机车蓄电池故障分析及在线智能监测系统研究

程世军

摘 要：于機车而言，蓄电池是十分重要的组成部分之一，更是机车主断路器和受电弓正常运行的动力源。蓄电池亏电是机车运用过程中常见的故障种类，不仅会造成机车无法正常运行的情况，而且一定程度影响铁路运输秩序。本文结合当前阶段电力机车蓄电池的使用情况，对蓄电池故障中的亏电情况原因进行调查分析，并在此基础上对机车蓄电池在线智能监测系统进行提出，旨在降低机车蓄电池故障发生率，从而提升蓄电池使用寿命。

关键词：机车蓄电池；故障分析；在线智能监测系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.140

1 机车蓄电池亏电原因调查分析

（1）温度补偿欠缺。对于机车蓄电池而言其工作环境十分复杂，而温度环境等直接影响蓄电池电流和电压。机车蓄电池理想工作环境温度为25度，在此基础上蓄电池充电电流会随温度增加而增加，两者之间为正比例关系，温度每增加一度充电电流会提升20%左右。因此在蓄电池出厂时，产品说明书会明确标识依据环境温度变化，要适当补偿相应的充电电流，通常情况下3-5mv/℃为补偿系数。经调查发现当前阶段机车蓄电池工作中极少可以做到温度补偿，因此也就降低了蓄电池的使用寿命。

（2）新品蓄电池组未进行监测。通常情况下新购入或者大修新装的蓄电池组仅仅依据厂家说明进行简单的初级检验，不会再利用专业的检测设备进行全面检验，权威第三方验证更是不会执行。

（3）机车蓄电池维护保养手段不合理。大量调查数据得出，机车蓄电池现阶段保养和维护的项目仅仅是不良单节更换、单节电压测量和恒压充电。机车蓄电池检测手段缺乏，蓄电池保养更是没有制定科学的制度，因此导致机车蓄电池劣化情况提前。浅显片面的维修保养项目对蓄电池问题不能及时发现及时处理，最终造成蓄电池劣化情况不断加重，其使用寿命大幅度降低。

（4）浮充电压偏离正常范围值。经调查发现在机车蓄电池工作中电压漂移现象十分常见，导致蓄电池欠充或者是过充的情况。蓄电池过充极易引发蓄电池正极腐蚀加重、蓄电池负极硫酸化、蓄电池热失控及蓄电池失水等情况，对蓄电池使用性能造成严重损害；蓄电池欠充极易导致蓄电池荷电不足的情况，从而对其容量造成影响，长此以往蓄电池使用功能势必受到严重损害。

（5）蓄电池更换及报废制度不科学。调查现阶段机车蓄电池更换和报废情况发现，工作经验是机车蓄电池更换和报废的直接依据，在实际使用中经常发生蓄电池存在严重漏液、鼓包甚至无法充电等情况时才进行报废，而更换也是因蓄电池无法应对实际使用需求才进行，因此在使用过程中亏电现象极易发生。

2 在线智能监测系统研究构想

综合机车蓄电池当前阶段使用情况和使用特征的调查分析结果，并且与现阶段蓄电池智能芯片发展和信号处理技术进行有机结合，对在线智能监测系统进行深入研究。

（1）系统构成。本次研究的在线智能监测系统其构成可分为以下几个方面：电压、温度、内阻检测、主处理器、蓄电池监护、电流传感器等，此外IGBT保护动作控制模块、隔离电路、外围保护、连接电缆线也囊括其中。

1）系统主要构件选择。本系统主机处理器选用ARM-coreX3，不仅拥有数据掉电的保存功能而且其储存容量高达4M，可对计算监护模块所采集和传动的电池温度、电池电压及电流数据等进行实时接收，通过内设监测程序判断电池组和单节电压的工作状态。系统处理器具备自检功能，从而保障监测程序的正常运行。

2）测量、采集电路。第一，采集单体电压。将串联的单体电池分别在四个LTC6811-1芯片C0-C12电压采集输入端进行接入，并将一个5V稳定管在输入端口进行并联，对高电压的浪涌冲击进行有效抑制；第二，采集电流信号。蓄电池电流测量通过AHKC-EKA型霍尔电流传感器进行，5V为其副边电压，电压数据为输出值，利用TLC6811辅助ADC对输出电压进行输入，两个与所提供VCC成比例输出值产生，而其连接至GPIO引脚随其产生，电池组电池测量工作完成；第三，采集温度信号。蓄电池温度采集探头对负温度系数热敏电阻进行应用，因此温度信号转换为电压信号。将V引脚标称3V电压作为基准利用ADC进行测量，从而多个热敏电阻NTC被驱动，偏置所需电流由此提供。

3）IGBT控制模块。利用IGBT模块实现实时控制的目的，将IGBT通断技术作为依据，处理器接收并处理监护模块的相应数据，当蓄电池电量达到既定限值时IGBT会受到系统驱动，切除蓄电池供电回路的控制，从而保护蓄电池不会发生亏电情况。

4）信号发生、保护抗干扰电路。为了对系统稳定性进行提升，并预防和降低电压度芯片的冲击力，将5V稳压管并联在信号输入端；为将信号转换精度进行提高，系统对外部滤波器进行采用，利用电容和电阻低通去耦滤波电路形成，从而达到对高频噪声干扰抑制的目的。

（2）系统软件设计与功能实现。1）软件设计。该系统LTC6811命令代码发送的目的利用ARM-coreX3处理器经由SPI口达成。第一，读电压、电流、温度等自动测量系统启动；第二，将程序提前设置的门限值作为依据对蓄电池欠压、温度异常、内阻异常等情况进行自动判定；第三，对最近五百个采样周期范围内的蓄电池电流、电压、温度、内阻等监测数据，及最近期的一百个报警数据参数值进行自动储存；第四，自检和校验的完成，对本机自检、通讯自检和A/D测量自检进行执行。2）功能实现。第一，对单电池电流、电压、温度和内阻等参数进行在线实时监测，从而对蓄电池维护情况全面掌控；第二，将环境温度的检测结果作为依据决定充电电压及充电电流随环境温度变化的相应调整；第三，蓄电池各重要参数和报警信息的自动储存；第四，参数设计的运行便于数据的实时查询；第五，支持系统程序随科技发展而升级。

3 结束语

综合上述所言，于机车而言蓄电池是十分重要的组成部分之一，直接影响机车的正常运行。本文首先对机车蓄电池亏电原因进行了调查分析，结合当前阶段新技术和新的蓄电池监测理论对蓄电池在线监测系统方案进行提出，为机车蓄电池日后维修保养提出新的发展方向，旨在降低机车蓄电池故障的发生率，从而促进我国机车行业持续稳定的发展。

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