蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

汪海天

摘要：蓄電池的性能和狀態(tài)對軌道交通行業(yè)日常運(yùn)營維護(hù)工作具有重要意義，開發(fā)一種蓄電池管理系統(tǒng)對蓄電池的性能和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，能夠減少人工成本，提高供電系統(tǒng)的可靠度，解決維護(hù)難題，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞 蓄電池;電池維護(hù);實(shí)時(shí)監(jiān)測

1背景及行業(yè)現(xiàn)狀

隨著軌道交通建設(shè)規(guī)模日益龐大，運(yùn)營壓力陡增，為了保證軌道交通正常運(yùn)營秩序，提升運(yùn)營服務(wù)水平，需要對相關(guān)設(shè)備的安全性和可靠性提出更加嚴(yán)格的要求。軌道交通的安全可靠性一直是在其發(fā)展過程中被重點(diǎn)關(guān)注的問題。其中，供電系統(tǒng)的安全性與可靠性對軌道交通的整體運(yùn)行發(fā)展具有重要的影響。閥控式鉛酸電池性能穩(wěn)定、自放電少、密封、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而被大量應(yīng)用。蓄電池作為軌道交通行業(yè)供電系統(tǒng)的重要組成部分，一旦故障影響突出，亟待建立更為有效的安全管理系統(tǒng)，對蓄電池進(jìn)行全面的監(jiān)測和管理，確保供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)即是在電池放電和充電狀態(tài)下測量電池電流及端電壓變化，自動(dòng)取得測試數(shù)據(jù)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)的一套設(shè)備。平時(shí)蓄電池組接在整流設(shè)備上進(jìn)行浮充（Floating Charge），保持在滿充狀態(tài)下，以備不時(shí)之需。蓄電池組自被安裝妥當(dāng)，完成初充電（Initial Charge）及放電試驗(yàn)再充電后，即被加入直流供電系統(tǒng)使用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域供電系統(tǒng)蓄電池有很大比例僅僅依賴定期的人工維護(hù)，或者僅僅配套簡單功能的BMS系統(tǒng)（電池管理系統(tǒng)）對蓄電池的一些基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行有限的監(jiān)測和記錄。極少有具備實(shí)時(shí)性能指標(biāo)監(jiān)測、關(guān)鍵安全指標(biāo)監(jiān)測、智能存儲(chǔ)、預(yù)警、跟蹤和處理的BMS安全管理系統(tǒng)。由于軌道交通領(lǐng)域的站點(diǎn)分散性，人工維護(hù)的成本非常高昂，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效果不理想，產(chǎn)生如下問題：

1）電池問題：電池內(nèi)短路、開路、熱失控、漏液、鼓包等，導(dǎo)致電池組備電失效，甚至發(fā)生火災(zāi)等重大安全事故。

2）BMS問題：故障率高、預(yù)警機(jī)制滯后、安全性能低，不但無法有效管理電池，甚至給運(yùn)維帶來更大的運(yùn)維壓力。

3）人工定期巡檢問題：定期進(jìn)行人工放電測試，并使用萬用表、便攜式內(nèi)阻儀、溫度儀定期對電池電壓、內(nèi)阻和溫度進(jìn)行測試，不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測電池狀態(tài)。

4）巡檢儀器問題：監(jiān)測電池基本性能參數(shù)，無法提供高級(jí)參數(shù)，也無法記錄數(shù)據(jù)。

由于廠商大力宣傳“免維護(hù)”電池和用戶維護(hù)麻痹，以及缺乏更為有效的管理手段等因素，導(dǎo)致在蓄電池的日常維護(hù)工作中，維護(hù)人員往往只能通過人工維護(hù)或通過安裝僅有基本參數(shù)監(jiān)測功能的BMS系統(tǒng)了解蓄電池的一些表象參數(shù)，而容易忽略和缺乏對蓄電池關(guān)鍵安全指標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)測和分析。特別是對惡劣使用環(huán)境下的蓄電池和使用年限較長的蓄電池尤為重要。

針對上述問題，本文對在線蓄電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究。

2 系統(tǒng)介紹

為了良好的管理蓄電池，需要對蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集和記錄蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，分析蓄電池當(dāng)前性能，最后對蓄電池的未來性能和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一定程度的預(yù)測，以達(dá)到提醒人員及時(shí)保養(yǎng)維護(hù)的目的。據(jù)此，本文搭建了一種蓄電池安全管理平臺(tái)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池安全管理平臺(tái)由前端智能傳感器、監(jiān)控主機(jī)、本地顯示和智慧平臺(tái)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示，由三個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層。

2.2主要功能

本蓄電池安全管理平臺(tái)，其具有精度高，高可靠，便于使用和可視化的特點(diǎn)，通過圖表化顯示，趨勢數(shù)據(jù)一目了然，具有以下五種預(yù)警和監(jiān)測功能：

1）蓄電池開路故障預(yù)警

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測蓄電池組總電壓、總電流、溫度、單體電壓、單體內(nèi)阻、單體溫度、SOC/SOH等性能參數(shù)，超限告警。智能提醒更換開路電池，防止電池內(nèi)部開路造成系統(tǒng)宕機(jī)。

