面向智能運維的城軌車輛蓄電池在線監測系統

馬乾 劉丙林 姜云海

摘 要：堿性蓄電池廣泛應用于城市軌道交通車輛供電系統。伴隨著蓄電池在牽引等高頻、大功率放電工況下的應用，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檢修方式中存在的問題，結合智能運維的發展趨勢，研發車輛蓄電池在線實時監測系統，系統應用效果良好，可為蓄電池智能運維提供技術保障。

關鍵詞：城市軌道交通;智能運維;蓄電池;在線監測系統

中圖分類號：U231

1 研究背景

蓄電池廣泛應用于城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）車輛供電系統，為列車提供穩定低壓電源和應急供電。蓄電池頻繁、大功率充放電的工作特點對于蓄電池的檢修維護提出了更高的要求，目前，蓄電池檢修主要采用計劃修為主，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置情況限制，蓄電池狀態深度檢查周期在1年及以上;②不具備長期、系統性積累蓄電池運行數據的條件，缺乏實時準確掌握蓄電池工作狀態的手段;③部分地鐵線路前期曾出現蓄電池滲漏、爆炸等情況;④高鐵列車同樣出現過蓄電池工作超溫導致的火災情況，而傳統維護手段無法預知高頻率使用狀態下蓄電池工作過程安全狀態;⑤國內電力行業部分酸性蓄電池已加裝蓄電池監測設備，實現了蓄電池基礎參數的測量，但是城軌車輛堿性蓄電池在線檢測尚無應用案例;⑥城軌車輛傳統的蓄電池檢修工作存在勞動強度大、作業周期長的特點;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，受設備限制，所測參數不全面，數據采集間隔較長，缺少蓄電池使用工況下的狀態檢查和實時性數據，無法對蓄電池的真實使用狀態開展分析研究，尤其是對于車輛堿性蓄電池的工作特性、氫氣濃度監測等重點內容尚無有效手段。為此，亟需研發車輛蓄電池在線監測系統，實現蓄電池的智能在線實時監測及智能檢修。

2 蓄電池智能在線監測技術總體方案

2.1 系統架構

蓄電池智能在線監測系統包括主控器、采樣盒、電流傳感器、氫氣傳感器、空氣開關、聲光報警裝置和線纜等。列車正常工作時，由主控器發送測量啟動指令啟動采樣盒對單體蓄電池和蓄電池組的電壓、電流和溫度進行測量，估算蓄電池的剩余容量;氫氣傳感器采集箱體內氫氣濃度并發送至主控器，主控器將采樣盒和氫氣傳感器的采集數據進行存儲并對電池組健康狀態進行告警及預判提示，最后通過4G網絡同步將數據發送至PC端或云端APP。

蓄電池智能在線監測系統中，主控器與采樣盒之間通過RS485通信線纜相連接，每個采樣盒負責對單排共5 個（或4個）蓄電池單體的電壓、內阻及溫度進行實時監測，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。主控器內置4G模塊，安裝4G卡后可以通過4G網絡無線連接至云端及手機APP，實時顯示蓄電池的各項健康參數，如有報警信息可實時推送至云端及手機APP。監測數據可存儲6個月，USB接口可以與計算機連接通信，讀取的數據自動保存在數據庫，用戶能夠設定條件進行查詢。

蓄電池智能在線監測系統裝置如圖1所示，系統架構如圖2所示。

2.2 主要設備模塊

（1）主控器。主控器是智能在線監測系統的核心部件，能夠測量電池組總電壓、電流，可通過通信電路實現主控器與采樣盒、PC機、云端之間的數據存儲和通信。

（2）采樣盒。采樣盒是在線監測系統的基礎數據采集部件，采樣盒在接收到主控器發出的測試命令后激活并啟動相應監測，主要包括對蓄電池在線工作單體電壓、溫度等參數的監測及采集，并通過RS485通信線纜將數據發送至主控器。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原理將被測電流轉換成按比例跟隨輸出的電流或電壓的測量模塊，可準確測量電池組的充放電電流，同時可通過蓄電池干線電流變化判定蓄電池的當前狀態，包括均充、浮充及放電狀態，以及用于計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，提供數字輸出信號，實現報警功能，用于檢測蓄電池箱內的氫氣濃度。

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

2.3 關鍵技術分析

2.3.1 啟停控制

通過電源控制開關控制系統的啟停，當設備檢修、蓄電池維護或長時間停用蓄電池及監測系統時，能夠方便、快速地停用全部監測設備。

2.3.2 車輛設備功能影響

蓄電池智能在線監測系統設計為獨立的一套系統，不介入車輛的供電網絡，對蓄電池組只監測不控制，避免對車輛運行造成影響。

2.3.3 功率損耗分析

蓄電池智能在線監測系統的主要耗電設備包括主控器、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，待機狀態功耗≤100μW可忽略不計，工作狀態耗電量為

0.5 W×24 h×1天/ 110 V = 1.11 Ah。考慮到蓄電池組自

放電，按照要求的20%/月計算，自放電量為160Ah×

20%×1天/ 30天 = 1.07 Ah。因此，1天內蓄電池的總耗

電量為1.31+1.11×10（10個采樣盒/蓄電池組） + 1.07 =

13.48Ah，約占蓄電池總容量的8.4%，在線監測系統不會影響正常車輛的激活運行，若車輛進行長時間斷電停放，則需停用全部監測設備，以避免蓄電池電量損耗。

3 在線監測系統應用

3.1 蓄電池組狀態監測

蓄電池智能在線監測系統對電池組電壓、充放電組電流、電池組剩余容量（SOC）進行檢測并生成記錄數據和實時狀態曲線，如圖3～圖5所示。其中，剩余容量（SOC）指電池當前實際可以放出的電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態的容量的比值，采用百分數表示。

