蓄電池智能監測系統的應用研究

汪海天

摘要：蓄電池的性能和狀態對軌道交通行業日常運營維護工作具有重要意義，開發一種蓄電池管理系統對蓄電池的性能和狀態進行監測和預測，能夠減少人工成本，提高供電系統的可靠度，解決維護難題，具有很高的經濟效益和社會效益。

關鍵詞 蓄電池;電池維護;實時監測

1背景及行業現狀

隨著軌道交通建設規模日益龐大，運營壓力陡增，為了保證軌道交通正常運營秩序，提升運營服務水平，需要對相關設備的安全性和可靠性提出更加嚴格的要求。軌道交通的安全可靠性一直是在其發展過程中被重點關注的問題。其中，供電系統的安全性與可靠性對軌道交通的整體運行發展具有重要的影響。閥控式鉛酸電池性能穩定、自放電少、密封、經濟等優點而被大量應用。蓄電池作為軌道交通行業供電系統的重要組成部分，一旦故障影響突出，亟待建立更為有效的安全管理系統，對蓄電池進行全面的監測和管理，確保供電系統安全可靠運行。

蓄電池監測系統即是在電池放電和充電狀態下測量電池電流及端電壓變化，自動取得測試數據并及時發出警報的一套設備。平時蓄電池組接在整流設備上進行浮充（Floating Charge），保持在滿充狀態下，以備不時之需。蓄電池組自被安裝妥當，完成初充電（Initial Charge）及放電試驗再充電后，即被加入直流供電系統使用。

據統計，目前國內軌道交通領域供電系統蓄電池有很大比例僅僅依賴定期的人工維護，或者僅僅配套簡單功能的BMS系統（電池管理系統）對蓄電池的一些基礎參數進行有限的監測和記錄。極少有具備實時性能指標監測、關鍵安全指標監測、智能存儲、預警、跟蹤和處理的BMS安全管理系統。由于軌道交通領域的站點分散性，人工維護的成本非常高昂，費時費力，且效果不理想，產生如下問題：

1）電池問題：電池內短路、開路、熱失控、漏液、鼓包等，導致電池組備電失效，甚至發生火災等重大安全事故。

2）BMS問題：故障率高、預警機制滯后、安全性能低，不但無法有效管理電池，甚至給運維帶來更大的運維壓力。

3）人工定期巡檢問題：定期進行人工放電測試，并使用萬用表、便攜式內阻儀、溫度儀定期對電池電壓、內阻和溫度進行測試，不能做到實時監測電池狀態。

4）巡檢儀器問題：監測電池基本性能參數，無法提供高級參數，也無法記錄數據。

由于廠商大力宣傳“免維護”電池和用戶維護麻痹，以及缺乏更為有效的管理手段等因素，導致在蓄電池的日常維護工作中，維護人員往往只能通過人工維護或通過安裝僅有基本參數監測功能的BMS系統了解蓄電池的一些表象參數，而容易忽略和缺乏對蓄電池關鍵安全指標進行有效的監測和分析。特別是對惡劣使用環境下的蓄電池和使用年限較長的蓄電池尤為重要。

針對上述問題，本文對在線蓄電池管理系統進行了應用研究。

2 系統介紹

為了良好的管理蓄電池，需要對蓄電池的運行狀態進行實時監測，采集和記錄蓄電池的運行狀態，分析蓄電池當前性能，最后對蓄電池的未來性能和運行狀態進行一定程度的預測，以達到提醒人員及時保養維護的目的。據此，本文搭建了一種蓄電池安全管理平臺。

