車(chē)載蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

【摘要】對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并定期進(jìn)行均衡充放電維護(hù)是延長(zhǎng)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(cè)技術(shù)。

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

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(guò)程有著很大關(guān)系。

蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，是車(chē)輛應(yīng)急供電的保障，其維護(hù)運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到車(chē)輛安全運(yùn)營(yíng)。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(shí)了解蓄電池組中各電池狀態(tài)，對(duì)蓄電池組進(jìn)行維護(hù)。

對(duì)蓄電池狀態(tài)的檢測(cè)，一般依靠人工的方式，在蓄電池充放電過(guò)程中，用萬(wàn)用表，監(jiān)測(cè)儀等儀器設(shè)備，每隔一定時(shí)間從儀表讀取電壓、電流變化，并進(jìn)行手工記錄，一個(gè)過(guò)程結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)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(guò)設(shè)置蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)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(duì)應(yīng)用在唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司制造的A型地鐵樣車(chē)上的蓄電池在線監(jiān)測(cè)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(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。這些法則中規(guī)定“充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)”。

蓄電池充電方法有恒流、恒壓、準(zhǔn)恒壓、兩級(jí)或三級(jí)準(zhǔn)恒流、恒壓、浮充電等幾種。恒流充電是通過(guò)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(guò)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(dòng)勢(shì)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(guò)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(shí)間里保持一定的數(shù)值，因而，蓄電池每個(gè)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(guò)正常恒流充電電流值。在充電過(guò)程中，隨著蓄電池電動(dòng)勢(shì)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(shí)，充電電流是一個(gè)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(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電，電池的端電壓會(huì)隨時(shí)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(dòng)，電池負(fù)極電位迅速向負(fù)方向移動(dòng)，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(shí)，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(shí)，繼續(xù)充電，端電壓不再變化。對(duì)蓄電池以不同的電流充電，則會(huì)有不同的開(kāi)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(shí)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(shí)端電壓要比同一時(shí)刻正常充電電流時(shí)的端電壓小。蓄電池以恒定電壓充電時(shí)，極化電勢(shì)尚未建立，而歐姆內(nèi)阻又較小電流是隨時(shí)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(gè)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(shí)，蓄電池端電壓與終了都要改變。用小電流放電時(shí)，終了電壓定的大一些，用大電流放電時(shí)，終了電壓則定的小一些。因?yàn)樵诖箅娏鞣烹姇r(shí)，放電中期提前到達(dá)，但有效物質(zhì)并沒(méi)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(zhǎng)放電時(shí)間，是電池放出的電量增多。

3.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一般蓄電池組是由多個(gè)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(shí)下降的較快，而充電時(shí)上升的較慢，因此將每個(gè)蓄電池的充放電動(dòng)態(tài)曲線與平均曲線對(duì)比即可知道蓄電池的內(nèi)阻特性是否比較均勻。通過(guò)設(shè)置蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)掌握蓄電池的使用情況。

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

蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)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(yùn)行狀態(tài)信息，然后通過(guò)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(duì)溫度和電流的測(cè)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)單個(gè)電池的電壓檢測(cè)也比較簡(jiǎn)單，但是要實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)在一起的蓄電池組中單體電池電壓的準(zhǔn)確測(cè)量一直是一個(gè)難于解決的問(wèn)題。而電壓檢測(cè)是最直接檢測(cè)也是最常用的一個(gè)參數(shù)，也是目前許多電池監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的檢測(cè)方法。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)：

蓄電池電壓信號(hào)采集

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

電流信號(hào)采集

每個(gè)蓄電池組采用一個(gè)電流霍爾傳感器，電流傳感器可以保證準(zhǔn)確測(cè)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(guò)SBUS 電路，將電流信號(hào)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(gè)SBUS 轉(zhuǎn) RS485/ MVB模塊，用于將蓄電池組電壓、電流、溫度的SBUS信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485/ MVB信號(hào)，每個(gè)SBUS轉(zhuǎn)RS485/ MVB可單獨(dú)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(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)采集的蓄電池電壓、電流信號(hào)分析，同時(shí)具備信號(hào)上傳 MVB 或 RS485 接口，可與車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）通信。

報(bào)警

監(jiān)控后臺(tái)分析軟件具有蓄電池電壓過(guò)高、過(guò)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(bào)警功能；并且具有多種報(bào)警的人機(jī)交互方式，聲音報(bào)警和燈光報(bào)警（必要時(shí)可升級(jí)為 EMAIL 或短信報(bào)警）。

4.結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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