軌道車輛蓄電池在線監測系統

周達鑫

摘要：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、缺液、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，現多個新增的項目中要求加裝蓄電池在線監測系統。考慮到蓄電池箱安裝空間、布線難度，推薦采用分布式蓄電池在線監測系統。使用該方案可實現：方案簡單可靠、施工安裝難度小、測量精度高，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。

關鍵詞：軌道車輛;蓄電池;在線監測

1蓄電池在線監測系統簡介

軌道列車蓄電池在線監測系統在車輛管理中占有非常重要的地位。電池在線監測系統的主要功能包括電池狀態估算、故障預警及報警、數據采集存儲及通信;主要功能是通過監測整組電池的電壓、電流以及單體蓄電池電壓和溫度，實時估算電池的剩余容量;通過在線分析蓄電池數據實現對電池故障狀態實時警報和預測，提高電池系統的可靠性和電池壽命，例如監控系統過載或放電，以避免電池損壞;提前預測故障電池，避免由于單體蓄電池損壞而縮短電池的整體壽命;最后，蓄電池在線監測系統需要進行數據存儲和通信，大容量本地存儲設備保證流程數據存儲至少6個月，通過MVB或者TRDP與列車TCMS實時傳輸數據。由于集中電池管理系統的布線過于復雜，整個電池結構的要求過于苛刻，安裝和維護也不容易，本解決方案為分布式結構，以減少布線困難，提高系統的可維護性.

2電池管理系統拓撲及功能簡述

本方案提出一種分布式結構的電池在線監測系統，可降低布線難度，提高系統維護性，總體的方案拓撲如圖1所示，控制系統由主控盒及采樣盒組成，整個電池組由80節Ni-Cd電池組成，包含16個模塊單元（電池為每五節單體組成最小模塊單元），電池模塊示意如圖2所示;通過為每個模塊獨立配置采樣盒，每個采樣盒含有5個電壓采集通道，5個溫度采樣通道，可采集到每個模塊單元上的每一節電池單體電壓以及整個模塊的溫度信息;整個系統通過配置16個采樣盒，可采集到整組80節電池的電壓信息，80個模塊單元的溫度信息，所采集信息通過采樣盒之間級聯的通信線傳輸到主控盒。通過電流傳感器測量蓄電池組總電流。最終由主控盒完成整個系統的邏輯控制、數據分析、電池狀態估算、故障報警、數據存儲，并通過MVB、TRDP等進行在線通信，實現整個電池組的在線監測。

2.1電池組剩余電量估計

SOC 是電池的荷電狀態，用來反映電池的剩余容量。在一定溫度條件和充放電倍率下，由電池的剩余容量與電池的額定容量的比值來表示。

精確的估算電池剩余電量值是電池監測系統的基礎。但是在實際使用過程中時，某些因素會干擾 SOC 估算的精度，例如放電倍率、溫度、自放電、循環次數、模組電池一致性等。如果估算時不考慮這些因素，將會造成比較大的偏差。

列車上并沒有傳感器能直接測量電池的 SOC，因此必須通過估計的方法推導得出電池的 SOC。電池組監測系統通過精確測量電池組中每節電池的電壓、溫度和充放電電流，采用合適的算法對電池的 SOC 進行實時估計，以此判斷電池組的剩余電量，保證電動列車合理應用。

本系統采用擴展的安時積分法進行SOC估算，綜合采用特征電壓修正、內置電池模型自適應修正，充放電修正等算法，通過模型及安時積分法進行最優估算。

2.2通訊方式

主控制器可以通過MVB與整車控制通信，通過M12接口連接到以太網與車輛實現通信，同時該產品還擁有備用的CAN接口，可以滿足不同的通信方式。。獲取數據方式主要有以下3種方式：（1）MVB傳輸關鍵數據信息;（2）通過4G網絡傳輸至服務器歷史數據信息;（3）PTU維護數據信息，PTU維護軟件可通過以太網或者USB接口;

2.3數據存儲及超限預警功能

（1）本系統提供數據分析軟件供客戶使用，可在進行數據提取、分析，以曲線或者報個型式展示蓄電池組總電壓、總電流、箱體溫度、單體電壓、單體溫度、SOC等關鍵數據。

（2）通過告警詳情頁，可隨時調取系統故障、電池超限的詳細信息、提供告警產生時間、解除時間、告警詳情，形成報表。針對列車蓄電池實際運行工況，目前系統設置了總電壓過欠壓報警、充放電電流超限報警、SOC過低報警、溫度過高報警等告警信息，為蓄電池維護提供數據支持。

3簡單安裝說明

3.1采樣盒

整個電池組80節電池分別安裝在兩個電池小車中，每個電池小車上配備8個電池采樣盒，電池盒通過螺釘鎖在電池斗的側壁安裝孔上，即每個側壁安裝四個采樣盒，就近通過線束鎖接電壓及溫度采樣線，采樣盒之間通過通信線束串聯，兩個電池小車間的通信，通過使用帶屏蔽層的線纜穿越拖鏈，并使用連接頭對接，保證電池斗移動的靈活性，提高電池系統的可維護性。

3.2電流采集裝置

采用LTC200-SF/SP2型霍爾電流傳感器，接入主控器。

安裝方式：在電池箱體中間部位套裝在蓄電池主回路上，其工作電源從主控器取。

3.3溫度傳感器

將熱敏電阻灌封在OT端子頭上作為溫度傳感器，將溫度傳感器鎖在單體電池的銅排上，測量電池的溫度。

綜上，該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。

參考文獻

[1]張順，尹洪權，吉敏.城市軌道交通車輛蓄電池虧電故障分析及改善措施[J].城市軌道交通研究，2019，22（11）：105-107+112.

[2] 武國良. 電動汽車用鎳氫電池剩余電量估計方法研究[J].博士論文，哈爾濱工業大學