一种电动列车蓄电池充放电实时监测技术与系统

2015-10-31解嵩博

中国科技纵横 2015年15期

关键词：充放电蓄电池列车

解嵩博

（同济大学，上海　200092）

一种电动列车蓄电池充放电实时监测技术与系统

解嵩博

（同济大学，上海200092）

本文主要介绍了目前轨道交通列车车载蓄电池的特性，如何提高其在列车运营时的可靠性及安全性，如何提高对其进行维护时的检修质量及检修效率。文中提到了对车载蓄电池充放电过程中的困难及问题——工作强度大、工作效率低、工作环境差。创新性的提出设计一套蓄电池充放电实时监控系统，监控蓄电池充放电过程中所必须要监控的数据，并能对其中存在问题的数据进行删选，提醒检修人员及时找到有故障隐患的蓄电池。解决了困扰蓄电池充放电工作的主要问题，提高了蓄电池的运营质量，保证了列车在行驶过程中的运营安全。

车载蓄电池实时监控工作效率运营质量运营安全

1　背景

轨道交通电动列车车载蓄电池主要所采用的是碱性电池，在列车运营过程中，蓄电池始终处于浮充电过程中，完整的充放电过程在列车运营过程中基本不会出现。因此，列车运营一段时间以后，蓄电池的充放电性能会下降，影响到蓄电池在列车运营过程中的使用效果，极易引起列车因亏电而迫停，引起救援；更有甚者，当列车遇到触网失电或者其他异常情况，需要长时间使用车载蓄电池时，其工作时间往往无法满足供给车载应急设备（应急照明、应急通风）45分钟的必须要求（上海地铁11号线技术招标要求，7.4.1蓄电池的容量必须保证列车的紧急负载工作45分钟），情况严重的，会引起蓄电池自燃、自爆等，可能会引起人员伤亡。

图1　蓄电池充放电检测设备接线原理图

所以，如何保质保量的完成对车载蓄电池的维护保养，是一个值得研究的技术问题。根据各个电动列车车载蓄电池维护手册：

（1）在对蓄电池进行充放电过程中，为确保车辆的充电系统在规定的电压和电流限制内运行需要进行如下工作：1）安装一块钳式电流表；2）将一块电压表连接到电池端子上测量电池电压；3）以上数据需要在充放电过程中定时测量；（上海地铁1 1号线维修手册MMWM0302_蓄电池，5.4.2.4）。

（2）为进行容量测试，将电池与充放电逆变器连接，然后按如下方式：1）用28A的电流放电直至蓄电池电压为1.00V/单体；2）中断至少12小时（冷却阶段）；3）用28A直流电给蓄电池充电7.5小时；4）中断至少2小时；5）蓄电池用28A电流放电至1.00V/单体；6）分别读取并记录容量试验第5步后，3.5小时、4小时、4.5小时甚至5小时之后的各个蓄电池的电压。（上海地铁9号线车辆维护保养、检修及大修手册第3.37卷蓄电池，2.3节）。

图2　改进前后工时对比

根据以上维修手册的要求，为确保充放电设备在规定的电压和电流限制内运行，保证对蓄电池充放电的质量，检修人员在蓄电池充放电过程中需要每隔一段时间对所有的蓄电池电压电流进行测量并记录，而对完成一组蓄电池的充放电作业需要30个小时，可以说工作强度非常大。并且，在在测量蓄电池充、放电期间，工作人员在使用设备测量时，需要将表棒接触电平液，容易造成腐蚀；而且，长时间重复测量，容易造成接触误差、视觉误差、疲劳误差等多种累积误差；此外，在蓄电池充、放电过程中，由于电解液的电解作用，电离子游动造成电解液产生“沸腾”现象，有毒气雾不断从补液口冒出，吸入人体后，容易造成工作人员的身体危害。

如何减轻轨道交通电动列车蓄电池充、放电工作的劳动强度，提高工作效率及质量，减少有毒有害气体对人体的伤害，是摆在我们面前的迫切任务。为提高蓄电池充、放电各项工艺的质量，减少有毒有害气体对人体的伤害，同时减轻工作人员的劳动强度，提高工作效率，有必要开发并设计一种通用的电动列车蓄电池充放电实时监测技术与系统。

