面向智能运维的城轨车辆蓄电池在线监测系统

马乾 刘丙林 姜云海

摘 要：碱性蓄电池广泛应用于城市轨道交通车辆供电系统。伴随着蓄电池在牵引等高频、大功率放电工况下的应用，对于蓄电池的安全工作提出更高的要求。文章针对蓄电池传统检修方式中存在的问题，结合智能运维的发展趋势，研发车辆蓄电池在线实时监测系统，系统应用效果良好，可为蓄电池智能运维提供技术保障。

关键词：城市轨道交通;智能运维;蓄电池;在线监测系统

中图分类号：U231

1 研究背景

蓄电池广泛应用于城市轨道交通（以下简称“城轨”）车辆供电系统，为列车提供稳定低压电源和应急供电。蓄电池频繁、大功率充放电的工作特点对于蓄电池的检修维护提出了更高的要求，目前，蓄电池检修主要采用计划修为主，故障修为辅的相对保守维保模式，该模式存在如下问题：①受蓄电池箱体车下布置和修程设置情况限制，蓄电池状态深度检查周期在1年及以上;②不具备长期、系统性积累蓄电池运行数据的条件，缺乏实时准确掌握蓄电池工作状态的手段;③部分地铁线路前期曾出现蓄电池渗漏、爆炸等情况;④高铁列车同样出现过蓄电池工作超温导致的火灾情况，而传统维护手段无法预知高频率使用状态下蓄电池工作过程安全状态;⑤国内电力行业部分酸性蓄电池已加装蓄电池监测设备，实现了蓄电池基础参数的测量，但是城轨车辆碱性蓄电池在線检测尚无应用案例;⑥城轨车辆传统的蓄电池检修工作存在劳动强度大、作业周期长的特点;⑦电池组漏检及触电等潜在安全隐患;⑧电池检测工作还处于人工操作阶段，受设备限制，所测参数不全面，数据采集间隔较长，缺少蓄电池使用工况下的状态检查和实时性数据，无法对蓄电池的真实使用状态开展分析研究，尤其是对于车辆碱性蓄电池的工作特性、氢气浓度监测等重点内容尚无有效手段。为此，亟需研发车辆蓄电池在线监测系统，实现蓄电池的智能在线实时监测及智能检修。

2 蓄电池智能在线监测技术总体方案

2.1 系统架构

蓄电池智能在线监测系统包括主控器、采样盒、电流传感器、氢气传感器、空气开关、声光报警装置和线缆等。列车正常工作时，由主控器发送测量启动指令启动采样盒对单体蓄电池和蓄电池组的电压、电流和温度进行测量，估算蓄电池的剩余容量;氢气传感器采集箱体内氢气浓度并发送至主控器，主控器将采样盒和氢气传感器的采集数据进行存储并对电池组健康状态进行告警及预判提示，最后通过4G网络同步将数据发送至PC端或云端APP。

蓄电池智能在线监测系统中，主控器与采样盒之间通过RS485通信线缆相连接，每个采样盒负责对单排共5 个（或4个）蓄电池单体的电压、内阻及温度进行实时监测，采样盒安装于电池箱的框架上，采样盒与采样盒之间通过通信线缆接入RS485总线。主控器内置4G模块，安装4G卡后可以通过4G网络无线连接至云端及手机APP，实时显示蓄电池的各项健康参数，如有报警信息可实时推送至云端及手机APP。监测数据可存储6个月，USB接口可以与计算机连接通信，读取的数据自动保存在数据库，用户能够设定条件进行查询。

蓄电池智能在线监测系统装置如图1所示，系统架构如图2所示。

2.2 主要设备模块

（1）主控器。主控器是智能在线监测系统的核心部件，能够测量电池组总电压、电流，可通过通信电路实现主控器与采样盒、PC机、云端之间的数据存储和通信。

（2）采样盒。采样盒是在线监测系统的基础数据采集部件，采样盒在接收到主控器发出的测试命令后激活并启动相应监测，主要包括对蓄电池在线工作单体电压、温度等参数的监测及采集，并通过RS485通信线缆将数据发送至主控器。采样盒与采样盒之间通过RS485通信线缆连接。

