电力机车蓄电池在线监测系统

刘建伟

【摘 要】在电力机车运行的过程中，对蓄电池总电压、总电流，单个充、放电电压、内阻、温度等各项参数进行实时采集，通过横向、纵向的比较，判定蓄电池的状态，对确保电力机车能够正常运行有重要的作用。随着铁路运输速度的不断提高，铁路机车的安全稳定运行变得日益重要。机车上的许多用电设备都离不开可靠的电源，为此采用蓄电池组作为备用电源，蓄电池工作状态的好坏，对于机车的运行至关重要。蓄电池组在运行的过程中个别蓄电池会因各种故障而失效，造成供电设备不能正常运行。因此，对机车蓄电池运行参数进行在线监测对保证铁路机车安全可靠运行十分重要。

【关键词】阀控式铅酸蓄电池 在线监测 传感器 系统设计

本文以蓄电池运行参数在线监测系统研究为背景，对蓄电池相关技术参数等进行了深入的分析。在现有的电力机车蓄电池在线监测技术的基础上，设计一种新型的电力机车蓄电池在线监测系统，对机车蓄电池运行参数进行在线监测，对于超出判定标准阀值的蓄电池，可以分档次实时给出告警信息，帮助检修人员制定出相应的维护与检修蓄电池的计划。

1电力机车蓄电池在线监测项点

1.1 机车蓄电池电流

蓄电池的容量与其充放电过程有着密切的关系，尤其是蓄电池的初次充放电对蓄电池以后的使用寿命有很大的影响；而对蓄电池有重要影响的是蓄电池的充放电电流，充电电流过大，由于电流沿厚度方向的作用深度有限，活性物质反应只能在蓄电池极板的表面进行，会使得蓄电池不能完全充满电，容量不足，缩短其寿命；放电电流过大会使蓄电池内阻迅速增加，端电压迅速下降，当低于允许电压时，蓄电池的电量已基本放完，不能继续放电。

1.2机车蓄电池电压

常用的检测蓄电池故障的方法就是平时进行的单体蓄电池端电压测量及容量核对性放电试验，在浮充状态下进行的蓄电池端电压测量本身并不能够真实的反映蓄电池的性能状态，只有存在严重故障的蓄电池端电压才会异常，但是性能变差或者存在轻微故障的蓄电池在浮充状态下也能测得合格的端电压；而一旦由蓄电池单独向系统供电，性能变差的或者存在轻微故障的蓄电池放电时，就可能影响整体电池质量，无法保证机车正常运行的供电要求，因此对单体蓄电池和蓄电池组的电压在线监测是非常必要的。

1.3机车蓄电池温度

蓄电池的电压与温度有很大的关系，根据有关资料表明，当蓄电池温度每升高1℃，单个蓄电池的电压将下降约3mV，也就是说，蓄电池的电压具有负温度系数，其值为-3mV/℃，研究表明，在环境温度为25℃时工作很理想的蓄电池，当环境温度降到0℃时，蓄电池就不能充足电，当环境温度升到50℃时会使蓄电池过充电，严重过充电会缩短其使用寿命，温度低于-40℃时，蓄电池虽然还能正常工作，但容量将会下降，因此，对蓄电池的温度监测对延长蓄电池的使用寿命有重要意义。

1.4机车蓄电池内阻

蓄电池的内阻与其剩余容量之间存在很大的相关性（ 大约88%），所以可以通过测量蓄电池内阻来较准确地预测其剩余电量。

1.4.1蓄电池内阻和蓄电池老化

根据蓄电池内阻的大小也可以判断其老化的程度，蓄电池老化与构成蓄电池的材料和部件的损坏的速率有关。固定型阀控铅酸蓄电池寿命一般都规定为在环境温度25℃浮充条件下的使用年限。

1.4.2蓄电池内阻和蓄电池温度

当蓄电池环境温度升高时，电解液的活动就会加强，故蓄电池内阻减少；当蓄电池环境温度降低时，电解液的活动减弱，故蓄电池内阻增大。当温度较低时（一般25℃以下），蓄电池内阻随温度变化显著；当温度较高时（一般25℃以上），蓄电池内阻随温度变化缓慢。

1.4.3蓄电池内阻与蓄电池充放电状态

蓄电池在不同的充放电状态下其内阻值是不同的，满充电时其内阻最小，放电到终止电压时其内阻最大。蓄电池在充电过程中内阻逐渐减小，放电过程中内阻逐渐增大，故障蓄电池充电时内阻减小的速度比正常蓄电池缓慢；放电时内阻增大的速度比正常蓄电池快。

1.4.4蓄电池内阻与蓄电池浮充电压

从单体蓄电池故障现象可知，单体蓄电池发生故障时，其内阻增大，浮充电压上升，但内阻增大和浮充电压上升并不是同时发生的。电力机车蓄电池的内阻与蓄电池的其他参数存在很大的相关性，蓄电池内阻值可以反映蓄电池性能状态。

总之，对电力机车蓄电池运行参数的在线监测对确保电力机车安全、可靠、稳定运行有着重要的意义。对电力机车蓄电池充放电电流的在线监测采用的是一个单独的闭环霍尔电流传感器，而对于蓄电池电压、温度、内阻的在线监测，采用的是一个智能集成传感器，这种传感器集成了电压，内阻，温度三种传感器为一体。

2 电力机车蓄电池在线监测系统设计

2.1系统整体性能要求

（1）故障预报和状态诊断准确率 ≥80%，无漏报；

（2）主机有中文界面，可实时观察蓄电池运行时的电压、电流、温度等参数；

（3）实时显示结果延时不大于1S；

（4）可在线显示、查询，数据可下载到地面软件集中处理；

（5）适应机车工作环境，抗震，工作环境温度范围：-25～+75℃；

（6）程序可在线更新，分析软件有自适应、自学习功能。

2.2系统整体方案

在线监测装置由主机、蓄电池智能传感器、电流传感器等部分组成。电力机车蓄电池在线监测系统分为在线监测及保护装置部分、地面数据分析专家系统两部分；在线监测及保护装置负责数据采集记录、在线状态监控，具有对蓄电池状态初步的判定、提示和警告能力；地面数据分析专家系统包括蓄电池监测信息数据库、专家分析程序、转储、查询、打印等。

3结语

在对蓄电池的基础知识的了解与认识的前提下，对蓄电池的运行参数进行深入分析研究，通过理论的分析与研究，运用传感器的原理完成电力机车蓄电池在线监测系统设计，并进行了现场试验，得到可靠地实验数据，所以运用这套系统基本可以实现机车蓄电池的在线监测。