蓄電池智能監控防爆系統在鐵路行業的應用

王建華 徐永成 何飛 加礦棟

（1.蘭州局集團公司車輛部 甘肅省蘭州市 730000 2.北京智電云科信息技術有限公司 北京市 100097）

對于鐵路客車用蓄電池，目前絕大多數使用的是鎘鎳電池，鎘鎳電池是以金屬鎘為負極，氧化鎳為正極，氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為電解液的堿性蓄電池。鐵路蓄電池充放電頻繁，無法確保獲得充分放電，導致蓄電池有一定程度損傷，給蓄電池在實際使用中帶來不利影響。首先蓄電池在過充或過放電時，有部分水被電解，產生氧氣和氫氣，氫氣和空氣混合能形成爆炸氣混合物，且其爆炸的上、下限范圍較大，蓄電池箱氫氣、氧氣濃度異常后具有較大的安全隱患；其次電池在充放電過程中，如果溫度過高、過低以及充放電電壓、電流不穩定，也會造成蓄電池的使用壽命縮短的情況，這會額外增加企業的運行成本。基于上述幾種隱患，我們推出了蓄電池智能監控防爆系統，該系統在實時監測的基礎上，對于監測參數超出閾值的蓄電池實時給出告警信息，方便檢修人員制定出相應的蓄電池維護與檢修計劃；同時根據歷史數據進行分析，預測蓄電池在未來的性能變化趨勢。下面我們會從蓄電池相關技術、系統的核心功能介紹等方面來進行詳細闡述，并對蓄電池智能監控防爆系統在鐵路行業的應用前景進行展望。

1 鎘鎳電池相關技術及屬性特點

1.1 鎘鎳蓄電池工作原理

鎘鎳蓄電池是一種在充電時將電能轉變成化學能儲存起來，而在放電時將化學能轉變為電能的裝置。充放電時，蓄電池正負極上發生氧化還原反應。蓄電池在充放電時，理論上不消耗電解液，但燒結電極具有較高的孔率，具有吸收或釋放水的特性，充電時釋放水，使電解液液面升高，放電時吸收水，使電解液液面下降，同時蓄電池的隔膜具有極高的吸液能力，因此，蓄電池在充放電過程中，電解液液面變化較大，在充電后期或過放電時，有部分水被電解，產生氧氣和氫氣。氫氣和空氣混合能形成爆炸氣混合物，且其爆炸的上、下限范圍較大。

1.2 鎘鎳蓄電池電流

蓄電池的容量與充放電過程有著緊密的關系，尤其是初次充放電對蓄電池使用壽命有非常大的影響；其次蓄電池的充放電電流對蓄電池也有重要影響，如果充電電流過大，由于電流沿厚度方向的作用深度有限，活性物質反應只能在蓄電池極板的表面進行，會造成蓄電池不能完全充滿電，容量不足，導致蓄電池壽命縮短；放電電流過大則會使蓄電池內阻迅速增加，造成端電壓迅速下降，當端電壓低于允許電壓時，蓄電池的電量已基本放完，就不能再繼續放電。

表1：數據發送頻次

表2：浮充電壓平均值

圖1：浮充電壓對比圖

1.3 鎘鎳蓄電池電壓

蓄電池故障常用檢測方法就是平時進行的容量核對性放電試驗和單體蓄電池端電壓測量，而在浮充狀態下測量的蓄電池端電壓本身并不能真實的反映蓄電池的性能狀態，但是存在輕微故障或者性能變差的蓄電池在浮充狀態下一樣能測得合格的端電壓，只有當蓄電池存在嚴重故障時蓄電池端電壓才會異常，因此對蓄電池組的電壓實時監測是非常必要的。

