鐵路罐車安全監測系統電源技術的探討

朱英波 梁普 (等)

摘 要：針對鐵路罐車需加裝安全監測系統但無電源的現狀，從環境溫度、安裝方式和供電方式等方面對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發電三種電源應用于鐵路罐車安全監測系統的可行性進行了探討。

關鍵詞：鐵路罐車；監測系統；電源

隨著鐵路罐車載重增加，速度提升，以及鐵路信息化的發展，為了提高危險品運輸的安全性，加強危險品的運營管理，鐵路罐車需加裝安全監測系統。然而，鐵路罐車無供電設施，為了使安全監測系統能夠運行，鐵路罐車須配備合適的電源。

1 概述

鐵路罐車安全監測系統是利用傳感技術、數據采集及處理技術、無線數據傳輸技術、GPS定位技術以及后臺信息系統的融合技術等技術手段，采用車載設備對罐車運行中的相關參數進行檢測，并通過無線的方式傳送到地面監測系統，以實現危險品裝卸運營全過程的監控。給這套系統供電，最常用的電源是電池，特種鐵路罐車已采用閥控式鉛酸蓄電池為測量顯示系統供電，而鋰亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池是目前實際應用電池系列中比能量最高的一種電池。除了電池，也可以利用自然能源的能量轉換為監測系統供電，如太陽能，這種能源因具有無污染、資源普遍和永不枯竭等特點，近幾年發展迅速。因此，本文對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發電三種電源應用于鐵路罐車安全監測系統的可行性進行了探討。

2 鐵路罐車安全監測系統電源的要求

為了給安全監測系統供電，所配備的電源應能提供12V可靠穩定的直流電。由于鐵路罐車運輸范圍廣、溫度變化大，電源應能滿足鐵路罐車運營環境溫度的要求，即-40℃～+50℃。并且，鐵路罐車的最短檢修周期為1年，在此期間，一般無專人維護，因而，電源的供電時間應不小于1年。

3 三種電源應用于鐵路罐車安全監測系統的分析

根據鐵路罐車安全監測系統電源的要求，從環境溫度、安裝方式和供電方式等方面分別對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發電三種電源進行分析、對比。

3.1 閥控式鉛酸蓄電池

閥控式鉛酸蓄電池因結構密封，充、放電過程中不會漏液，也不需要定期加水或加酸液，并且，電池內部設置了可以調節氣壓的安全閥，因此，這種電池也被稱為“免維護”閥控密封式鉛酸蓄電池，為二次電池。這種電池因具有電壓穩、充放電可逆性好、使用溫度范圍廣、安全性高、免維護、環保等特點，廣泛地應用于國防、交通、電力、通訊、冶金、石油化工以及城市軌道交通的通信系統、信號系統、供電系統等[1]。

閥控式鉛酸蓄電池在-40℃～+60℃范圍內可正常使用，使用壽命為5年，能夠滿足鐵路罐車運營環境溫度和檢修的要求。然而，由于結構原因，散熱困難，其壽命和容量受溫度影響較大。這種電池在25℃的環境下兼具使用壽命長和容量高的最佳綜合性能。長期運行溫度若升高10℃，使用壽命約降低一半[2]；當溫度降低至-40℃時，蓄電池的容量減少到原來的1/ 3 左右[3]。

為了延長使用壽命，蓄電池應避免陽光直射，并進行適當的通風。并且，由于蓄電池的體積和重量較大，如容量為38Ah的閥控式鉛酸蓄電池外形尺寸為200mm×169mm×176mm，重量約19kg。因此，蓄電池在鐵路罐車上的安裝采用獨立式設計，并在保護殼上設置通風孔，可與安全監測系統的其他部件一起固定在罐頂，或懸掛于罐車的底架上以便于臨時檢修。在確定蓄電池的容量時，需綜合考慮用電負載功耗、蓄電池的放電深度（一般取75%）、自放電（25℃時，每天自放電率小于額定容量的0.1%）和溫度對蓄電池容量的影響等因素。

由于蓄電池在一次充電后給負載的供電時間應不低于1年，因此，采用閥控式鉛酸蓄電池給監測系統供電時，只能進行間歇式供電，不能實現實時監控的目的。并且，根據用電負載的功耗，在考慮蓄電池體積和重量的基礎上，選擇適當的容量，從而確定供電的間隔時間。

3.2 鋰亞硫酰氯電池

鋰亞硫酰氯電池因具有比能量高（實際比能量為405Wh/kg[4]）、工作電壓高且平穩（在90%容量范圍內，電壓變化小于0.2V[5]）、儲存壽命長（15年）、體積小、重量輕、耐振動和沖擊等優點，已廣泛地應用于電子計量、檢測儀表、監控報警系統、電子醫療設備、GPS定位追蹤設備等。目前工業化生產的電池為一次電池，國產38Ah鋰亞硫酰氯電池的價格大約為每節75元。

鋰亞硫酰氯電池的工作溫度范圍在-55℃～85℃之間，滿足鐵路罐車的運營工況。然而，環境溫度對這種電池的容量和壽命也有一定的影響，當溫度從25℃降低到-40℃時，電池容量降低約30%，高溫（>70℃）對電池的壽命有不利的影響。

