川藏鐵路成雅段蓄電池在線監(jiān)測(cè)、維護(hù)技術(shù)研究

林霖

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055）

1 引言

蓄電池是鐵路通信系統(tǒng)重要的電源設(shè)備，在完全失去外供電源的情況下，由蓄電池組承擔(dān)全部系統(tǒng)的用電負(fù)荷，成為行車安全及運(yùn)營(yíng)的最后保障。因此，就鐵路運(yùn)營(yíng)安全而言，蓄電池可靠性非常重要。一般情況下，各通信機(jī)房?jī)?nèi)使用的是開(kāi)關(guān)電源和UPS（不間斷電源）。蓄電池組在正常情況下進(jìn)行熱備，由開(kāi)關(guān)電源對(duì)其浮充電。因此，使用蓄電池的機(jī)會(huì)少之又少。現(xiàn)階段的維護(hù)方式為人工定期巡檢，但難以發(fā)現(xiàn)故障蓄電池；由于安裝空間的限制，人工排查十分不便；即使發(fā)現(xiàn)了某一節(jié)故障電池，也無(wú)法立即修復(fù)，且當(dāng)其拖垮整組電池時(shí)，被迫更換整組電池，耗費(fèi)大量成本；由于川藏鐵路環(huán)境的特性，沿線區(qū)間基站、中繼站等位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的蓄電池組人工維護(hù)起來(lái)更加不便。因此，需要對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)，提供新的解決思路。

2 蓄電池組在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

2.1 在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)蓄電池組中每塊單體電池電壓、內(nèi)阻、容量、電動(dòng)勢(shì)；對(duì)電池組組容量、內(nèi)阻、電壓、不均衡度、環(huán)境溫度、充（放）電電流等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集。實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)每節(jié)電池各個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

2.2 蓄電池容量與內(nèi)阻的關(guān)系及監(jiān)測(cè)方法

隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)蓄電池極板會(huì)出現(xiàn)硫化，另外極板活性物質(zhì)脫落而導(dǎo)致電池容量下降，當(dāng)電池容量下降到一定程度時(shí)（約75%），蓄電池性能開(kāi)始快速下降，從而使電池組容量迅速下降，放電時(shí)長(zhǎng)迅速枯竭，這時(shí)電池組已存在安全事故隱患，如何掌握蓄電池組容量成為維護(hù)人員面臨的難題。

蓄電池充放電學(xué)反應(yīng)方程為：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，蓄電池放電能力根據(jù)不同的溫度和負(fù)載而有所不同[1]。隨著蓄電池不斷充電，內(nèi)部電解質(zhì)逐漸增多，導(dǎo)致內(nèi)阻逐漸減小，反之逐漸增大。因此，可以通過(guò)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻間接獲取蓄電池容量的大小。

其次，蓄電池和電池組在運(yùn)行過(guò)程中，蓄電池組是將每個(gè)單體電池進(jìn)行串聯(lián)，某一個(gè)單體電池因老化內(nèi)阻逐漸變大，容量逐漸變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)各單體的充電電壓根據(jù)內(nèi)阻不同而不同，這樣易造成單個(gè)電池的欠充或過(guò)充現(xiàn)象，使蓄電池組使用壽命降低。

再次，目前鐵路利用環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)蓄電池組單節(jié)電池的電壓、電流及溫度。但現(xiàn)在電源及環(huán)監(jiān)設(shè)備、蓄電池廠家眾多，產(chǎn)品間接口無(wú)法統(tǒng)一，目前鐵路僅要求將蓄電池組電壓、電流、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無(wú)法了解電池充放電能力，需要鐵路運(yùn)營(yíng)人員定期進(jìn)行人工充放電測(cè)試，測(cè)試過(guò)程煩冗復(fù)雜且時(shí)間間隔較長(zhǎng)，無(wú)法有效預(yù)防蓄電池失效，引起供電隱患。

1）定期維護(hù)周期較為固定，一般間隔不少于3 個(gè)月，期間單體電池失效無(wú)法發(fā)現(xiàn)；

2）充、放電時(shí)間較長(zhǎng)，維護(hù)時(shí)蓄電池為各系統(tǒng)供電無(wú)法保障；

3）維護(hù)前需通知、協(xié)調(diào)相關(guān)部門，需耗費(fèi)大量的資源[2]。

最終，相對(duì)于傳統(tǒng)維護(hù)方式，監(jiān)測(cè)蓄電池各單體電池內(nèi)阻對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響比較小，并可以在蓄電池使用的過(guò)程中測(cè)量，適合川藏鐵路的特點(diǎn)，減少人力維護(hù)的工作。

