列车车载蓄电池组参数在线监测系统研发

李 宁，徐冠基，张志强，王 腾，秦 毅

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室（南方），山东 青岛 266111；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

列车车载蓄电池组参数在线监测系统研发

李 宁1，徐冠基1，张志强1，王 腾2，秦 毅2

（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室（南方），山东 青岛 266111；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

为保证列车蓄电池安全可靠工作，需要对其运行参数进行在线监测。基于美国国家仪器公司（NI）的软硬件平台，利用基于接口电路的一体化仪器技术和虚拟仪器技术，设计并开发在线监测系统，克服目前列车车载蓄电池监测系统的量程小、准确度低等缺点，能够对蓄电池组的温度、电压和电流等参数同时进行监测、保存以及回放。测试结果表明：该测试系统具有使用方便、检测精度较高、工作稳定可靠、人机界面友好等特点。

蓄电池；虚拟仪器；一体化仪器技术；LabVIEW软件

0 引言

目前，所有列车必须配备有辅助供电电源系统，该电源系统为车上所有交流和直流辅助电气设备提供配电和保护，如车辆的空调/采暖、空压机组、列车照明、各系统控制电路、电动车门以及车载信号与通信设备等。其中，蓄电池组是辅助供电系统的关键之一。

列车车载蓄电池组的作用是为列车提供激活电源，平时由列车提供的110V直流电进行充电。在紧急情况下，如列车发生故障或者出现供电中断等意外事故时，可以放电为列车各负载提供大约40min左右的供电，包括紧急照明、紧急通风和通信设备的供电。在紧急状况下，蓄电池供电时间的长短以及供电过程中

的可靠性直接关系到列车正线运营的安全[1-3]。如果它失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面地在线监测。国内外也有不少文献涉及到监测系统的开发，但所测的电参数量程较小，精度也较低[4-6]，并不能完全满足车载蓄电池组的测量要求。

针对这一问题，在进行需求分析后，提出了一种基于LabVIEW的蓄电池在线监测系统方案，该方案结合了基于接口电路的一体化仪器技术[7]和虚拟仪器技术[8-10]，并利用NI硬件平台及相应的传感器开发出该测试系统。

1 总体设计

温度、电压和电流测量系统结构如图1所示，在对蓄电池参数的监测过程中，通过传感器获得温度、大电压、大电流信号，并将这些信号全部转化为小电压信号，再通过采集模块NI9217（可直接采集温度，并显示实际温度）和NI9205采集信号，并上传到上位机进行处理和显示；同时，判断电流和电压是否在正常范围内，若不在，进行报警提示。

图1 监测系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 采集平台的选择

针对系统级的数据采集应用项目，NI提供了3大平台：PXI、CompactDAQ和CompactRIO平台。其中，CompactDAQ平台提供即插即用的USB连接，只需要一根USB数据线，就可以非常方便地与PC机或笔记本电脑连接在一起。1个CompactDAQ机箱中最多可以放置8个CompactDAQ数据采集模块。与其他两个平台相比，CompactDAQ平台体积小巧，功耗低，便于携带，并且成本比较低。

2.2 电池温度测量

对于电池温度测量，选择的采集卡为4通道、24位分辨率的NI9217温度采集卡，选择的温度传感器为100Ω RTD传感器。NI9217具有通道-地面接地双重隔离屏障，可与3线和4线RTD测量兼容，自动探测与通道连接的RTD类型（3线或者4线）并可自动把每条通道配置成恰当的模式，通过3线连接，可以有效地抑制共模电压。

RTD基于纯金属电子阻抗改变的工作原理，其阻抗与温度间的关系近似呈线性关系，并遵循如下等式：

当温度低于0℃时，

当温度高于0℃时，

式中：RT——温度为T时的阻抗；

R0——标称阻抗；

a，b，c——RTD所使用的比例常数。

其阻抗-温度曲线如图2所示。

图2 阻抗-温度曲线

2.3 电池电流、电压测量

对于电压、电流测量，采用的采集卡为输入信号为电压的NI9205。NI9205具有32路单端或16路差分模拟输入，16位分辨率和250kS/s的最高采样率。NI9205的每条通道具有±200mV、±1V、±5V和±10V可编程的输入范围。为了防止信号瞬变，NI9205模块还具有输入通道和COM间达60V的过压保护。另外，NI9205模块还具有通道-地面接地双重隔离屏障，实现了安全性、抗扰性和高共模电压范围。瞬时过压保护为1000Vrms。

对于范围为0～50V的电压信号，选择的传感器为LEM公司的AV100-50。对于范围为0～150V的电压信号，选择的传感器为LEM公司的AV100-150。它们的原边电压分别为50V和150V，并将所测的高电压转化为小电流输出，转化的最大电流均为50mA。对于AV100-50，其转换比为1∶1000；对于AV100-150，其转化比为1∶3000。AV100系列具有功耗低、线性度

