軌道交通行業蓄電池檢修維護創新嘗試

陳文

摘要：根據目前軌道交通行業蓄電池的故障情況，重點分析目前行業內對蓄電池的維護運營存在的困難點和蓄電池的隱患，針對蓄電池的運營管理提出基于PHM的在線實時監測的維護手段，采用高精度單體監測模塊采集蓄電池的電壓、內阻、溫度、組端電壓和組端電流等數據。通過后臺軟件智能分析蓄電池個體自身歷史趨勢對比以及蓄電池組內個體間的對等比較，預測存在故障隱患的蓄電池，實現對蓄電池組的狀態修和智能化管理。并可遠程對蓄電池組進行在線充放電，提高了蓄電池維護的效率和質量，從而避免事故的發生。

【關鍵詞】地鐵;蓄電池;故障預測與健康管理;在線實時監測

1.現狀分析

隨著社會經濟的快速發展以及城市化進程的加快，我國的城市軌道交通迎來了快速發展期，地鐵已成為大城市基礎設施、城市公共交通的主要形式。地鐵中蓄電池的十分廣泛，無論在變電所、信號、通信還是車輛電源設備中，蓄電池作為備用電源在系統中起著極其重要的作用。

正常情況下，蓄電池處于浮充備用狀態，而在市電中斷或其它電源事故狀態下，蓄電池作為電源設備的后備能源供給者，一旦出現問題，電源系統將面臨癱瘓，可能造成大范圍的設備停運及其它重大運行事故。

蓄電池組作為軌道交通設備運行的保障能源，是電源系統的最后一層保障，至關重要。但是近年來軌道交通事故中因蓄電池故障造成事故擴大事件時有發生。

隨著地鐵線路的發展、站點數量不斷的增加，設備維護的壓力也隨之增大，但是運維人員的數量卻非常有限。日常的巡檢由于站點和機房的分散，對于人員的消耗比較大。目前業內多是對蓄電池進行簡單的巡檢，對于蓄電池的維護來說是遠遠不夠的，蓄電池的隱患來之突然，輕則發熱損壞系統設備、重則起火引燃機房。因此，需要盡快對蓄電池組通常的管理維護進行改變，減少人力物力的消耗和工作量的繁重，讓蓄電池的運行更加安全，更有保障。

2.問題分析

2.1蓄電池自身的性能缺失

目前軌道交通行業中，基本采用的都是閥控鉛酸蓄電池（VRLA），俗稱“免維護”蓄電池，所謂“免維護”僅指無需加水、加酸、換液等維護，其無需維護的優點，也正是容易導致維護管理上的疏忽點。

（1）從近幾年軌道交通行業有關蓄電池故障的材料顯示，由于電池本身的質量問題，如材料、結構、工藝的缺陷及使用不當等原因導致蓄電池過早失效的情況時有發生。

（2）閥控式密封鉛酸蓄電池故障的原因很多，如電池失水過多，甚至干涸而引發的一系列性能變壞的問題，如內阻增大，熱失控、電池性能不均勻，個別電池提前失效等，缺乏相應的性能監控及檢測手段。蓄電池的現狀說明蓄電池的性能還有待提高，從維護和管理方面還需不斷完善。

2018年7月某地鐵站點的環控電控室BAS蓄電池發生火災事件，導致BAS蓄電池柜和PLC柜嚴重燒毀，現場處理火災的時間較長，對地鐵線路影響非常大。后經分析查明，火災原因是因為現場溫度較高，導致蓄電池的性能和壽命降低，該蓄電池組處于充電的狀態下，蓄電池內部產生了一定量的氫氣，壓力過大無法正常排出導致內阻偏高，而內阻偏高會引起在充放電時的蓄電池溫度升高、發熱，最終造成此次蓄電池嚴重火災的事件發生。在此次事故發生前，該站點蓄電池組剛進行過周檢修，并未發現問題。由此可知，僅僅是例行的檢查并不能達到深度故障預警的作用，預防工作仍需加強。蓄電池故障來的突然，人工巡查無法達到要求，若能夠對蓄電池進行在線實時監測系統，即可在事故發生前進行處理，將損失降到最低。

2.2蓄電池組管理維護的難點

由于軌道交通行業的獨特性，在蓄電池組的日常巡檢和年檢的計劃中，主要會遇到以下幾個難點：

（1）軌道交通行業地鐵站點的分散、各個系統對蓄電池組的規格要求不同，使得蓄電池組的種類較雜、數量不一，管理和維護的壓力比較大。目前市場上的蓄電池在線監測產品，只是簡單的監測蓄電池的浮充電壓，根本無法達到分析蓄電池性能目的。

（2）按照業內通用的蓄電池維護規程，蓄電池定期維護的主要內容包括：浮充總電壓和單體電壓檢測、溫度監測、核對性放電試驗、容量試驗等。維護所需的時間長、設備多、工作量大，而且仍可能無法滿足維護管理需求，無法實時排查出有安全隱患的電池，導致蓄電池的使用壽命經常遠低于預期。

（3）定期的內阻測試、核對性充放電測試工作仍然采用人工模式，采集數據后還需通過人工分析數據，判斷蓄電池性能狀態，耗時耗力，數據量大時更容易出現疏漏。

3.解決方案

3.1基于PHM的蓄電池遠程充放電監測系統

針對軌道交通行業蓄電池組的困難點和蓄電池本身的性能缺點，我們提出基于PHM的蓄電池遠程充放電監測系統來對蓄電池進行維護管理和保護，通過對蓄電池組進行遠程監測和數據采集，后臺軟件進行蓄電池個體自身歷史趨勢對比以及蓄電池組內個體間的對等比較，預測存在故障隱患的蓄電池，實現對蓄電池組的狀態修和智能化管理。

