川藏鐵路成雅段蓄電池在線監測、維護技術研究

林霖

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055）

1 引言

蓄電池是鐵路通信系統重要的電源設備，在完全失去外供電源的情況下，由蓄電池組承擔全部系統的用電負荷，成為行車安全及運營的最后保障。因此，就鐵路運營安全而言，蓄電池可靠性非常重要。一般情況下，各通信機房內使用的是開關電源和UPS（不間斷電源）。蓄電池組在正常情況下進行熱備，由開關電源對其浮充電。因此，使用蓄電池的機會少之又少。現階段的維護方式為人工定期巡檢，但難以發現故障蓄電池；由于安裝空間的限制，人工排查十分不便；即使發現了某一節故障電池，也無法立即修復，且當其拖垮整組電池時，被迫更換整組電池，耗費大量成本；由于川藏鐵路環境的特性，沿線區間基站、中繼站等位于偏遠地區的蓄電池組人工維護起來更加不便。因此，需要對其進行在線監測與維護，提供新的解決思路。

2 蓄電池組在線監測內容及方法

2.1 在線監測內容

對蓄電池組中每塊單體電池電壓、內阻、容量、電動勢；對電池組組容量、內阻、電壓、不均衡度、環境溫度、充（放）電電流等各項數據的采集。實現在線自動監測每節電池各個參數，實時存儲數據[1]。

2.2 蓄電池容量與內阻的關系及監測方法

隨著使用時間的增長蓄電池極板會出現硫化，另外極板活性物質脫落而導致電池容量下降，當電池容量下降到一定程度時（約75%），蓄電池性能開始快速下降，從而使電池組容量迅速下降，放電時長迅速枯竭，這時電池組已存在安全事故隱患，如何掌握蓄電池組容量成為維護人員面臨的難題。

蓄電池充放電學反應方程為：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，蓄電池放電能力根據不同的溫度和負載而有所不同[1]。隨著蓄電池不斷充電，內部電解質逐漸增多，導致內阻逐漸減小，反之逐漸增大。因此，可以通過測量蓄電池內阻間接獲取蓄電池容量的大小。

其次，蓄電池和電池組在運行過程中，蓄電池組是將每個單體電池進行串聯，某一個單體電池因老化內阻逐漸變大，容量逐漸變小時，會導致充電時各單體的充電電壓根據內阻不同而不同，這樣易造成單個電池的欠充或過充現象，使蓄電池組使用壽命降低。

再次，目前鐵路利用環境監控數據采集模塊監測蓄電池組單節電池的電壓、電流及溫度。但現在電源及環監設備、蓄電池廠家眾多，產品間接口無法統一，目前鐵路僅要求將蓄電池組電壓、電流、溫度進行監測。無法了解電池充放電能力，需要鐵路運營人員定期進行人工充放電測試，測試過程煩冗復雜且時間間隔較長，無法有效預防蓄電池失效，引起供電隱患。

1）定期維護周期較為固定，一般間隔不少于3 個月，期間單體電池失效無法發現；

2）充、放電時間較長，維護時蓄電池為各系統供電無法保障；

3）維護前需通知、協調相關部門，需耗費大量的資源[2]。

最終，相對于傳統維護方式，監測蓄電池各單體電池內阻對系統產生的影響比較小，并可以在蓄電池使用的過程中測量，適合川藏鐵路的特點，減少人力維護的工作。

2.3 蓄電池內阻監測原理

總體上，電池開路電壓V0，當以電流I放電時其端電位V，根據r=（V0-V）/I計算得出。然而蓄電池內阻會跟隨工作狀態和環境而改變，其內阻r包含這復雜而變化的成分。理論公式指出，電池在充電和放電其端電壓V為：

從式（1）可以看出，蓄電池內阻主要包括了歐姆內阻RΩ、濃差極化內阻和活化極化內阻其中，歐姆內阻包括了蓄電池內部的全部零件的電阻，雖然隨著蓄電池使用會引起RΩ變化，但是在測量過程中認為內阻不變；濃差極化內阻是因為蓄電池內離子濃度跟隨反應增加或減少導致離子濃度變化，使得濃差極化內阻隨之變化；極化內阻是電化學反應引起蓄電池正、負極極化引起的內阻。

直流放電內阻測量法：根據圖1 內阻測試電路原理，當有階躍電流i（t→0）流過時，可以得出在不同電流Ia、Ib下的電壓變Ua、Ub來計算內阻值，由E-IaR=Ua、E-IbR=Ub得：

測量時，首先讓電池正常工作測得Ia、Ua，蓄電池通過一個瞬時階躍直流電Ib，測量此時電池正負極之間的電壓Ub，并根據公式得出當前的電池內阻。

圖1 內阻測量方法

交流放電內阻測量法：交流方法相對直流法要簡單。在電池正、負兩極加上交流電壓，U=Umaxsinωt，測得產生的交流電流i=Imaxsin（ωt+φ），即阻抗是與頻率有關的復阻抗，其相角為φ，而其模r=|Z|=Umax/Imax。

