一種電動列車蓄電池充放電實時監測技術與系統

解嵩博

（同濟大學，上海　200092）

一種電動列車蓄電池充放電實時監測技術與系統

解嵩博

（同濟大學，上海200092）

本文主要介紹了目前軌道交通列車車載蓄電池的特性，如何提高其在列車運營時的可靠性及安全性，如何提高對其進行維護時的檢修質量及檢修效率。文中提到了對車載蓄電池充放電過程中的困難及問題——工作強度大、工作效率低、工作環境差。創新性的提出設計一套蓄電池充放電實時監控系統，監控蓄電池充放電過程中所必須要監控的數據，并能對其中存在問題的數據進行刪選，提醒檢修人員及時找到有故障隱患的蓄電池。解決了困擾蓄電池充放電工作的主要問題，提高了蓄電池的運營質量，保證了列車在行駛過程中的運營安全。

車載蓄電池實時監控工作效率運營質量運營安全

1　背景

軌道交通電動列車車載蓄電池主要所采用的是堿性電池，在列車運營過程中，蓄電池始終處于浮充電過程中，完整的充放電過程在列車運營過程中基本不會出現。因此，列車運營一段時間以后，蓄電池的充放電性能會下降，影響到蓄電池在列車運營過程中的使用效果，極易引起列車因虧電而迫停，引起救援；更有甚者，當列車遇到觸網失電或者其他異常情況，需要長時間使用車載蓄電池時，其工作時間往往無法滿足供給車載應急設備（應急照明、應急通風）45分鐘的必須要求（上海地鐵11號線技術招標要求，7.4.1蓄電池的容量必須保證列車的緊急負載工作45分鐘），情況嚴重的，會引起蓄電池自燃、自爆等，可能會引起人員傷亡。

圖1　蓄電池充放電檢測設備接線原理圖

所以，如何保質保量的完成對車載蓄電池的維護保養，是一個值得研究的技術問題。根據各個電動列車車載蓄電池維護手冊：

（1）在對蓄電池進行充放電過程中，為確保車輛的充電系統在規定的電壓和電流限制內運行需要進行如下工作：1）安裝一塊鉗式電流表；2） 將一塊電壓表連接到電池端子上測量電池電壓；3）以上數據需要在充放電過程中定時測量；（上海地鐵1 1號線維修手冊MMWM0302_蓄電池，5.4.2.4）。

（2）為進行容量測試，將電池與充放電逆變器連接，然后按如下方式：1）用28A的電流放電直至蓄電池電壓為1.00V/單體；2）中斷至少12小時（冷卻階段）；3）用28A直流電給蓄電池充電7.5小時；4）中斷至少2小時；5）蓄電池用28A電流放電至1.00V/單體；6）分別讀取并記錄容量試驗第5步后，3.5小時、4小時、4.5小時甚至5小時之后的各個蓄電池的電壓。（上海地鐵9號線車輛維護保養、檢修及大修手冊第3.37卷蓄電池，2.3節）。

圖2　改進前后工時對比

根據以上維修手冊的要求，為確保充放電設備在規定的電壓和電流限制內運行，保證對蓄電池充放電的質量，檢修人員在蓄電池充放電過程中需要每隔一段時間對所有的蓄電池電壓電流進行測量并記錄，而對完成一組蓄電池的充放電作業需要30個小時，可以說工作強度非常大。并且，在在測量蓄電池充、放電期間，工作人員在使用設備測量時，需要將表棒接觸電平液，容易造成腐蝕；而且，長時間重復測量，容易造成接觸誤差、視覺誤差、疲勞誤差等多種累積誤差；此外，在蓄電池充、放電過程中，由于電解液的電解作用，電離子游動造成電解液產生“沸騰”現象，有毒氣霧不斷從補液口冒出，吸入人體后，容易造成工作人員的身體危害。

如何減輕軌道交通電動列車蓄電池充、放電工作的勞動強度，提高工作效率及質量，減少有毒有害氣體對人體的傷害，是擺在我們面前的迫切任務。為提高蓄電池充、放電各項工藝的質量，減少有毒有害氣體對人體的傷害，同時減輕工作人員的勞動強度，提高工作效率，有必要開發并設計一種通用的電動列車蓄電池充放電實時監測技術與系統。

2　技術方案

在國內地鐵行業中，使用自動化設備對列車蓄電池充、放電電壓的測量無實時監測的先例。我們設想通過設置有反饋信號的儀表，采樣蓄電池充放電過程中的電壓、電流信號，信號實時傳輸到兩個地方，實時顯示屏幕以及實時監測主機，可以做到依靠人員或電腦實時監測每節電池的電壓、電流數據變化。在實時監測過程中，實時監測系統的主機能夠將實時數據與工作人員預先設置進系統的標準數據進行對比，一旦某節電池數據出現異常時，通過數據對比能夠及時判斷出來，并且通過蜂鳴器及時報警，并提醒工作人員異常蓄電池的位置，方便工作人員采取相關操作措施，分離有問題的電池，以達到對蓄電池的維護，提高蓄電池使用效率的目的。在設計方案時，為避免某節蓄電池、電壓表發生故障時損壞其他設備，可通過每條線路中的保險絲和限流電阻的保護，以達到其它線路能夠正常工作。