2）蓄電池組熱失控智能預(yù)警

智能監(jiān)測電池組熱失控、漏液絕緣、電池開路、紋波等電池安全關(guān)鍵指標(biāo)，異常時(shí)及時(shí)預(yù)警。降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，防止電池?zé)崾Э卦斐傻碾姵匕l(fā)熱、鼓包乃至冒煙起火。

3）電池漏液接地監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)測

通過智能分析，能夠準(zhǔn)確定位電池漏液或電池組絕緣失效具體位置。

4）高精度SOC/ SOH檢測

采用高精度的傳感器，精確掌握當(dāng)前電池充放電性能和健康狀態(tài)。

5）AI智能大數(shù)據(jù)分析

采用智能算法整理數(shù)據(jù)和報(bào)表，輸出簡單直觀的分析結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)、車站級(jí)、線路級(jí)、城市級(jí)遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。

蓄電池預(yù)警儀軟件配合蓄電池狀態(tài)檢測及故障預(yù)警儀使用，能夠?qū)崿F(xiàn)包括：電池組的管理、參數(shù)設(shè)置、趨勢分析、通訊設(shè)定、時(shí)間校正等功能，用戶可以利用該軟件增加電池組，修改電池組屬性、修改報(bào)警參數(shù)、校正系統(tǒng)時(shí)間，提取當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)、提取歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以對所有檢測參量進(jìn)行時(shí)間段趨勢變化分析，生成曲線和圖標(biāo)，通過曲線可以直觀分析出檢測參量在磨時(shí)間段的變化過程，通過直方圖可以看出單體電池的不一致性等;生成的曲線和圖標(biāo)可以隨時(shí)打印。

檢測內(nèi)容：

1、電池組參數(shù)：組電壓、組電流、使用環(huán)境溫度

2、單電池參數(shù)：單體電池的電壓、單體電池殼溫

3、特殊參數(shù)：單體電池內(nèi)阻

除此之外，系統(tǒng)能夠智能分析、輸出合理性建議和報(bào)告，包括但不限于電池組健康狀態(tài)、可用壽命評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)警告以及放電合規(guī)性、充電合規(guī)性、故障處理及時(shí)性和不同品牌電池質(zhì)量評(píng)比報(bào)告。

3.系統(tǒng)應(yīng)用情況

本系統(tǒng)在南京地鐵軌道交通4號(hào)線線路機(jī)房進(jìn)行試應(yīng)用，應(yīng)用狀況良好。

以車站站臺(tái)門機(jī)房內(nèi)蓄電池組的內(nèi)阻分析為例，如圖2所示為根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)得出各組電池內(nèi)阻變化趨勢。根據(jù)該圖描述的情況，蓄電池組的內(nèi)阻一致性較差、阻值逐漸上升，系統(tǒng)建議適時(shí)更換老化電池組，防范風(fēng)險(xiǎn)。

與人工采集數(shù)據(jù)比較，采集數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)、避免人為采集造成偏差，采集的數(shù)據(jù)具有很高的分析價(jià)值。系統(tǒng)根據(jù)該組數(shù)據(jù)智能分析，提醒工作人員關(guān)注電池使用年限、分析電池健康狀態(tài)，給老舊電池的更換工作提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

4 結(jié)論及展望

采用蓄電池安全管理平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)化、信息化的管理方式，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池各種參數(shù)，在出現(xiàn)故障時(shí)，第一時(shí)間提醒相關(guān)人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理，減少人工，增加系統(tǒng)可靠性;另一方面，記錄各項(xiàng)電池歷史參數(shù)，歸納整理后，可在一定程度上預(yù)測電池未來運(yùn)行狀態(tài)，為更換舊電池，防范風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。使用網(wǎng)絡(luò)化管理模式，有助于提升軌道交通供電系統(tǒng)的安全效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

未來軌道交通行業(yè)的的機(jī)房維護(hù)工作將向電子化、信息化發(fā)展，向形成“動(dòng)環(huán)”系統(tǒng)發(fā)展?！皠?dòng)環(huán)”系統(tǒng)即是對分布在各機(jī)房的UPS、蓄電池、空調(diào)、配電柜等多種動(dòng)力設(shè)備及門禁、紅外、窗、溫濕度等機(jī)房環(huán)境的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、遙控，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷、記錄、分析等多種功能，實(shí)現(xiàn)對各機(jī)房的集中管理、集中維護(hù)工作的控制系統(tǒng)。

蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)作為其中的一個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)逐步發(fā)展，以滿足軌道交通行業(yè)的需要，保障電池安全運(yùn)行。希望在不久的將來，能夠?qū)⒈疚乃鱿到y(tǒng)深入開發(fā)，使其具備納入“動(dòng)環(huán)”系統(tǒng)的條件，為保障軌道交通行業(yè)的運(yùn)營環(huán)境做貢獻(xiàn)。

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