機車蓄電池故障分析及在線智能監測系統研究

程世軍

摘 要：于機車而言，蓄電池是十分重要的組成部分之一，更是機車主斷路器和受電弓正常運行的動力源。蓄電池虧電是機車運用過程中常見的故障種類，不僅會造成機車無法正常運行的情況，而且一定程度影響鐵路運輸秩序。本文結合當前階段電力機車蓄電池的使用情況，對蓄電池故障中的虧電情況原因進行調查分析，并在此基礎上對機車蓄電池在線智能監測系統進行提出，旨在降低機車蓄電池故障發生率，從而提升蓄電池使用壽命。

關鍵詞：機車蓄電池；故障分析；在線智能監測系統

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

1 機車蓄電池虧電原因調查分析

（1）溫度補償欠缺。對于機車蓄電池而言其工作環境十分復雜，而溫度環境等直接影響蓄電池電流和電壓。機車蓄電池理想工作環境溫度為25度，在此基礎上蓄電池充電電流會隨溫度增加而增加，兩者之間為正比例關系，溫度每增加一度充電電流會提升20%左右。因此在蓄電池出廠時，產品說明書會明確標識依據環境溫度變化，要適當補償相應的充電電流，通常情況下3-5mv/℃為補償系數。經調查發現當前階段機車蓄電池工作中極少可以做到溫度補償，因此也就降低了蓄電池的使用壽命。

（2）新品蓄電池組未進行監測。通常情況下新購入或者大修新裝的蓄電池組僅僅依據廠家說明進行簡單的初級檢驗，不會再利用專業的檢測設備進行全面檢驗，權威第三方驗證更是不會執行。

（3）機車蓄電池維護保養手段不合理。大量調查數據得出，機車蓄電池現階段保養和維護的項目僅僅是不良單節更換、單節電壓測量和恒壓充電。機車蓄電池檢測手段缺乏，蓄電池保養更是沒有制定科學的制度，因此導致機車蓄電池劣化情況提前。淺顯片面的維修保養項目對蓄電池問題不能及時發現及時處理，最終造成蓄電池劣化情況不斷加重，其使用壽命大幅度降低。

（4）浮充電壓偏離正常范圍值。經調查發現在機車蓄電池工作中電壓漂移現象十分常見，導致蓄電池欠充或者是過充的情況。蓄電池過充極易引發蓄電池正極腐蝕加重、蓄電池負極硫酸化、蓄電池熱失控及蓄電池失水等情況，對蓄電池使用性能造成嚴重損害；蓄電池欠充極易導致蓄電池荷電不足的情況，從而對其容量造成影響，長此以往蓄電池使用功能勢必受到嚴重損害。

（5）蓄電池更換及報廢制度不科學。調查現階段機車蓄電池更換和報廢情況發現，工作經驗是機車蓄電池更換和報廢的直接依據，在實際使用中經常發生蓄電池存在嚴重漏液、鼓包甚至無法充電等情況時才進行報廢，而更換也是因蓄電池無法應對實際使用需求才進行，因此在使用過程中虧電現象極易發生。

2 在線智能監測系統研究構想

綜合機車蓄電池當前階段使用情況和使用特征的調查分析結果，并且與現階段蓄電池智能芯片發展和信號處理技術進行有機結合，對在線智能監測系統進行深入研究。

（1）系統構成。本次研究的在線智能監測系統其構成可分為以下幾個方面：電壓、溫度、內阻檢測、主處理器、蓄電池監護、電流傳感器等，此外IGBT保護動作控制模塊、隔離電路、外圍保護、連接電纜線也囊括其中。

1）系統主要構件選擇。本系統主機處理器選用ARM-coreX3，不僅擁有數據掉電的保存功能而且其儲存容量高達4M，可對計算監護模塊所采集和傳動的電池溫度、電池電壓及電流數據等進行實時接收，通過內設監測程序判斷電池組和單節電壓的工作狀態。系統處理器具備自檢功能，從而保障監測程序的正常運行。

2）測量、采集電路。第一，采集單體電壓。將串聯的單體電池分別在四個LTC6811-1芯片C0-C12電壓采集輸入端進行接入，并將一個5V穩定管在輸入端口進行并聯，對高電壓的浪涌沖擊進行有效抑制；第二，采集電流信號。蓄電池電流測量通過AHKC-EKA型霍爾電流傳感器進行，5V為其副邊電壓，電壓數據為輸出值，利用TLC6811輔助ADC對輸出電壓進行輸入，兩個與所提供VCC成比例輸出值產生，而其連接至GPIO引腳隨其產生，電池組電池測量工作完成；第三，采集溫度信號。蓄電池溫度采集探頭對負溫度系數熱敏電阻進行應用，因此溫度信號轉換為電壓信號。將V引腳標稱3V電壓作為基準利用ADC進行測量，從而多個熱敏電阻NTC被驅動，偏置所需電流由此提供。

3）IGBT控制模塊。利用IGBT模塊實現實時控制的目的，將IGBT通斷技術作為依據，處理器接收并處理監護模塊的相應數據，當蓄電池電量達到既定限值時IGBT會受到系統驅動，切除蓄電池供電回路的控制，從而保護蓄電池不會發生虧電情況。

4）信號發生、保護抗干擾電路。為了對系統穩定性進行提升，并預防和降低電壓度芯片的沖擊力，將5V穩壓管并聯在信號輸入端；為將信號轉換精度進行提高，系統對外部濾波器進行采用，利用電容和電阻低通去耦濾波電路形成，從而達到對高頻噪聲干擾抑制的目的。

（2）系統軟件設計與功能實現。1）軟件設計。該系統LTC6811命令代碼發送的目的利用ARM-coreX3處理器經由SPI口達成。第一，讀電壓、電流、溫度等自動測量系統啟動；第二，將程序提前設置的門限值作為依據對蓄電池欠壓、溫度異常、內阻異常等情況進行自動判定；第三，對最近五百個采樣周期范圍內的蓄電池電流、電壓、溫度、內阻等監測數據，及最近期的一百個報警數據參數值進行自動儲存；第四，自檢和校驗的完成，對本機自檢、通訊自檢和A/D測量自檢進行執行。2）功能實現。第一，對單電池電流、電壓、溫度和內阻等參數進行在線實時監測，從而對蓄電池維護情況全面掌控；第二，將環境溫度的檢測結果作為依據決定充電電壓及充電電流隨環境溫度變化的相應調整；第三，蓄電池各重要參數和報警信息的自動儲存；第四，參數設計的運行便于數據的實時查詢；第五，支持系統程序隨科技發展而升級。

3 結束語

綜合上述所言，于機車而言蓄電池是十分重要的組成部分之一，直接影響機車的正常運行。本文首先對機車蓄電池虧電原因進行了調查分析，結合當前階段新技術和新的蓄電池監測理論對蓄電池在線監測系統方案進行提出，為機車蓄電池日后維修保養提出新的發展方向，旨在降低機車蓄電池故障的發生率，從而促進我國機車行業持續穩定的發展。

參考文獻：

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