轨道交通行业蓄电池检修维护创新尝试

陈文

摘要：根据目前轨道交通行业蓄电池的故障情况，重点分析目前行业内对蓄电池的维护运营存在的困难点和蓄电池的隐患，针对蓄电池的运营管理提出基于PHM的在线实时监测的维护手段，采用高精度单体监测模块采集蓄电池的电压、内阻、温度、组端电压和组端电流等数据。通过后台软件智能分析蓄电池个体自身历史趋势对比以及蓄电池组内个体间的对等比较，预测存在故障隐患的蓄电池，实现对蓄电池组的状态修和智能化管理。并可远程对蓄电池组进行在线充放电，提高了蓄电池维护的效率和质量，从而避免事故的发生。

【关键词】地铁;蓄电池;故障预测与健康管理;在线实时监测

1.现状分析

随着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，我国的城市轨道交通迎来了快速发展期，地铁已成为大城市基础设施、城市公共交通的主要形式。地铁中蓄电池的十分广泛，无论在变电所、信号、通信还是车辆电源设备中，蓄电池作为备用电源在系统中起着极其重要的作用。

正常情况下，蓄电池处于浮充备用状态，而在市电中断或其它电源事故状态下，蓄电池作为电源设备的后备能源供给者，一旦出现问题，电源系统将面临瘫痪，可能造成大范围的设备停运及其它重大运行事故。

蓄电池组作为轨道交通设备运行的保障能源，是电源系统的最后一层保障，至关重要。但是近年来轨道交通事故中因蓄电池故障造成事故扩大事件时有发生。

随着地铁线路的发展、站点数量不断的增加，设备维护的压力也随之增大，但是运维人员的数量却非常有限。日常的巡检由于站点和机房的分散，对于人员的消耗比较大。目前业内多是对蓄电池进行简单的巡检，对于蓄电池的维护来说是远远不够的，蓄电池的隐患来之突然，轻则发热损坏系统设备、重则起火引燃机房。因此，需要尽快对蓄电池组通常的管理维护进行改变，减少人力物力的消耗和工作量的繁重，让蓄电池的运行更加安全，更有保障。

2.问题分析

2.1蓄电池自身的性能缺失

目前轨道交通行业中，基本采用的都是阀控铅酸蓄电池（VRLA），俗称“免维护”蓄电池，所谓“免维护”仅指无需加水、加酸、换液等维护，其无需维护的优点，也正是容易导致维护管理上的疏忽点。

（1）从近几年轨道交通行业有关蓄电池故障的材料显示，由于电池本身的质量问题，如材料、结构、工艺的缺陷及使用不当等原因导致蓄电池过早失效的情况时有发生。

（2）阀控式密封铅酸蓄电池故障的原因很多，如电池失水过多，甚至干涸而引发的一系列性能变坏的问题，如内阻增大，热失控、电池性能不均匀，个别电池提前失效等，缺乏相应的性能监控及检测手段。蓄电池的现状说明蓄电池的性能还有待提高，从维护和管理方面还需不断完善。

2018年7月某地铁站点的环控电控室BAS蓄电池发生火灾事件，导致BAS蓄电池柜和PLC柜严重烧毁，现场处理火灾的时间较长，对地铁线路影响非常大。后经分析查明，火灾原因是因为现场温度较高，导致蓄电池的性能和寿命降低，该蓄电池组处于充电的状态下，蓄电池内部产生了一定量的氢气，压力过大无法正常排出导致内阻偏高，而内阻偏高会引起在充放电时的蓄电池温度升高、发热，最终造成此次蓄电池严重火灾的事件发生。在此次事故发生前，该站点蓄电池组刚进行过周检修，并未发现问题。由此可知，仅仅是例行的检查并不能达到深度故障预警的作用，预防工作仍需加强。蓄电池故障来的突然，人工巡查无法达到要求，若能够对蓄电池进行在线实时监测系统，即可在事故发生前进行处理，将损失降到最低。

2.2蓄电池组管理维护的难点

由于轨道交通行业的独特性，在蓄电池组的日常巡检和年检的计划中，主要会遇到以下几个难点：

（1）轨道交通行业地铁站点的分散、各个系统对蓄电池组的规格要求不同，使得蓄电池组的种类较杂、数量不一，管理和维护的压力比较大。目前市场上的蓄电池在线监测产品，只是简单的监测蓄电池的浮充电压，根本无法达到分析蓄电池性能目的。

（2）按照业内通用的蓄电池维护规程，蓄电池定期维护的主要内容包括：浮充总电压和单体电压检测、温度监测、核对性放电试验、容量试验等。维护所需的时间长、设备多、工作量大，而且仍可能无法满足维护管理需求，无法实时排查出有安全隐患的电池，导致蓄电池的使用寿命经常远低于预期。