2.3 蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)原理

總體上，電池開(kāi)路電壓V0，當(dāng)以電流I放電時(shí)其端電位V，根據(jù)r=（V0-V）/I計(jì)算得出。然而蓄電池內(nèi)阻會(huì)跟隨工作狀態(tài)和環(huán)境而改變，其內(nèi)阻r包含這復(fù)雜而變化的成分。理論公式指出，電池在充電和放電其端電壓V為：

從式（1）可以看出，蓄電池內(nèi)阻主要包括了歐姆內(nèi)阻RΩ、濃差極化內(nèi)阻和活化極化內(nèi)阻其中，歐姆內(nèi)阻包括了蓄電池內(nèi)部的全部零件的電阻，雖然隨著蓄電池使用會(huì)引起RΩ變化，但是在測(cè)量過(guò)程中認(rèn)為內(nèi)阻不變；濃差極化內(nèi)阻是因?yàn)樾铍姵貎?nèi)離子濃度跟隨反應(yīng)增加或減少導(dǎo)致離子濃度變化，使得濃差極化內(nèi)阻隨之變化；極化內(nèi)阻是電化學(xué)反應(yīng)引起蓄電池正、負(fù)極極化引起的內(nèi)阻。

直流放電內(nèi)阻測(cè)量法：根據(jù)圖1 內(nèi)阻測(cè)試電路原理，當(dāng)有階躍電流i（t→0）流過(guò)時(shí)，可以得出在不同電流Ia、Ib下的電壓變Ua、Ub來(lái)計(jì)算內(nèi)阻值，由E-IaR=Ua、E-IbR=Ub得：

測(cè)量時(shí)，首先讓電池正常工作測(cè)得Ia、Ua，蓄電池通過(guò)一個(gè)瞬時(shí)階躍直流電Ib，測(cè)量此時(shí)電池正負(fù)極之間的電壓Ub，并根據(jù)公式得出當(dāng)前的電池內(nèi)阻。

圖1 內(nèi)阻測(cè)量方法

交流放電內(nèi)阻測(cè)量法：交流方法相對(duì)直流法要簡(jiǎn)單。在電池正、負(fù)兩極加上交流電壓，U=Umaxsinωt，測(cè)得產(chǎn)生的交流電流i=Imaxsin（ωt+φ），即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其相角為φ，而其模r=|Z|=Umax/Imax。

2.4 直流法測(cè)內(nèi)阻優(yōu)勢(shì)

1）交流測(cè)內(nèi)阻由于饋進(jìn)電壓Umax幅值有限，電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級(jí)。因此，產(chǎn)生的電壓變化ΔU=Ub-Ua幅值也在微伏級(jí)，測(cè)量過(guò)程容易受干擾而引起誤差，對(duì)信號(hào)要求較高。相反直流測(cè)量受干擾度較小，經(jīng)過(guò)多組多次測(cè)量，理論上精度誤差可以控制在10%以內(nèi)。

2）直流測(cè)試法誤差會(huì)隨者電流曾大提而減小，測(cè)試時(shí)電壓2 次讀數(shù)精確，數(shù)據(jù)樣本變化小。

3）測(cè)試電流大，不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任附屬信號(hào)，將流經(jīng)電池的交流信號(hào)忽略掉，也不受充電回路波紋電壓的影響，能有效地測(cè)量直流參數(shù)。因此，瞬間直流放電法可屏蔽高噪聲環(huán)境影響（如高頻充電機(jī)）對(duì)電池進(jìn)行在線測(cè)試。

4）數(shù)據(jù)可比性強(qiáng)，可以保證整組所有電池?cái)?shù)據(jù)在同一狀態(tài)（充電、溫度、負(fù)載、容量等）下測(cè)得，數(shù)據(jù)具有良好對(duì)比性，確保各功能都能有效地結(jié)合起來(lái)并統(tǒng)一進(jìn)行同步點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量，消除了異步測(cè)量造成的不可比性。

2.5 后臺(tái)蓄電池性能分析功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由主站層、匯聚層、采集層組成。主站層設(shè)置在成都調(diào)度所，由服務(wù)器、PC 機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和主站軟件組成。匯聚層設(shè)置于成都西，蓄電池監(jiān)控管理機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)組成，是數(shù)據(jù)的集中和轉(zhuǎn)發(fā)中心，蓄電池監(jiān)控管理機(jī)匯聚在線均衡裝置數(shù)據(jù)。

采集層設(shè)置于信號(hào)樓、區(qū)間基站、信號(hào)中繼站等通信機(jī)房，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路全線通信節(jié)點(diǎn)-48V 開(kāi)關(guān)電源設(shè)備中蓄電池內(nèi)阻、電壓、容量、電流、均衡度、溫度，每節(jié)電池內(nèi)阻、電壓、容量等數(shù)據(jù)采集上傳，通過(guò)上述方法分析電池狀態(tài)，提供滿足維護(hù)需求的各種電池容量信息和數(shù)據(jù)圖表等，通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)顯示在各維護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)置網(wǎng)管或復(fù)示終端上[3]。