2　技术方案

在国内地铁行业中，使用自动化设备对列车蓄电池充、放电电压的测量无实时监测的先例。我们设想通过设置有反馈信号的仪表，采样蓄电池充放电过程中的电压、电流信号，信号实时传输到两个地方，实时显示屏幕以及实时监测主机，可以做到依靠人员或电脑实时监测每节电池的电压、电流数据变化。在实时监测过程中，实时监测系统的主机能够将实时数据与工作人员预先设置进系统的标准数据进行对比，一旦某节电池数据出现异常时，通过数据对比能够及时判断出来，并且通过蜂鸣器及时报警，并提醒工作人员异常蓄电池的位置，方便工作人员采取相关操作措施，分离有问题的电池，以达到对蓄电池的维护，提高蓄电池使用效率的目的。在设计方案时，为避免某节蓄电池、电压表发生故障时损坏其他设备，可通过每条线路中的保险丝和限流电阻的保护，以达到其它线路能够正常工作。

图1为部分接线原理图。

在确立制造方案时，必须根据现场使用的实际情况“量身定做”，在选材时充分考虑蓄电池自身组成的特殊性。由于蓄电池自身的碱性具有腐蚀的特性，系统必须采用专用的夹具、耐酸碱导线等，保证设备在使用过程中不会因腐蚀而发生异常。

同时，为确保设备在实际应用中达到蓄电池充放电要求，因此在制作完线路图后，使用电子工作平台EWB进行模拟仿真测试，对各种可能发生的工作故障及意外情况均作了试验，在各项测试指标均达到设计要求后，再执行于实际制造。

3　系统设计

在线检测系统主要功能是对镍镉蓄电池组中每一个蓄电池的端电压进行巡检，其工作方式分为实时监测和定时监测两类，定时监测的时间间隔由用户根据实际需要设定，用户可随时切换实时与定时监测两种工作模式，通过监视器显示电压、内阻曲线实现对单个及整体蓄电池的监测操作。可完成曲线显示，图表打印，图形保存，历史数据回放多种管理功能，设置越限报警电压如有异常情况立即发出报警信号。

它的技术难点如下：（1）每只单体电池检测模块内部均设计了输入过流保护，即使模块内部电压短路也不会损坏被测蓄电池组。（2）如何提高抗干扰性能，确保工作稳定可靠。（3）为了不影响蓄电池组的正常使用，采用低功耗设计。（4）通过放电过程，发现性能不符合要求的单节蓄电池。（5）通过软件计算电池容量。（6）对电池组进行实际容量测试的目的在于能够准确掌握电池组的实际放电能力，根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰。

图3　使用万用表测量蓄电池；使用蓄电池充放电实时监测设备

4　应用示范及效果

以上海地铁11号线AC16型车辆为应用示范对象，在使用自今的实际情况统计中，经过充、放电检修的蓄电池各种工艺指标完好，能量充足，测量数据可靠，从而充分确保了地铁列车的安全运营系数。在工作效益和社会效益预测的统计中，由于蓄电池充、放电实时监测设备的制造及使用，降低了工作人员的工作强度，减小了工作人员长期与有害气体接触的时间，直观及时地了解了蓄电池的充、放电的实时情况，从而提高了的工艺质量。从效益上来说，有以下几个方面：

（1）经济效益。该设备的成本造价为5万元人民币，但是通过该设备的利用，避免了原本使用万用表测量蓄电池表棒接触电平液容易造成腐蚀现象；并且大大节约了作业时间，降低了劳动强度，提高了列车维修进度，很好地增加了潜在的经济效益：一列车蓄电池的充、放电需要4个人，现在只需要2个人。时间节约了工时144小时。全年24列车共节约工时3456小时。如果以一个工时￥15计，相当于每年节约了￥51840。如图2所示。

（2）工作环境。蓄电池充放电实时监测设备的使用，不仅使员工直接面对蓄电池的时间减少了，呼吸有毒废气的时间也大大减少了，从而保障了员工的身体健康。如图3所示。

（3）社会效益。由于轨道交通电动列车上所使用的蓄电池结构原理基本相同，每种蓄电池都需要进行定期充放电的工作，也都需要监测在充放电过程中的电压，蓄电池充、放电实时监测设备可以适应目前所有的轨道交通电动列车，对其的使用具有可推广性。蓄电池充、放电实时监测设备的使用，提高了蓄电池的工作质量，减小了蓄电池引发故障的可能，保证了地铁列车的安全运营系数，让市民放心乘坐地铁。