一種基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統及控制方法

施曉芳 牛希洋 丁賀敏

（1、中國中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031 2、蘭州石化公司檢維修中心，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

蓄電池是軌道交通車輛中重要的供電設備，主要用于車輛的喚醒及緊急工況下為車輛緊急負載供電。然而在車輛運營過程中，蓄電池存在多種問題，如漏液、鼓包、短路、壞死、容量不足、失效、爆炸等，為了便于監控蓄電池的工作狀態，避免車輛運營過程中出現不必要的故障，現多個已開通運營的項目中要求加裝蓄電池管理系統。考慮到已運營項目加裝改造整改工作量、整改周期、整改成本等因素，對于已經開通運營的項目，推薦采用基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統。使用該方案可實現：整改方案簡單、整改工作量小、整改周期短、整改成本低等目標，通過本方案可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，方便及時排除蓄電池相關故障，避免蓄電池相關故障發生。

2 方案介紹

2.1 有線式蓄電池管理系統方案介紹

常規項目執行過程中，蓄電池管理系統采用有線傳輸方案，即采樣盒與主控器之間、主控器與車輛TCMS 之間均采用有線傳輸方案。該方案執行過程中涉及現場底架大設備拆卸、安裝，現場線束的加工、制作、敷設等。并且蓄電池箱內敷設有大量線束，后期蓄電池做恢復性充電時，需要拆卸大量線束，不便于后期蓄電池的維護和保養，改造方案具體如圖1 所示。

圖1 有線式蓄電池管理系統安裝實物照片

2.2 無線式蓄電池管理系統方案介紹

本方案是對既有項目電池組組進行自動化檢測管理，對電池組和單體進行相關參數的檢測顯示和報警?？紤]到加裝改造方案的簡化性和可行性，為了簡化現場蓄電池管理系統的加裝改造、降低改造成本、縮短改造周期，現采用基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統，本方案包括：84 個無線采樣盒(采樣盒數量同蓄電池單體數量)、1 個主控器、1 個電流傳感器、1 個中間無線轉換模塊、2 個433 天線（SAM天線）、1 個4G（5G）天線、若干電纜、接線端子等組成。

采樣盒與主控器采用無線傳輸方案（從主控器到電池箱內的數據傳輸采用SMA 的延長線（無線433 天線），將全防水的天線安裝在蓄電池箱內，用SMA 延長線將無線天線與主控器進行連接），主控器與車載TCMS 采用無線傳輸方案（主控器能夠通過lora 無線傳輸方案將檢測數據傳輸給中間無線轉換模塊，中間無線轉換模塊安裝在客室電器柜內），再通過RS485 將無線轉換模塊中的檢測數據傳輸給車輛TCMS 系統。主控器上留有4G 接口(5G)，也可以通過4G(5G)模塊將數據傳送到地面服務器。為方便保存與查看。存儲的數據可以通過主控器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。加裝改造方案具體如圖2、3、4 所示。

圖2 無線433 天線安裝實物照片

圖3 無線式采樣盒安裝實物照片

在列車正常工作時，由主控器對總電壓、總電流進行測量，并估算蓄電池的剩余容量，同時發送指令啟動無線采樣盒對蓄電池單體電壓、溫度進行測量，主控器接收到各單體電壓后，對單體電壓相加處理形成蓄電池單箱1 和蓄電池單箱2 的組電壓，檢測數據通過Lora 無線傳給中間無線轉換模塊，中間無線轉換模塊再通過RS485 傳輸給車輛TCMS，最終實現相關數據的顯示和報警。（相關數據也可以通過無線4G 或者是5G 模塊將數據上傳至地面服務器，通過登錄賬號查看相關數據）。

2.2.1 無線式采樣盒數據采集及發送

84 個采樣盒與主控器之間通過無線方式通訊，單個采樣盒對單體電池電壓及單體電池溫度進行實時監測，無線采樣盒接收來自主控器的通訊指令啟動和傳輸單體電池數據。無線采集盒內部采用一顆芯片實現蓄電池在線監測功能，采樣盒具有無線傳輸功能，傳輸方式為無線433M射頻傳輸。

2.2.2 主控器數據采集及發送

圖4 主控器及無線4G 天線安裝實物照片

主控器為本系統的核心部件，負責提供電流傳感器的工作電源；負責與電流傳感器及與車輛的通訊；對采樣盒發出檢測命令，并儲存回傳的檢測數據（通過無線天線）；主控器具有測量電池組總電壓、總電流功能，并根據采樣盒采集的單體電壓計算兩個單箱的總電壓。主控器能夠通過lora 無線傳輸方案將檢測數據傳輸給中間無線轉換模塊，中間無線轉換模塊再通過RS485 將相關數據傳輸給車輛TCMS。主控器設有輸入電源開關，用于電源的控制。并具備維護USB 接口，實現與上位機的數據交互。

2.2.3 系統原理框圖

加強部隊官兵實戰意識的培養，熟練掌握現代化指揮手段。改善培訓設施，優化培訓內容，豐富培訓手段，提高對維和人員的培訓能力。在培訓中注重實戰模擬和訓練，強化作戰運用實踐，熟練掌握現代化作戰方式。增強快速軍事部署能力，提高應對多種安全威脅、遂行多樣化軍事任務的響應能力。

本系統集檢測技術、數字信號處理技術、計算機控制技術、通訊技術于一體；可以實時在線測量、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，具有超限告警功能。

蓄電池管理系統中主控器、電流傳感器、4G 天線安裝于車下新增設備箱中，采樣盒及433 天線安裝在蓄電池箱內，中間無線轉換模塊安裝在車上電器柜內。基于無線傳輸方案的蓄電池管理系統原理框圖及功能框圖如圖5 所示。

圖5 蓄電池管理體系功能框圖

2.2.4 容量（SOC）計算及修正

SOC 為電池當前實際可以放出的電量，單位是容量的百分比。SOC 與蓄電池電壓、電流、溫度等參數都有很大關系，本方案中采用安時積分法對SOC 進行計算，將電池在不同電流下的放電電量累計起來作為電池的放電量，計算公式如下：

其中SOC0 為SOC 初值；CN 為電池額定容量；K 為溫度、電流、老化程度等的校正參數；η 為充放電效率；I 為電流值。

通過電流和時間的積分，將箱體溫度換算成補償系數引入SOC 的估算，同時比對該蓄電池組的放電曲線，進行修正計算，得出剩余容量值。

3 技術經濟性比較分析

（1）不需要拆卸底架大型吊掛設備（輔助逆變器、空氣壓縮機、蓄電池箱、低壓配電箱等）；

圖6 電壓、電流、容量修正曲線

（2）不需要拆卸底架線槽安裝蓋板；

（3）底架線槽內不需要增加線束；

（4）不需要增加從蓄電池管理系統主控器到車輛TCMS 主機的線束，避免引上線方案的整改；

（5）減少加裝改造工作量；

（6）減少硬線線束，提高系統的美觀性；

（7）縮短加裝改造周期；

（8）降低加裝改造費用。

通過本方案，可以實現在基本不影響既有車輛的運營情況，以較短的時間、較為簡單的方案、較低的成本完成既有項目的蓄電池管理系統的加裝改造方案。

4 結論

該方案的實施為已開通運營的項目中的蓄電池加裝改造方案提供了一個比較好的解決思路和辦法，為后續類似項目提供了參考和平臺，并且該方案通用性比較高，操作簡單、省時，方案的可行性高，成本低，具有廣泛的應用前景，并且會給公司帶來相應的經濟效益和社會效益，并且具有廣泛的應用前景。