1.4 鎘鎳蓄電池溫度

蓄電池的電壓與溫度有非常緊密的關系，根據有關資料表明，蓄電池的溫度每升高1℃，單個蓄電池的電壓將下降約3mV，也就是說，蓄電池的電壓具有負溫度系數，其值為-3mV/℃，經研究表明，在環境溫度為25℃時工作很正常的蓄電池，當環境溫度降到0℃時，蓄電池就不能充足電，當環境溫度升到50℃時會造成蓄電池過充電，而嚴重過充電會縮短其使用壽命，同時產生氧氣和氫氣，帶來安全隱患，溫度低于-40℃時，蓄電池雖然還能正常工作，但容量將會下降，可能無法保證客車的正常運行，因此，對溫度監測對延長蓄電池的使用壽命有非常重要的意義。

通過對鎘鎳蓄電池特性的了解，我們可以非常明確的得到一個結論，那就是對客車用蓄電池運行參數的實時監測對確保客車的安全、可靠、穩定運行有著重要的意義。

2 蓄電池智能監控防爆系統整體介紹

蓄電池智能監控防爆系統是監管蓄電池在運行過程中上述各種參數信息的專業智能設備，系統由蓄電池采集模塊、監控模塊、網絡傳輸模塊、智能分析決策模塊、資源管理模塊、監控終端等核心模塊組成，在監測過程中主要針對蓄電池組的電流、電壓、溫度、氫氣濃度、氧氣濃度等指標進行監測，以實現對蓄電池運行狀態及蓄電池箱內環境動態感知、實時上傳、實時分析、實時預警，為相關客車維護人員獲得更加準確和真實的運行狀態數據，以解決蓄電池狀態監測難、電池故障發現難、安全隱患發現不及時等問題。

蓄電池智能監控防爆系統的智能采集模塊主要針對蓄電池組的各種參數指標進行采集。

（1）針對蓄電池電流，蓄電池的容量與充放電過程中有著緊密的關系；其次蓄電池的充放電電流對蓄電池也有重要影響，系統采用開口式電流傳感器，極大地提高安裝便利性，同時根據采集的電流的大小對其劃分為均充、浮充、放電、空載，以便快速了解蓄電池的運行狀態。

（2）針對蓄電池電壓，平時進行的容量核對性放電和單體蓄電池端電壓測量是常見蓄電池故障檢測方法，而在浮充狀態下測量的蓄電池端電壓本身并不能真實的反映蓄電池的性能狀態，只有當蓄電池存在嚴重故障時蓄電池端電壓才會異常，因此針對蓄電池組的實時監測具有非常重要的意義。

（3）蓄電池在充電后期或過放電時，有部分水被電解，產生氧氣和氫氣。氫氣和空氣混合能形成爆炸氣混合物，且其爆炸的上、下限范圍較大，因此蓄電池箱氫氣濃度尤為重要。

蓄電池監控模塊能夠對所采集數據進行比對分析并實時上傳，網絡傳輸模塊主要用于服務器和監控設備的數據連接和傳輸；資源管理模塊能夠針對客車、車廂以及蓄電池傳感器等設備資源進行實時管理并實現數字化管理；智能分析決策模塊能夠將原始數據轉為可讀數據，并保存到指定位置，并基于大數據對蓄電池的運行狀態數據進行挖掘分析；監測終端能夠為用戶提供不同方式的數據查看及報警。進而通過系統提供的蓄電池安全管理和自動化的綜合服務，替代人工巡檢，有效減少人工巡檢的工作量。

3 我國蓄電池智能監控防爆系統在鐵道客車上的應用

目前鐵道客車大多采用兩組鎘鎳蓄電池串聯使用，每組39或40 只單體蓄電池串聯，分別置于客車廂體兩側底部，以80 只GNC210 蓄電池為例，其浮充總電壓為109.6～112.8V，浮充電流為420mA～1050mA。蓄電池智能監控防爆系統在鐵道客車上使用時，需在蓄電池箱內為每組蓄電池安裝一個設備，設備兩端的電纜連線接入電池箱保險栓的正負極兩端，設備固定于電池箱體內側，并將電纜固定于電池箱內頂端卡線處，電流傳感器夾在接正極電纜上，整個安裝過程必須操作簡單又要牢固。