2.1系統結構

蓄電池安全管理平臺由前端智能傳感器、監控主機、本地顯示和智慧平臺系統組成。系統結構拓撲圖如圖1所示，由三個部分組成：數據采集層、數據分析層、數據管理層。

2.2主要功能

本蓄電池安全管理平臺，其具有精度高，高可靠，便于使用和可視化的特點，通過圖表化顯示，趨勢數據一目了然，具有以下五種預警和監測功能：

1）蓄電池開路故障預警

實時在線監測蓄電池組總電壓、總電流、溫度、單體電壓、單體內阻、單體溫度、SOC/SOH等性能參數，超限告警。智能提醒更換開路電池，防止電池內部開路造成系統宕機。

2）蓄電池組熱失控智能預警

智能監測電池組熱失控、漏液絕緣、電池開路、紋波等電池安全關鍵指標，異常時及時預警。降低熱失控風險，防止電池熱失控造成的電池發熱、鼓包乃至冒煙起火。

3）電池漏液接地監測實時監測

通過智能分析，能夠準確定位電池漏液或電池組絕緣失效具體位置。

4）高精度SOC/ SOH檢測

采用高精度的傳感器，精確掌握當前電池充放電性能和健康狀態。

5）AI智能大數據分析

采用智能算法整理數據和報表，輸出簡單直觀的分析結果，能夠實現系統級、車站級、線路級、城市級遠程統一管理。

蓄電池預警儀軟件配合蓄電池狀態檢測及故障預警儀使用，能夠實現包括：電池組的管理、參數設置、趨勢分析、通訊設定、時間校正等功能，用戶可以利用該軟件增加電池組，修改電池組屬性、修改報警參數、校正系統時間，提取當前檢測數據、提取歷史監測數據，還可以對所有檢測參量進行時間段趨勢變化分析，生成曲線和圖標，通過曲線可以直觀分析出檢測參量在磨時間段的變化過程，通過直方圖可以看出單體電池的不一致性等;生成的曲線和圖標可以隨時打印。

檢測內容：

1、電池組參數：組電壓、組電流、使用環境溫度

2、單電池參數：單體電池的電壓、單體電池殼溫

3、特殊參數：單體電池內阻

除此之外，系統能夠智能分析、輸出合理性建議和報告，包括但不限于電池組健康狀態、可用壽命評估、風險警告以及放電合規性、充電合規性、故障處理及時性和不同品牌電池質量評比報告。

3.系統應用情況

本系統在南京地鐵軌道交通4號線線路機房進行試應用，應用狀況良好。

以車站站臺門機房內蓄電池組的內阻分析為例，如圖2所示為根據一段時間內采集數據得出各組電池內阻變化趨勢。根據該圖描述的情況，蓄電池組的內阻一致性較差、阻值逐漸上升，系統建議適時更換老化電池組，防范風險。

與人工采集數據比較，采集數據更為精準、避免人為采集造成偏差，采集的數據具有很高的分析價值。系統根據該組數據智能分析，提醒工作人員關注電池使用年限、分析電池健康狀態，給老舊電池的更換工作提供了堅實的依據。

4 結論及展望

采用蓄電池安全管理平臺，利用網絡化、信息化的管理方式，一方面實時監測蓄電池各種參數，在出現故障時，第一時間提醒相關人員趕赴現場進行處理，減少人工，增加系統可靠性;另一方面，記錄各項電池歷史參數，歸納整理后，可在一定程度上預測電池未來運行狀態，為更換舊電池，防范風險提供數據基礎。使用網絡化管理模式，有助于提升軌道交通供電系統的安全效益、社會效益和經濟效益。

未來軌道交通行業的的機房維護工作將向電子化、信息化發展，向形成“動環”系統發展。“動環”系統即是對分布在各機房的UPS、蓄電池、空調、配電柜等多種動力設備及門禁、紅外、窗、溫濕度等機房環境的各種技術參數進行監控、遙控，具備實時監測、診斷、記錄、分析等多種功能，實現對各機房的集中管理、集中維護工作的控制系統。

蓄電池智能監測系統作為其中的一個子系統應當逐步發展，以滿足軌道交通行業的需要，保障電池安全運行。希望在不久的將來，能夠將本文所述系統深入開發，使其具備納入“動環”系統的條件，為保障軌道交通行業的運營環境做貢獻。

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