電力機車蓄電池在線監測系統

劉建偉

【摘 要】在電力機車運行的過程中，對蓄電池總電壓、總電流，單個充、放電電壓、內阻、溫度等各項參數進行實時采集，通過橫向、縱向的比較，判定蓄電池的狀態，對確保電力機車能夠正常運行有重要的作用。隨著鐵路運輸速度的不斷提高，鐵路機車的安全穩定運行變得日益重要。機車上的許多用電設備都離不開可靠的電源，為此采用蓄電池組作為備用電源，蓄電池工作狀態的好壞，對于機車的運行至關重要。蓄電池組在運行的過程中個別蓄電池會因各種故障而失效，造成供電設備不能正常運行。因此，對機車蓄電池運行參數進行在線監測對保證鐵路機車安全可靠運行十分重要。

【關鍵詞】閥控式鉛酸蓄電池 在線監測 傳感器 系統設計

本文以蓄電池運行參數在線監測系統研究為背景，對蓄電池相關技術參數等進行了深入的分析。在現有的電力機車蓄電池在線監測技術的基礎上，設計一種新型的電力機車蓄電池在線監測系統，對機車蓄電池運行參數進行在線監測，對于超出判定標準閥值的蓄電池，可以分檔次實時給出告警信息，幫助檢修人員制定出相應的維護與檢修蓄電池的計劃。

1電力機車蓄電池在線監測項點

1.1 機車蓄電池電流

蓄電池的容量與其充放電過程有著密切的關系，尤其是蓄電池的初次充放電對蓄電池以后的使用壽命有很大的影響；而對蓄電池有重要影響的是蓄電池的充放電電流，充電電流過大，由于電流沿厚度方向的作用深度有限，活性物質反應只能在蓄電池極板的表面進行，會使得蓄電池不能完全充滿電，容量不足，縮短其壽命；放電電流過大會使蓄電池內阻迅速增加，端電壓迅速下降，當低于允許電壓時，蓄電池的電量已基本放完，不能繼續放電。

1.2機車蓄電池電壓

常用的檢測蓄電池故障的方法就是平時進行的單體蓄電池端電壓測量及容量核對性放電試驗，在浮充狀態下進行的蓄電池端電壓測量本身并不能夠真實的反映蓄電池的性能狀態，只有存在嚴重故障的蓄電池端電壓才會異常，但是性能變差或者存在輕微故障的蓄電池在浮充狀態下也能測得合格的端電壓；而一旦由蓄電池單獨向系統供電，性能變差的或者存在輕微故障的蓄電池放電時，就可能影響整體電池質量，無法保證機車正常運行的供電要求，因此對單體蓄電池和蓄電池組的電壓在線監測是非常必要的。

1.3機車蓄電池溫度

蓄電池的電壓與溫度有很大的關系，根據有關資料表明，當蓄電池溫度每升高1℃，單個蓄電池的電壓將下降約3mV，也就是說，蓄電池的電壓具有負溫度系數，其值為-3mV/℃，研究表明，在環境溫度為25℃時工作很理想的蓄電池，當環境溫度降到0℃時，蓄電池就不能充足電，當環境溫度升到50℃時會使蓄電池過充電，嚴重過充電會縮短其使用壽命，溫度低于-40℃時，蓄電池雖然還能正常工作，但容量將會下降，因此，對蓄電池的溫度監測對延長蓄電池的使用壽命有重要意義。

1.4機車蓄電池內阻

蓄電池的內阻與其剩余容量之間存在很大的相關性（ 大約88%），所以可以通過測量蓄電池內阻來較準確地預測其剩余電量。

1.4.1蓄電池內阻和蓄電池老化

根據蓄電池內阻的大小也可以判斷其老化的程度，蓄電池老化與構成蓄電池的材料和部件的損壞的速率有關。固定型閥控鉛酸蓄電池壽命一般都規定為在環境溫度25℃浮充條件下的使用年限。

1.4.2蓄電池內阻和蓄電池溫度

當蓄電池環境溫度升高時，電解液的活動就會加強，故蓄電池內阻減少；當蓄電池環境溫度降低時，電解液的活動減弱，故蓄電池內阻增大。當溫度較低時（一般25℃以下），蓄電池內阻隨溫度變化顯著；當溫度較高時（一般25℃以上），蓄電池內阻隨溫度變化緩慢。

1.4.3蓄電池內阻與蓄電池充放電狀態

蓄電池在不同的充放電狀態下其內阻值是不同的，滿充電時其內阻最小，放電到終止電壓時其內阻最大。蓄電池在充電過程中內阻逐漸減小，放電過程中內阻逐漸增大，故障蓄電池充電時內阻減小的速度比正常蓄電池緩慢；放電時內阻增大的速度比正常蓄電池快。

1.4.4蓄電池內阻與蓄電池浮充電壓

從單體蓄電池故障現象可知，單體蓄電池發生故障時，其內阻增大，浮充電壓上升，但內阻增大和浮充電壓上升并不是同時發生的。電力機車蓄電池的內阻與蓄電池的其他參數存在很大的相關性，蓄電池內阻值可以反映蓄電池性能狀態。

總之，對電力機車蓄電池運行參數的在線監測對確保電力機車安全、可靠、穩定運行有著重要的意義。對電力機車蓄電池充放電電流的在線監測采用的是一個單獨的閉環霍爾電流傳感器，而對于蓄電池電壓、溫度、內阻的在線監測，采用的是一個智能集成傳感器，這種傳感器集成了電壓，內阻，溫度三種傳感器為一體。

2 電力機車蓄電池在線監測系統設計

2.1系統整體性能要求

（1）故障預報和狀態診斷準確率 ≥80%，無漏報；

（2）主機有中文界面，可實時觀察蓄電池運行時的電壓、電流、溫度等參數；

（3）實時顯示結果延時不大于1S；

（4）可在線顯示、查詢，數據可下載到地面軟件集中處理；

（5）適應機車工作環境，抗震，工作環境溫度范圍：-25～+75℃；

（6）程序可在線更新，分析軟件有自適應、自學習功能。

2.2系統整體方案

在線監測裝置由主機、蓄電池智能傳感器、電流傳感器等部分組成。電力機車蓄電池在線監測系統分為在線監測及保護裝置部分、地面數據分析專家系統兩部分；在線監測及保護裝置負責數據采集記錄、在線狀態監控，具有對蓄電池狀態初步的判定、提示和警告能力；地面數據分析專家系統包括蓄電池監測信息數據庫、專家分析程序、轉儲、查詢、打印等。

3結語

在對蓄電池的基礎知識的了解與認識的前提下，對蓄電池的運行參數進行深入分析研究，通過理論的分析與研究，運用傳感器的原理完成電力機車蓄電池在線監測系統設計，并進行了現場試驗，得到可靠地實驗數據，所以運用這套系統基本可以實現機車蓄電池的在線監測。