好、低温漂、反应时间短、宽频带、抗干扰能力强、电流过载能力强等优点，因此被广泛使用。

由于NI9205只能采集电压，所以也需要从输出端串联一个被测电阻，从而将弱电流转化为弱电压进行采集，并显示出来。根据NI9205采集电压的量程±200mV，±1V，±5V和±10V，以及电压转化的电流大小，同时，根据说明书上的相应规定，被测电阻的大小应在0～47Ω，所以对于测量范围为0～20V，电压传感器选择AV100-50时，可以选择被测电阻40Ω，这样转化得到的电压范围为0～0.8V。同样道理，对于测量范围为0～150V的电压测量，电压传感器选择AV100-150，可以选择被测电阻15Ω，这样转化得到的电压范围为：0～0.75V。这样两者都可以使用同一量程±1V。

对于范围为0～20A和0～150A的电流信号，分别采用LEM公司的Lts25-np和LA200-P。其中Lts25-np是应用霍尔原理的闭环电流传感器，其将电流信号转化为弱电压信号。其转化公式为

式中：Vout——输出电压；

Ip——待测电流；

Ipn——缘边电流，这里为25A。

LA200-P采集的是电流，输出的也是电流，其输出输入转化比为1∶2000。由于选择的采集卡NI9205只能采集电压，并且采集量程为±200mV，±1V，±5V和±10V。而根据需求分析，所测得电流为0～150A，也就是说经过传感器后的电流输出为0～75mA。要想测得电压，必须将其连接一个电阻然后将电流转化为电压。根据说明书规定，电阻的大小应为0～30Ω，最终，选定的电阻为10Ω，这样就能转化为电压0～0.75V。

2.4 PCB电路设计

由于该实验中电流传感器的安装方式均为PCB安装，所以需要PCB制板。在制板前，需要先确定总体电路图，所以先绘制出电路原理图，如图3所示。图3中的LTS代表量程为20 A电流传感器，LA代表量程为200A的传感器。同时，制板能使最后的硬件紧凑，连线方便，也能增加其美观。

2.5 硬件总体架构图

在测试过程中，为方便连接以及保证接线线路清晰，将所选择的电压电流传感器转换平台和cDAQ测试平台分别进行装箱，并采用BNC接头作为外接接头。对两个实验箱分别命名为“电压电流变送器”和“多功能信号采集仪”，分别用来将大电压电流向小电压转化和信号的采集。最终硬件总体结构如图4所示。

3 测试系统软件设计

该测试系统的上位机是采用的LabVIEW软件，该系统主要是由温度采集模块、电流采集模块、电压采集模块、信号处理模块以及报警模块5部分组成。软件的构架主要由状态机和生产者消费者循环两种典型架构组成。其中状态机架构决定具体某个功能的实现，例如采集、停止、保存和回放，而生产者-消费者循环架构用来实现采集和处理部分。软件的流程如图5所示。

4 实验应用

最终设计开发出的测试系统的硬件平台包括两个部分，分别命名为“多功能信号采集仪”和“电压电流变送器”。将该测试系统运用于某蓄电池的测试，在连接好所有线后，启动程序，然后在程序面板上进行各参数设置，包括采样率、采样点数、通道数和各通道的报警值，最后点击开始，进行各路信号的采集，

测试结果如表1所示。通过表1可以发现，该测试系统的测试结果准确、稳定可靠。

图3 电路原理图

图4 硬件总体架构图

图5 软件流程图

表1 测试结果

5 结束语

本项目设计开发的辅助供电试验台温度、电压和电流测试系统，能够实现多通道、多种不同量程的温度、电压和电流等电池参数的实时采集、显示和记录。将该测试系统应用于某型蓄电池系统的测试，测试结果表明该测试系统具有检测精度较高、工作稳定可靠、使用方便、人机界面友好等特点。

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[3]邓嘉.国产地铁辅助供电系统及蓄电池的选择[J].铁道车辆，2000（21）：90-91.

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[7]陈辉，王磊.机电一体化技术的现状及发展趋势[J].机械，2008，35（7）：35-37.

[8]姜志玲.虚拟仪器技术在测控领域中的应用[J].测控技术与设备，2003，29（8）：33-35.

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Design and Development of online parameters monitoring system for train storage batteries

LI Ning1，XU Guan-ji1，ZHANG Zhi-qiang1，WANG Teng2，QIN Yi2
（1.National Engineering Laboratory for System Integration of High-speed Train（South），CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

In order to keep the storage battery of the train safe and reliable，it needs to monitor the parameters of the storage battery.Based on the hardware and software platforms of American national instruments（IN），the system is designed and developed by using the virtual instrument technology and integrated instrumenttechnology，which overcomesthe shortcomingsofthe commonly used online monitoring system such as the small range and low accuracy.The online monitoring system can monitor，save and playback signals like temperature，voltage and current of the batteries at the same time.When using the system on one storage battery，the result shows that the system has some characteristics such as the simple operation，accurate testing，high stability and friendly interface.

storage battery；virtual instrument；integrated instrument technology；LabVIEW

U292.9；TM912；TP277；TP306

：A

：1674-5124（2014）01-0106-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.027

2013-08-30；

：2013-10-19

重庆市科委自然科学基金计划项目（CSTC，2010BB4227，CSTC2012JJA70003）

李 宁（1980-），男，山东烟台市人，高级工程师，博士，主要从事智能测试与虚拟仪器研究工作。