3.2 蓄電池單體狀態監測

蓄電池智能在線監測系統對蓄電池單體溫度、電壓進行檢測，后臺可統計最大值、最小值和平均值并自動生成柱狀圖或表格進行全部顯示，如圖6、圖7所示。

3.3 故障告警

蓄電池智能在線監測系統除了能夠實現對蓄電池組和單體蓄電池參數的實時在線監測，還能夠實現電池組電壓上限、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、環境溫度上限、氫氣濃度上限的告警。用戶可通過手機APP 或網頁屏端實時查看蓄電池信息及告警推送，云端賬戶可以進行告警值修改和設置，如圖8所示。

4 蓄電池智能在線監測運維分析

通過蓄電池智能在線監測系統的實際加裝與應用，以及對比現有檢修維保模式，可見該系統在智能運維方面具有巨大潛力和優勢，是實現蓄電池維護從“計劃檢修”向“智能維修”過渡的重要技術手段，具有巨大經濟效益和廣闊發展前景。蓄電池智能在線監測運維與傳統運維對比分析如表1所示，表1表明蓄電池智能在線監測運維在數據采集、檢查項點、故障預警、爆炸氣體檢測、人工耗時、操作安全、數據存儲、數據管理等方面均優于傳統檢修運維。

5 結束語

蓄電池作為儲能裝置，是城軌車輛安全、平穩運行的基本條件之一，其維護運行狀態的好壞直接關系到車輛安全運營。蓄電池智能在線監測系統面向智能運維管理，通過檢測、數字信號處理、控制、通信等技術，實現了在線測量、記錄并存儲電池組在充電、放電和靜止階段的電壓/電流/時間/環境溫度和日期，以及超限告警，存儲的數據可以通過USB接口導出表格并生成曲線，便于分析蓄電池的車載充放電維護運行情況和性能狀態。蓄電池智能監測系統的應用對于及時掌握蓄電池的使用維護情況，判斷車載充電設備是否正常，避免蓄電池事故發生，提供了技術支持，對智能運維提供了技術保障。

參考文獻

[1]鄧文豪. 北京地鐵16號線蓄電池牽引方案分析[J]. 現代城市軌道交通，2016（6）：20-23.

[2]吳麗. 地鐵車輛新技術的發展與應用簡析[J]. 現代城市軌道交通，2017（4）：5-8，12.

[3]鄭耀. 廣州地鐵A型車鎳鎘堿性蓄電池的運用維護及應用現狀[J]. 機電工程技術，2017，46（4）：149-152.

[4]曾健宇，李福收，劉建勝，等. 電力蓄電池工程車牽引蓄電池全壽命周期維護保養策略研究[J]. 機電工程技術，2019，48（4）：190-192.

[5]劉丙林，朱佳，李翔宇. 城市軌道交通車輛智能運維系統探索與研究[J]. 現代城市軌道交通，2019（6）：16-21.

[6]楊振明，李坤，楊成濤，等. 蓄電池智能在線監控裝置的系統架構研究[J]. 電力設備管理，2019（8）：38-39.

[7]饒河平. 有軌電車蓄電池超溫報警分析與探討[J]. 電力機車與城軌車輛，2019，42（4）：72-73.

[8]鄒育鵬. 蓄電池在線監測系統的實踐應用和效果[J]. 通信電源技術，2019，36（12）：89-91.

[9]鄧虹輝，張彥華，王敏，等. 電動工程車牽引蓄電池的壽命分析及使用維護[J]. 技術與市場，2014，21（7）：36-38.

[10] 邵宗官，段嘉進，陳遠達，等. 淺談蓄電池智能在線維護系統[J]. 自動化應用，2019（1）：82-84.

[11]黃影，張引強，王偉，等. 蓄電池智能在線維護系統在電力通信系統中的應用[J]. 通信與信息技術，2016（5）：74-75.

[12] 侯大志，王良勇，熊定超. 蓄電池智能監測系統在軌道交通行業的應用研究[J]. 交通世界，2019（33）：150-153.

[13] 段平安，蔡濤，成明，等. UPS蓄電池監測系統在無人值守平臺的應用[J]. 油氣田地面工程，2019，38（11）：76-80.

[14] 苗俊杰. 智能型鉛酸蓄電池及其監測系統的經濟效益分析[J]. 電源技術，2016，40（7）：1390-1392.

[15] 唐志儂. 地鐵列車常用蓄電池技術經濟性分析及選型建議[J]. 現代城市軌道交通，2014（1）：56-62.

[16] 李明. 淺談UPS蓄電池在線監測系統的重要性[J]. 數字技術與應用，2018，6（1）：221-222.

[17] 李立偉，鄒積巖. 蓄電池在線監測系統的設計與實現[J]. 電工技術雜志，2002（11）;7-9.

[18] 鄧辛路. 閥控式密封鉛酸蓄電池在線監測技術應用與研究[D]. 廣東廣州：華南理工大學，2010.

[19] 劉東. 蓄電池在線監測系統的相關問題探討[J]. 電子世界，2012（16）：46-47.

[20] 紀哲夫. 一種基于資產生命周期的變電站蓄電池組運維策略研究[J]. 科技與創新，2015（7）：66-69.

收稿日期 2020-06-29

責任編輯 朱開明