（1）蓄電池遠程充放電監測系統，通過監測蓄電池組的組端電壓、組端電流、溫度、內阻等指標，并且對指標進行實時監測告警，智能分析，達到設備運行質量分析及故障預警的目的，提高蓄電池運行安全性。

（2）為了確保系統的安全性以及提高數據測量結果的精度，監測系統采用光電隔離器和內部電路板進行隔離。單體監測模塊設計為雙接口的接線模式，相鄰的蓄電池單體之間采用串聯總線進行連線，摒棄繁瑣的接線方式，單體監測模塊獨立供電，保證了系統的穩定性和美觀性，并且在產品的精度上也有所提高。

（3）監測系統中采用目前行業先進的電源變換技術和精密測量技術，并且結合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，對蓄電池的工作狀態和健康性能進行綜合分析，有效的解決蓄電池過早失效和性能下降等方面的監測難題。

（4）蓄電池遠程充放電監測系統充放電功能通過“無縫連接技術”，將全在線充放電節能模塊改造安裝到蓄電池組充放電回路中，確保蓄電池組保持實時在線的狀態，若放電過程中市電突發中斷，蓄電池組會立即切入供電工作狀態進行供電，保障系統安全。蓄電池組放電過程中，如果達到系統預先設定的容量、電壓、時間等指標閾值，系統會自動轉換為充電模式，對蓄電池組進行充電恢復。圖3為蓄電池監測系統的拓撲圖。

（5）采用MOS管控壓原理，結合CDC電路，實現恒流和恒功率放電測試。并且內部使用多個電容器并聯放電，進行沖擊電流測試，模擬動作時的放電能力，保證瞬間大電流情況下設備正常進行放電。最終，平臺通過對蓄電池電壓、電流、內阻和充放電數據的綜合分析，建立蓄電池健康狀態評估模型，智能預估蓄電池容量情況。

3.2蓄電池遠程充放電監測系統案例

2018年1月份，由福州地鐵集團有限公司運營分公司牽頭，引導福州福光電子有限公司對福州地鐵1號線某站點民用通信機房的蓄電池組加裝蓄電池遠程充放電監測系統。系統上線運行期間，能實時對蓄電池的單體電壓、溫度、內阻、組端電流、組端電壓等參數進行監測，一旦監測數值升高或降低超過預設的閾值，系統會自動進行提示警報。同時系統能對蓄電池的內阻數據進行自身歷史趨勢對比及組內對等比較，若蓄電池的內阻值超過自身歷史數據的130%（每年），或者高于組內蓄電池內阻平均值的110%（實時），系統會判斷蓄電池存在故障，需要進行活化或者更換。

期間多次通過遠程操作對蓄電池組進行放電測試，系統能對采集的各類數據的進行比對和計算，判斷每節單體電池的實際容量值，實現蓄電池組的健康預測，并且生成所相應的數據報表。在測試過程中，電壓、溫度、電流等數據與實際測量值偏差在1%以內。

系統上線一年以來，減少了日常巡檢記錄的繁瑣過程、省去了年檢核對性放電測試的麻煩，最重要是有效預警了兩節問題電池，檢修人員能第一時間對問題電池進行處理，把預防工作做到最優。通過遠程的放電測試，將原先需要2人協作，利用3臺設備才能完成的放電測試縮減為1人即可完成，無需下到站點機房，在網管值班處即可完成所有的操作，采集到所有的數據，更具有安全性、穩定性。

4.經驗總結

對于目前業內蓄電池組的維護運營存在的困難點和蓄電池組的隱患分析，我們通過加裝基于PHM的蓄電池遠程充放電監測系統對蓄電池的維護進行優化，主要有以下幾點優點：

（1）實時在線對蓄電池的電壓、溫度、內阻、充放電電流等參數進行遠程監測，能精準監測蓄電池老化、短路、過載、發熱等故障情況，確保軌道交通電源系統的安全可靠運行，并能達到故障預警的目的。

（2）蓄電池組遠程充放電監測系統中采用了故障預測、健康預測等多種管理手段對軌道交通蓄電池組進行管理，實現了對蓄電池組實時數據的管理和分析。通過對蓄電池的監測，優化了蓄電池的維護手段，實現蓄電池的狀態修，延長了蓄電池的使用年限。

（3）省去了日常檢修維護人力、物力的消耗，更把日常維護巡檢中的危險性和故障性降到了最低。站點機房無需安排人員進行蓄電池日檢，年檢放電測試也無需現場2人配合操作記錄，按照1條地鐵線路24個站點48組蓄電池計算，單站蓄電池監測系統造價約為4萬元，約可減少4名人員配置，效益及安全性上均存在優勢。

5.結束語

綜上所述，基于PHM的蓄電池遠程充放電監測系統既滿足軌道交通行業電源系統的日常維護需求，節省了大量的維護時間和人力、物力的消耗，也從根本上提高了對蓄電池健康維護的效率和質量。隨著鋰電池、鎳氫電池等新型電池的快速發展，尤其是鋰電池已經在上海地鐵、南京地鐵進行了小范圍的試點，軌道交通行業需要對新型電池的維護技術進行關注與儲備，如：鋰電池的充放維護技術、電池均衡維護技術、BMS數據接入技術、氫氣泄露檢測等等。本次車站蓄電池試點項目的成功實施，為后續車載蓄電池的遠程監測管理研究提供了基礎，下一步福州地鐵也將逐步開展這些新型電池的維護技術研究。

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