圖1為部分接線原理圖。

在確立制造方案時，必須根據現場使用的實際情況“量身定做”，在選材時充分考慮蓄電池自身組成的特殊性。由于蓄電池自身的堿性具有腐蝕的特性，系統必須采用專用的夾具、耐酸堿導線等，保證設備在使用過程中不會因腐蝕而發生異常。

同時，為確保設備在實際應用中達到蓄電池充放電要求，因此在制作完線路圖后，使用電子工作平臺EWB進行模擬仿真測試，對各種可能發生的工作故障及意外情況均作了試驗，在各項測試指標均達到設計要求后，再執行于實際制造。

3　系統設計

在線檢測系統主要功能是對鎳鎘蓄電池組中每一個蓄電池的端電壓進行巡檢，其工作方式分為實時監測和定時監測兩類，定時監測的時間間隔由用戶根據實際需要設定，用戶可隨時切換實時與定時監測兩種工作模式，通過監視器顯示電壓、內阻曲線實現對單個及整體蓄電池的監測操作。可完成曲線顯示，圖表打印， 圖形保存，歷史數據回放多種管理功能，設置越限報警電壓如有異常情況立即發出報警信號。

它的技術難點如下：（1）每只單體電池檢測模塊內部均設計了輸入過流保護，即使模塊內部電壓短路也不會損壞被測蓄電池組。（2）如何提高抗干擾性能，確保工作穩定可靠。（3）為了不影響蓄電池組的正常使用，采用低功耗設計。（4）通過放電過程，發現性能不符合要求的單節蓄電池。（5）通過軟件計算電池容量。（6）對電池組進行實際容量測試的目的在于能夠準確掌握電池組的實際放電能力，根據國家有關電源維護規程以及蓄電池維護效果要求，電池組荷電容量達不到80%便應整組淘汰。

圖3　使用萬用表測量蓄電池；使用蓄電池充放電實時監測設備

4　應用示范及效果

以上海地鐵11號線AC16型車輛為應用示范對象，在使用自今的實際情況統計中，經過充、放電檢修的蓄電池各種工藝指標完好，能量充足，測量數據可靠，從而充分確保了地鐵列車的安全運營系數。在工作效益和社會效益預測的統計中，由于蓄電池充、放電實時監測設備的制造及使用，降低了工作人員的工作強度，減小了工作人員長期與有害氣體接觸的時間，直觀及時地了解了蓄電池的充、放電的實時情況，從而提高了的工藝質量。從效益上來說，有以下幾個方面：

（1）經濟效益。該設備的成本造價為5萬元人民幣，但是通過該設備的利用，避免了原本使用萬用表測量蓄電池表棒接觸電平液容易造成腐蝕現象；并且大大節約了作業時間，降低了勞動強度，提高了列車維修進度，很好地增加了潛在的經濟效益：一列車蓄電池的充、放電需要4個人，現在只需要2個人。時間節約了工時144小時。全年24列車共節約工時3456小時。如果以一個工時￥15計，相當于每年節約了￥51840。如圖2所示。

（2）工作環境。蓄電池充放電實時監測設備的使用，不僅使員工直接面對蓄電池的時間減少了，呼吸有毒廢氣的時間也大大減少了，從而保障了員工的身體健康。如圖3所示。

（3）社會效益。由于軌道交通電動列車上所使用的蓄電池結構原理基本相同，每種蓄電池都需要進行定期充放電的工作，也都需要監測在充放電過程中的電壓，蓄電池充、放電實時監測設備可以適應目前所有的軌道交通電動列車，對其的使用具有可推廣性。蓄電池充、放電實時監測設備的使用，提高了蓄電池的工作質量，減小了蓄電池引發故障的可能，保證了地鐵列車的安全運營系數，讓市民放心乘坐地鐵。

5　結語

蓄電池充放電實時監測系統能夠在降低工作人員勞動強度、工作環境的基礎上，自動地、實時地監測到蓄電池充放電過程中每個蓄電池的性能指標。

蓄電池充放電實時監測系統的開發是一個從無到有的工作，它的出現能夠大大提高工作人員對蓄電池充放電工作的檢修效率，對檢修人員保質保量的完成對車載蓄電池的維護保養起到了積極的作用，從而提高了列車運營時的運營質量。

［1］上海地鐵11號線維修手冊MMWM0302.

［2］上海地鐵9號線車輛維護保養、檢修及大修手冊.