（3）电流传感器。电流传感器是利用霍尔闭环原理将被测电流转换成按比例跟随输出的电流或电压的测量模块，可准确测量电池组的充放电电流，同时可通过蓄电池干线电流变化判定蓄电池的当前状态，包括均充、浮充及放电状态，以及用于计算蓄电池组的剩余容量。

（4）氢气传感器。氢气传感器模组是采用催化燃烧原理，提供数字输出信号，实现报警功能，用于检测蓄电池箱内的氢气浓度。

（5）声光报警装置。声光报警装置通过AC 220 V 电源插座输入和外网网线输入，并通过云端接收装置接受信息，包括蓄电池出现故障报警、声光报警器报警信息。

2.3 关键技术分析

2.3.1 启停控制

通过电源控制开关控制系统的启停，当设备检修、蓄电池维护或长时间停用蓄电池及监测系统时，能够方便、快速地停用全部监测设备。

2.3.2 车辆设备功能影响

蓄电池智能在线监测系统设计为独立的一套系统，不介入车辆的供电网络，对蓄电池组只监测不控制，避免对车辆运行造成影响。

2.3.3 功率损耗分析

蓄电池智能在线监测系统的主要耗电设备包括主控器、采样盒、电流传感器、氢气传感器4部分，其中，电流传感器和氢气传感器由主控器供电，主控器由蓄电池组供电，每个采样盒由所采集的蓄电池供电。

主控器平均功率为6W，每天耗电量为6W×24h×

1天/110V = 1.31Ah。采样盒平均功率为0.5W，待机状态功耗≤100μW可忽略不计，工作状态耗电量为

0.5 W×24 h×1天/ 110 V = 1.11 Ah。考虑到蓄电池组自

放电，按照要求的20%/月计算，自放电量为160Ah×

20%×1天/ 30天 = 1.07 Ah。因此，1天内蓄电池的总耗

电量为1.31+1.11×10（10个采样盒/蓄电池组） + 1.07 =

13.48Ah，约占蓄电池总容量的8.4%，在线监测系统不会影响正常车辆的激活运行，若车辆进行长时间断电停放，则需停用全部监测设备，以避免蓄电池电量损耗。

3 在线监测系统应用

3.1 蓄电池组状态监测

蓄电池智能在线监测系统对电池组电压、充放电组电流、电池组剩余容量（SOC）进行检测并生成记录数据和实时状态曲线，如图3～图5所示。其中，剩余容量（SOC）指电池当前实际可以放出的电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，采用百分数表示。

3.2 蓄电池单体状态监测

蓄电池智能在线监测系统对蓄电池单体温度、电压进行检测，后台可统计最大值、最小值和平均值并自动生成柱状图或表格进行全部显示，如图6、图7所示。

3.3 故障告警

蓄电池智能在线监测系统除了能够实现对蓄电池组和单体蓄电池参数的实时在线监测，还能够实现电池组电压上限、电池组电压下限、充电电流上限、放电电流下限、单体电压上限、单体电压下限、单体温度上限、电池组剩余容量下限、环境温度上限、氢气浓度上限的告警。用户可通过手机APP 或网页屏端实时查看蓄电池信息及告警推送，云端账户可以进行告警值修改和设置，如图8所示。

4 蓄电池智能在线监测运维分析

通过蓄电池智能在线监测系统的实际加装与应用，以及对比现有檢修维保模式，可见该系统在智能运维方面具有巨大潜力和优势，是实现蓄电池维护从“计划检修”向“智能维修”过渡的重要技术手段，具有巨大经济效益和广阔发展前景。蓄电池智能在线监测运维与传统运维对比分析如表1所示，表1表明蓄电池智能在线监测运维在数据采集、检查项点、故障预警、爆炸气体检测、人工耗时、操作安全、数据存储、数据管理等方面均优于传统检修运维。