3 蓄電池組在線均衡方法

3.1 在線均衡原理

成都至雅安段鐵路共12 個(gè)通信機(jī)械室內(nèi)高頻開(kāi)關(guān)電源蓄電池組新設(shè)通信在線均衡系統(tǒng)采集層設(shè)備。電池的荷電狀態(tài)參數(shù)為均衡對(duì)象，當(dāng)單節(jié)電池工作與其他單節(jié)電池工作參數(shù)存在差異時(shí)，在線均衡系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)單節(jié)電池進(jìn)行均衡調(diào)壓充電，使單節(jié)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、容量等狀態(tài)保持一致，從根本上解決單節(jié)電池過(guò)壓、欠壓充電現(xiàn)象，提高整體蓄電池工作質(zhì)量，防止因蓄電池過(guò)壓、欠壓充電而導(dǎo)致蓄電池組迅速衰竭。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)比較2 組蓄電池中單節(jié)電壓可以得出結(jié)論，在均衡后各單節(jié)電池電壓趨向一致，減少了單節(jié)電池之間的差異，整體性能得以提高。

4 蓄電池組在線活化方法

4.1 在線活化原理

以往的經(jīng)驗(yàn)和研究表明：正常使用蓄電池不能阻止極板硫化和延長(zhǎng)蓄電池充放電循環(huán)壽命，但各種脈沖充放、電具有延長(zhǎng)使用壽命效果。通過(guò)測(cè)量每節(jié)蓄電池的內(nèi)阻，并比較它們之間的差異，將內(nèi)阻超過(guò)平均值的單節(jié)電池在線活化。

1）大電流充電法：采用大電流充電能使大的硫酸鉛結(jié)晶體電解和活化，預(yù)防和削弱極板硫化現(xiàn)象，減少硫酸鉛晶體產(chǎn)生的額外電阻。但這種方法會(huì)電池在充電過(guò)程中升溫，帶來(lái)嚴(yán)重失水和破壞極板活性物質(zhì)，縮短電池使用壽命。

2）高頻脈沖充電法：采用高頻脈沖電留使得內(nèi)部充分提供電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，使其能正常參與充、放電化學(xué)反應(yīng)，據(jù)測(cè)修復(fù)效率高，較大電流充電法效果好，且技術(shù)簡(jiǎn)單，目前使用較多。缺點(diǎn)是脈沖時(shí)間長(zhǎng)，去硫化較效果不佳。

3）正負(fù)脈沖充電法：采用正負(fù)脈沖電流使電池在充電過(guò)程中短暫放電，將硫酸鹽粗結(jié)晶重新轉(zhuǎn)化為細(xì)結(jié)晶體，且可使用更大電流，目前使用較多。缺點(diǎn)是工作效率低，充放電時(shí)間較長(zhǎng)。

本次采用正負(fù)脈沖充電技術(shù)，利用數(shù)字脈沖電源模塊，根據(jù)電池硫化情況選擇不同的脈沖類型（幅值、頻率、占空比等），對(duì)性能落后的單節(jié)電池進(jìn)行循環(huán)充（放）電，對(duì)電池極板的硫酸鉛晶體進(jìn)行激活，防止蓄電池因長(zhǎng)期浮充而導(dǎo)致的極板硫化，消除電池組局部電池過(guò)、欠充，確保蓄電池狀態(tài)并延長(zhǎng)使用壽命。

4.2 活化效率

活化前采用10h 放電獲得的實(shí)際容量為活化前容量，經(jīng)過(guò)一定活化時(shí)間后，采用10h 放電獲得的實(shí)際容量為活化后容量；活化效率按下式計(jì)算：

活化效率=（活化后容量-活化前容量）/

活化效率如表1 所示。

表1 活化效率

4.3 在線活化效果測(cè)試

蓄電池極板上覆蓋了厚重的硫酸鹽結(jié)晶，活化系統(tǒng)消除了硫酸鹽結(jié)晶，保障活性物質(zhì)能再次與電解液接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

蓄電池的檢測(cè)與維護(hù)關(guān)系到鐵路的行車安全，以往傳統(tǒng)的人工維護(hù)方式已不足以支撐川藏鐵路“無(wú)人化”的運(yùn)營(yíng)需要。科學(xué)控制的蓄電池充電，并采用活化技術(shù)修復(fù)性能落后的單體蓄電池，延長(zhǎng)電池組使用壽命。通過(guò)近年來(lái)我國(guó)對(duì)蓄電池在線檢測(cè)技術(shù)上的探索，已取得初步成就。尤其是在川藏鐵路成都至雅安段開(kāi)通初期的試驗(yàn)成功，相信將來(lái)該技術(shù)必將得到更多的應(yīng)用和發(fā)展。