2.4 直流法測內阻優勢

1）交流測內阻由于饋進電壓Umax幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐級。因此，產生的電壓變化ΔU=Ub-Ua幅值也在微伏級，測量過程容易受干擾而引起誤差，對信號要求較高。相反直流測量受干擾度較小，經過多組多次測量，理論上精度誤差可以控制在10%以內。

2）直流測試法誤差會隨者電流曾大提而減小，測試時電壓2 次讀數精確，數據樣本變化小。

3）測試電流大，不對系統產生任附屬信號，將流經電池的交流信號忽略掉，也不受充電回路波紋電壓的影響，能有效地測量直流參數。因此，瞬間直流放電法可屏蔽高噪聲環境影響（如高頻充電機）對電池進行在線測試。

4）數據可比性強，可以保證整組所有電池數據在同一狀態（充電、溫度、負載、容量等）下測得，數據具有良好對比性，確保各功能都能有效地結合起來并統一進行同步點對點測量，消除了異步測量造成的不可比性。

2.5 后臺蓄電池性能分析功能

監測系統由主站層、匯聚層、采集層組成。主站層設置在成都調度所，由服務器、PC 機、網絡設備和主站軟件組成。匯聚層設置于成都西，蓄電池監控管理機和通信網絡組成，是數據的集中和轉發中心，蓄電池監控管理機匯聚在線均衡裝置數據。

采集層設置于信號樓、區間基站、信號中繼站等通信機房，實現對鐵路全線通信節點-48V 開關電源設備中蓄電池內阻、電壓、容量、電流、均衡度、溫度，每節電池內阻、電壓、容量等數據采集上傳，通過上述方法分析電池狀態，提供滿足維護需求的各種電池容量信息和數據圖表等，通過內部局域網顯示在各維護機構設置網管或復示終端上[3]。

3 蓄電池組在線均衡方法

3.1 在線均衡原理

成都至雅安段鐵路共12 個通信機械室內高頻開關電源蓄電池組新設通信在線均衡系統采集層設備。電池的荷電狀態參數為均衡對象，當單節電池工作與其他單節電池工作參數存在差異時，在線均衡系統可自動對單節電池進行均衡調壓充電，使單節蓄電池的電壓、內阻、容量等狀態保持一致，從根本上解決單節電池過壓、欠壓充電現象，提高整體蓄電池工作質量，防止因蓄電池過壓、欠壓充電而導致蓄電池組迅速衰竭。

3.2 實驗結果分析

通過比較2 組蓄電池中單節電壓可以得出結論，在均衡后各單節電池電壓趨向一致，減少了單節電池之間的差異，整體性能得以提高。

4 蓄電池組在線活化方法

4.1 在線活化原理

以往的經驗和研究表明：正常使用蓄電池不能阻止極板硫化和延長蓄電池充放電循環壽命，但各種脈沖充放、電具有延長使用壽命效果。通過測量每節蓄電池的內阻，并比較它們之間的差異，將內阻超過平均值的單節電池在線活化。

1）大電流充電法：采用大電流充電能使大的硫酸鉛結晶體電解和活化，預防和削弱極板硫化現象，減少硫酸鉛晶體產生的額外電阻。但這種方法會電池在充電過程中升溫，帶來嚴重失水和破壞極板活性物質，縮短電池使用壽命。

2）高頻脈沖充電法：采用高頻脈沖電留使得內部充分提供電化學反應時間，使其能正常參與充、放電化學反應，據測修復效率高，較大電流充電法效果好，且技術簡單，目前使用較多。缺點是脈沖時間長，去硫化較效果不佳。

3）正負脈沖充電法：采用正負脈沖電流使電池在充電過程中短暫放電，將硫酸鹽粗結晶重新轉化為細結晶體，且可使用更大電流，目前使用較多。缺點是工作效率低，充放電時間較長。

本次采用正負脈沖充電技術，利用數字脈沖電源模塊，根據電池硫化情況選擇不同的脈沖類型（幅值、頻率、占空比等），對性能落后的單節電池進行循環充（放）電，對電池極板的硫酸鉛晶體進行激活，防止蓄電池因長期浮充而導致的極板硫化，消除電池組局部電池過、欠充，確保蓄電池狀態并延長使用壽命。

4.2 活化效率

活化前采用10h 放電獲得的實際容量為活化前容量，經過一定活化時間后，采用10h 放電獲得的實際容量為活化后容量；活化效率按下式計算：

活化效率=（活化后容量-活化前容量）/

活化效率如表1 所示。

表1 活化效率

4.3 在線活化效果測試

蓄電池極板上覆蓋了厚重的硫酸鹽結晶，活化系統消除了硫酸鹽結晶，保障活性物質能再次與電解液接觸進行電化學反應。

5 結語

蓄電池的檢測與維護關系到鐵路的行車安全，以往傳統的人工維護方式已不足以支撐川藏鐵路“無人化”的運營需要。科學控制的蓄電池充電，并采用活化技術修復性能落后的單體蓄電池，延長電池組使用壽命。通過近年來我國對蓄電池在線檢測技術上的探索，已取得初步成就。尤其是在川藏鐵路成都至雅安段開通初期的試驗成功，相信將來該技術必將得到更多的應用和發展。