5 结束语

蓄电池作为储能装置，是城轨车辆安全、平稳运行的基本条件之一，其维护运行状态的好坏直接关系到车辆安全运营。蓄电池智能在线监测系统面向智能运维管理，通过检测、数字信号处理、控制、通信等技术，实现了在线测量、记录并存储电池组在充电、放电和静止阶段的电压/电流/时间/环境温度和日期，以及超限告警，存储的数据可以通过USB接口导出表格并生成曲线，便于分析蓄电池的车载充放电维护运行情况和性能状态。蓄电池智能监测系统的应用对于及时掌握蓄电池的使用维护情况，判断车载充电设备是否正常，避免蓄电池事故发生，提供了技术支持，对智能运维提供了技术保障。

参考文献

[1]邓文豪. 北京地铁16号线蓄电池牵引方案分析[J]. 现代城市轨道交通，2016（6）：20-23.

[2]吴丽. 地铁车辆新技术的发展与应用简析[J]. 现代城市轨道交通，2017（4）：5-8，12.

[3]郑耀. 广州地铁A型车镍镉碱性蓄电池的运用维护及应用现状[J]. 机电工程技术，2017，46（4）：149-152.

[4]曾健宇，李福收，刘建胜，等. 电力蓄电池工程车牵引蓄电池全寿命周期维护保养策略研究[J]. 机电工程技术，2019，48（4）：190-192.

[5]刘丙林，朱佳，李翔宇. 城市轨道交通车辆智能运维系统探索与研究[J]. 现代城市轨道交通，2019（6）：16-21.

[6]杨振明，李坤，杨成涛，等. 蓄电池智能在线监控装置的系统架构研究[J]. 电力设备管理，2019（8）：38-39.

[7]饶河平. 有轨电车蓄电池超温报警分析与探讨[J]. 电力机车与城轨车辆，2019，42（4）：72-73.

[8]邹育鹏. 蓄电池在线监测系统的实践应用和效果[J]. 通信电源技术，2019，36（12）：89-91.

[9]邓虹辉，张彦华，王敏，等. 电动工程车牵引蓄电池的寿命分析及使用维护[J]. 技术与市场，2014，21（7）：36-38.

[10] 邵宗官，段嘉进，陈远达，等. 浅谈蓄电池智能在线维护系统[J]. 自动化应用，2019（1）：82-84.

[11]黄影，张引强，王伟，等. 蓄电池智能在线维护系统在电力通信系统中的应用[J]. 通信与信息技术，2016（5）：74-75.

[12] 侯大志，王良勇，熊定超. 蓄电池智能监测系统在轨道交通行业的应用研究[J]. 交通世界，2019（33）：150-153.

[13] 段平安，蔡涛，成明，等. UPS蓄电池监测系统在无人值守平台的应用[J]. 油气田地面工程，2019，38（11）：76-80.

[14] 苗俊杰. 智能型铅酸蓄电池及其监测系统的经济效益分析[J]. 电源技术，2016，40（7）：1390-1392.

[15] 唐志侬. 地铁列车常用蓄电池技术经济性分析及选型建议[J]. 现代城市轨道交通，2014（1）：56-62.

[16] 李明. 浅谈UPS蓄电池在线监测系统的重要性[J]. 数字技术与应用，2018，6（1）：221-222.

[17] 李立伟，邹积岩. 蓄电池在线监测系统的设计与实现[J]. 电工技术杂志，2002（11）;7-9.

[18] 邓辛路. 阀控式密封铅酸蓄电池在线监测技术应用与研究[D]. 广东广州：华南理工大学，2010.

[19] 刘东. 蓄电池在线监测系统的相关问题探讨[J]. 电子世界，2012（16）：46-47.

[20] 纪哲夫. 一种基于资产生命周期的变电站蓄电池组运维策略研究[J]. 科技与创新，2015（7）：66-69.

收稿日期 2020-06-29

责任编辑 朱开明