啟動(dòng)指令啟動(dòng)采樣盒對單體蓄電池和蓄電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行測量，估算蓄電池的剩余容量;氫氣傳感器采集箱體內(nèi)氫氣濃度并發(fā)送至主控器，主控器將采樣盒和氫氣傳感器的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并對電池組健康狀態(tài)進(jìn)行告警及預(yù)判提示，最后通過4G網(wǎng)絡(luò)同步將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端或云端APP。

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)中，主控器與采樣盒之間通過RS485通信線纜相連接，每個(gè)采樣盒負(fù)責(zé)對單排共5 個(gè)（或4個(gè)）蓄電池單體的電壓、內(nèi)阻及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采樣盒安裝于電池箱的框架上，采樣盒與采樣盒之間通過通信線纜接入RS485總線。主控器內(nèi)置4G模塊，安裝4G卡后可以通過4G網(wǎng)絡(luò)無線連接至云端及手機(jī)APP，實(shí)時(shí)顯示蓄電池的各項(xiàng)健康參數(shù)，如有報(bào)警信息可實(shí)時(shí)推送至云端及手機(jī)APP。監(jiān)測數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)6個(gè)月，USB接口可以與計(jì)算機(jī)連接通信，讀取的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)庫，用戶能夠設(shè)定條件進(jìn)行查詢。

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 主要設(shè)備模塊

（1）主控器。主控器是智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，能夠測量電池組總電壓、電流，可通過通信電路實(shí)現(xiàn)主控器與采樣盒、PC機(jī)、云端之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信。

（2）采樣盒。采樣盒是在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集部件，采樣盒在接收到主控器發(fā)出的測試命令后激活并啟動(dòng)相應(yīng)監(jiān)測，主要包括對蓄電池在線工作單體電壓、溫度等參數(shù)的監(jiān)測及采集，并通過RS485通信線纜將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控器。采樣盒與采樣盒之間通過RS485通信線纜連接。

（3）電流傳感器。電流傳感器是利用霍爾閉環(huán)原理將被測電流轉(zhuǎn)換成按比例跟隨輸出的電流或電壓的測量模塊，可準(zhǔn)確測量電池組的充放電電流，同時(shí)可通過蓄電池干線電流變化判定蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)，包括均充、浮充及放電狀態(tài)，以及用于計(jì)算蓄電池組的剩余容量。

（4）氫氣傳感器。氫氣傳感器模組是采用催化燃燒原理，提供數(shù)字輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，用于檢測蓄電池箱內(nèi)的氫氣濃度。

（5）聲光報(bào)警裝置。聲光報(bào)警裝置通過AC 220 V 電源插座輸入和外網(wǎng)網(wǎng)線輸入，并通過云端接收裝置接受信息，包括蓄電池出現(xiàn)故障報(bào)警、聲光報(bào)警器報(bào)警信息。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.3.1 啟?？刂?/p>

通過電源控制開關(guān)控制系統(tǒng)的啟停，當(dāng)設(shè)備檢修、蓄電池維護(hù)或長時(shí)間停用蓄電池及監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，能夠方便、快速地停用全部監(jiān)測設(shè)備。

2.3.2 車輛設(shè)備功能影響

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獨(dú)立的一套系統(tǒng)，不介入車輛的供電網(wǎng)絡(luò)，對蓄電池組只監(jiān)測不控制，避免對車輛運(yùn)行造成影響。

2.3.3 功率損耗分析

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備包括主控器、采樣盒、電流傳感器、氫氣傳感器4部分，其中，電流傳感器和氫氣傳感器由主控器供電，主控器由蓄電池組供電，每個(gè)采樣盒由所采集的蓄電池供電。

主控器平均功率為6W，每天耗電量為6W×24h×

1天/110V = 1.31Ah。采樣盒平均功率為0.5W，待機(jī)狀態(tài)功耗≤100μW可忽略不計(jì)，工作狀態(tài)耗電量為

0.5 W×24 h×1天/ 110 V = 1.11 Ah?？紤]到蓄電池組自

放電，按照要求的20%/月計(jì)算，自放電量為160Ah×

20%×1天/ 30天 = 1.07 Ah。因此，1天內(nèi)蓄電池的總耗

電量為1.31+1.11×10（10個(gè)采樣盒/蓄電池組） + 1.07 =

13.48Ah，約占蓄電池總?cè)萘康?.4%，在線監(jiān)測系統(tǒng)不會(huì)影響正常車輛的激活運(yùn)行，若車輛進(jìn)行長時(shí)間斷電停放，則需停用全部監(jiān)測設(shè)備，以避免蓄電池電量損耗。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 蓄電池組狀態(tài)監(jiān)測

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)對電池組電壓、充放電組電流、電池組剩余容量（SOC）進(jìn)行檢測并生成記錄數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)曲線，如圖3～圖5所示。其中，剩余容量（SOC）指電池當(dāng)前實(shí)際可以放出的電量，代表的是電池使用一段時(shí)間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，采用百分?jǐn)?shù)表示。

3.2 蓄電池單體狀態(tài)監(jiān)測

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池單體溫度、電壓進(jìn)行檢測，后臺(tái)可統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和平均值并自動(dòng)生成柱狀圖或表格進(jìn)行全部顯示，如圖6、圖7所示。

3.3 故障告警

蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池組和單體蓄電池參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，還能夠?qū)崿F(xiàn)電池組電壓上限、電池組電壓下限、充電電流上限、放電電流下限、單體電壓上限、單體電壓下限、單體溫度上限、電池組剩余容量下限、環(huán)境溫度上限、氫氣濃度上限的告警。用戶可通過手機(jī)APP 或網(wǎng)頁屏端實(shí)時(shí)查看蓄電池信息及告警推送，云端賬戶可以進(jìn)行告警值修改和設(shè)置，如圖8所示。

4 蓄電池智能在線監(jiān)測運(yùn)維分析

通過蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際加裝與應(yīng)用，以及對比現(xiàn)有檢修維保模式，可見該系統(tǒng)在智能運(yùn)維方面具有巨大潛力和優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)蓄電池維護(hù)從“計(jì)劃檢修”向“智能維修”過渡的重要技術(shù)手段，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益和廣闊發(fā)展前景。蓄電池智能在線監(jiān)測運(yùn)維與傳統(tǒng)運(yùn)維對比分析如表1所示，表1表明蓄電池智能在線監(jiān)測運(yùn)維在數(shù)據(jù)采集、檢查項(xiàng)點(diǎn)、故障預(yù)警、爆炸氣體檢測、人工耗時(shí)、操作安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)檢修運(yùn)維。

5 結(jié)束語

蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，是城軌車輛安全、平穩(wěn)運(yùn)行的基本條件之一，其維護(hù)運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到車輛安全運(yùn)營。蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)面向智能運(yùn)維管理，通過檢測、數(shù)字信號(hào)處理、控制、通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線測量、記錄并存儲(chǔ)電池組在充電、放電和靜止階段的電壓/電流/時(shí)間/環(huán)境溫度和日期，以及超限告警，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過USB接口導(dǎo)出表格并生成曲線，便于分析蓄電池的車載充放電維護(hù)運(yùn)行情況和性能狀態(tài)。蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用對于及時(shí)掌握蓄電池的使用維護(hù)情況，判斷車載充電設(shè)備是否正常，避免蓄電池事故發(fā)生，提供了技術(shù)支持，對智能運(yùn)維提供了技術(shù)保障。

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收稿日期 2020-06-29

責(zé)任編輯 朱開明