由于鋰亞硫酰氯電池的開路電壓為3.6V，采用這種電池給12V的直流負載供電時，須串聯4節電池才能達到所需的電壓。該電池因比能量大而具有體積小、重量輕的優點，目前工業化生產的鋰亞硫酰氯電池最大容量為38Ah，外形尺寸為φ34.2mm×124.5mm，重量約0.2kg。因而，采用這種電池給安全監測系統供電時，不需單獨設計安裝結構，可與其他部件一起安裝在保護殼內，并固定于罐頂。

為了達到鐵路罐車在最短1年檢修周期內的供電要求，采用鋰亞硫酰氯電池作為安全監測系統的電源時，也只能進行間歇式供電，可采用并聯的方式增加電池的容量。這種電池由于自放電率很低（每年約0.1%），電池的容量僅與用電負載的功耗和溫度有關。在綜合考慮電池的容量和體積的情況下，確定危險品運輸過程中監測的時間間隔。

3.3 太陽能發電

太陽能發電是利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將太陽光的輻射能轉換為電能的一種新型發電系統，又稱光伏系統，這是一種對環境無污染的可再生能源，其應用覆蓋航海、航天、電力、交通、民用等領域，尤其是無電網的地區。

太陽能光伏發電系統由太陽能電池方陣、阻塞二極管、調節控制器和蓄電池組成[6]，其結構示意圖見圖1。目前，工業化生產的太陽能電池是晶體硅太陽能電池，主要包括單晶硅和多晶硅。單晶硅太陽能電池的轉換效率約15%，多晶硅太陽能電池的轉換效率在10%左右[7]。由于材料容易制取，多晶硅太陽能電池的成本較低。現階段，市場上晶體硅太陽能電池組件的價格大約為15元/瓦，預期使用壽命25年。與太陽能發電系統配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。

太陽能電池的正常工作溫度是-65℃～+125℃，在給定的光強下，工作溫度升高會降低轉換效率，導致輸出功率減小、使用壽命降低。研究表明相對于電池的額定工作溫度25℃，溫度每升高1℃功率會降低0.3%[8]。

由于鐵路罐車屬于移動式設備，運輸范圍遍及全國，為了使車輛運輸途中太陽能電池組件能夠最大限度地獲得太陽能，提高發電效率，太陽能電池組件的安裝須選取合適的傾斜角（太陽能電池組件平面與水平地面的夾角）。鑒于最佳傾斜角與地理緯度有關，通過調研1998年～2005年全國主要城市的日輻射量，成都和貴陽的日輻射量均較低，因此，鐵路罐車太陽能電池組件安裝傾斜角的確定以這兩個地區作為參考，分別為32°和34°。同時，考慮到傾斜角大于30°時有利于組件表面的積雪滑落，因而，太陽能電池組件在鐵路罐車頂部安裝的傾斜角可選在30°～35°之間。

采用太陽能發電可以提供源源不斷的能量，為鐵路罐車的安全監測系統連續供電，不僅可以滿足鐵路罐車的檢修要求，而且能夠達到實時監控的目的。

3.4 三種電源的對比

閥控式鉛酸蓄電池在鐵路罐車上已有成熟的應用經驗，可懸掛于鐵路罐車的底架上，便于臨時檢修或更換電池。這種電池存在體積和重量大的缺點。采用該電池給安全監測系統供電時，只能進行間歇式供電。

鋰亞硫酰氯電池因具有體積小、重量輕的優點，應用于鐵路罐車可以實現安全監測系統的小型化和輕量化。然而，該電池存在低溫放電電壓滯后、短路和重負載條件下存在安全隱患等缺點。這種電池作為安全監測系統的電源時，危險品運輸過程中的監測也只能是間歇式的。

采用太陽能發電的方式給鐵路罐車安全監測系統供電時，可以達到在1年的檢修期內給系統持續供電的目的，實現危險品裝卸運營全過程的實時監測。太陽能電池組件存在體積大、產業鏈不完整、標準不完善、價格高等缺點。

4 結束語

通過對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發電三種電源應用于鐵路罐車安全監測系統的對比分析，可以得出以下結論：在間歇式供電的情況下，可以選用閥控式鉛酸蓄電池或鋰亞硫酰氯電池。閥控式鉛酸蓄電池因屬于二次電池長期使用經濟性更高（38Ah電池的價格約600元），而鋰亞硫酰氯電池明顯具有自放電率低、體積小、重量輕的優點。鐵路罐車危險品在運輸過程中需實時監測時，可采用太陽能發電給安全監測系統供電。因此，在實際應用中，可根據用戶的具體需求為鐵路罐車安全監測系統選擇合適的電源。

參考文獻

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[2]曾建華，李勇.閥控式密封鉛酸蓄電池最佳性能的實現[J].蓄電池，2006（2）：63-65.

[3]張磊，魏曉斌，張光.閥控式密封鉛酸蓄電池的容量與溫度關系分析[J].內燃機車，2007（9）：19-20、26.

[4]王圣平.油田用高溫鋰亞硫酰氯電池的性能分析[J].國外測井技術，2005，20（3）：67-70.

[5]李連清.鋰亞硫酰氯高能電池[J].宇航材料工藝，2003（5）：39.

[6]高彪，林善法，何劍峰，等.家用太陽能光伏發電系統設計[J].科技創新與應用，2011（21）：12-13.

[7]羅雪蓮，吳麟章，江小濤，等.太陽能電池及其應用[J].武漢科技學院學報，2005，18（10）：36-38.

[8]閆紅梅，溫廷敦.太陽能電池的最新研究進展[J].硅谷，2011（21）：31.