安裝了蓄電池智能監控防爆系統的客車車廂，在進站檢修蓄電池時，監控終端有一鍵生成報告的功能，運行期間有問題的蓄電池組都會匯總在報告中，維護人員對告警蓄電池組進行處理即可，這在工作中提高了維護蓄電池工作的精準度，降低維護成本的同時也將蓄電池的安全隱患全部都排查。

下面我們來看一個應用實例，本次分析是某次列車南北車廂2個電池組在1月17日至2月6日產生的監控數據，其中共包含六種數據源，分別是：充電組電壓、放電組電壓、組電流、箱內溫度、箱內氧氣濃度、箱內氫氣濃度。本次通過對采集的原始數據進行建模，根據算法對數據進行大數據分析，通過對充放電狀態、組電壓等監控指標的頻數和均值的對比分析。

3.1 數據頻次分析

基本的統計分析往往從頻數分析開始。通過頻數分析電池組在一段時間內的監控數據，從而對不同電池組在同一日期的數據發送頻次、充放電狀態變化頻次進行對比（數據見表1）。

根據數據發送的規則，監控設備每分鐘發送一條數據，但當電池組狀態發生變化時，會發送新的監控數據，監控數據越多說明電池組狀態變化越多，電池組的穩定性越差。從附表1的數據來看，首先，電池組的頻次總體上是呈上升趨勢，說明隨著時間的變化，電池組性能的穩定性是變差的；其次，北側電池組的頻次要高于南側，說明北側電池組比南側電池組的穩定性要差，組電池老化明顯。

3.2 浮充電壓每日均值分析

浮充電壓是體現電池組性能的一個重要指標，對串聯的兩個電池組的浮充電壓按日平均數值進行比較（數據見表2）。

從表2的數據分析，1月17日至1月26日，兩個電池組的日平均浮充電壓是高度吻合的；從1月27日開始南側平均浮充電壓略有升高，北側平均浮充電壓略有降低，北側平均浮充電壓要明顯低于南側平均浮充電壓，說明北側電池組從27日開始與南側電池相比性能出現明顯下降。

3.3 浮充電壓值離散度分析

伴隨著電池性能的降低，電池組相對于自身的充放電電壓離散度將逐步變大，因此相對于串聯電路中其它電池組的充放電電壓離散度也將變大。對串聯的兩個電池組的浮充電壓放在一起進行比較得出圖1所示結果。

通過上述分析，系統發出告警信息后，列車在入庫檢修時，運維人員快捷精準地找到該車廂北側問題電池組，進行維護更換后，確保了列車蓄電池組的良好狀態，有效避免了問題電池組的隱患，確保了鐵路客車的運行安全。

4 蓄電池智能監控防爆系統在鐵路行業的應用前景分析

蓄電池智能監控防爆系統在鐵路行業應用很廣，比如機車發電車的啟動電源，電務段、機務段、通信段、供電段等通信機房UPS蓄電池，同鐵路客車車載蓄電池的數量和電壓不同，我們有不同型號的智能設備來解決。

我們以鐵路客車為例，據2019年中國國家鐵路集團有限公司統計公報顯示，全國鐵路客車擁有量為7.6 萬輛，去除動車29319 輛，普通客車量約為4.6 萬輛。以每列客車10 節計算合計約46 萬節車廂，每個蓄電池箱蓋開關一次約需要20 分鐘，全國鐵路客車蓄電池檢修一次，使用該技術可節約近30 萬小時，目前客車蓄電池的維護主要使用人工巡檢維護模式，而人工巡檢維護模式存在著巡檢信息少、效率差、問題發現不及時、人力成本高等問題，也無法了解蓄電池的實時運行狀態，因此為提高蓄電池的運行效率，減少人為失誤，保證鐵路客車的安全穩定運行，減少重大事故帶來的經濟損失，使用蓄電池智能監控防爆系統以提高智能化管理是非常重要的選擇。