（3）定期的内阻测试、核对性充放电测试工作仍然采用人工模式，采集数据后还需通过人工分析数据，判断蓄电池性能状态，耗时耗力，数据量大时更容易出现疏漏。

3.解决方案

3.1基于PHM的蓄电池远程充放电监测系统

针对轨道交通行业蓄电池组的困难点和蓄电池本身的性能缺点，我们提出基于PHM的蓄电池远程充放电监测系统来对蓄电池进行维护管理和保护，通过对蓄电池组进行远程监测和数据采集，后台软件进行蓄电池个体自身历史趋势对比以及蓄电池组内个体间的对等比较，预测存在故障隐患的蓄电池，实现对蓄电池组的状态修和智能化管理。

（1）蓄电池远程充放电监测系统，通过监测蓄电池组的组端电压、组端电流、温度、内阻等指标，并且对指标进行实时监测告警，智能分析，达到设备运行质量分析及故障预警的目的，提高蓄电池运行安全性。

（2）為了确保系统的安全性以及提高数据测量结果的精度，监测系统采用光电隔离器和内部电路板进行隔离。单体监测模块设计为双接口的接线模式，相邻的蓄电池单体之间采用串联总线进行连线，摒弃繁琐的接线方式，单体监测模块独立供电，保证了系统的稳定性和美观性，并且在产品的精度上也有所提高。

（3）监测系统中采用目前行业先进的电源变换技术和精密测量技术，并且结合阀控式密封铅酸蓄电池的特性，对蓄电池的工作状态和健康性能进行综合分析，有效的解决蓄电池过早失效和性能下降等方面的监测难题。

（4）蓄电池远程充放电监测系统充放电功能通过“无缝连接技术”，将全在线充放电节能模块改造安装到蓄电池组充放电回路中，确保蓄电池组保持实时在线的状态，若放电过程中市电突发中断，蓄电池组会立即切入供电工作状态进行供电，保障系统安全。蓄电池组放电过程中，如果达到系统预先设定的容量、电压、时间等指标阈值，系统会自动转换为充电模式，对蓄电池组进行充电恢复。图3为蓄电池监测系统的拓扑图。

（5）采用MOS管控压原理，结合CDC电路，实现恒流和恒功率放电测试。并且内部使用多个电容器并联放电，进行冲击电流测试，模拟动作时的放电能力，保证瞬间大电流情况下设备正常进行放电。最终，平台通过对蓄电池电压、电流、内阻和充放电数据的综合分析，建立蓄电池健康状态评估模型，智能预估蓄电池容量情况。

3.2蓄电池远程充放电监测系统案例

2018年1月份，由福州地铁集团有限公司运营分公司牵头，引导福州福光电子有限公司对福州地铁1号线某站点民用通信机房的蓄电池组加装蓄电池远程充放电监测系统。系统上线运行期间，能实时对蓄电池的单体电压、温度、内阻、组端电流、组端电压等参数进行监测，一旦监测数值升高或降低超过预设的阈值，系统会自动进行提示警报。同时系统能对蓄电池的内阻数据进行自身历史趋势对比及组内对等比较，若蓄电池的内阻值超过自身历史数据的130%（每年），或者高于组内蓄电池内阻平均值的110%（实时），系统会判断蓄电池存在故障，需要进行活化或者更换。

期间多次通过远程操作对蓄电池组进行放电测试，系统能对采集的各类数据的进行比对和计算，判断每节单体电池的实际容量值，实现蓄电池组的健康预测，并且生成所相应的数据报表。在测试过程中，电压、温度、电流等数据与实际测量值偏差在1%以内。

系统上线一年以来，减少了日常巡检记录的繁琐过程、省去了年检核对性放电测试的麻烦，最重要是有效预警了两节问题电池，检修人员能第一时间对问题电池进行处理，把预防工作做到最优。通过远程的放电测试，将原先需要2人协作，利用3台设备才能完成的放电测试缩减为1人即可完成，无需下到站点机房，在网管值班处即可完成所有的操作，采集到所有的数据，更具有安全性、稳定性。

4.经验总结

对于目前业内蓄电池组的维护运营存在的困难点和蓄电池组的隐患分析，我们通过加装基于PHM的蓄电池远程充放电监测系统对蓄电池的维护进行优化，主要有以下幾点优点：

（1）实时在线对蓄电池的电压、温度、内阻、充放电电流等参数进行远程监测，能精准监测蓄电池老化、短路、过载、发热等故障情况，确保轨道交通电源系统的安全可靠运行，并能达到故障预警的目的。

（2）蓄电池组远程充放电监测系统中采用了故障预测、健康预测等多种管理手段对轨道交通蓄电池组进行管理，实现了对蓄电池组实时数据的管理和分析。通过对蓄电池的监测，优化了蓄电池的维护手段，实现蓄电池的状态修，延长了蓄电池的使用年限。

（3）省去了日常检修维护人力、物力的消耗，更把日常维护巡检中的危险性和故障性降到了最低。站点机房无需安排人员进行蓄电池日检，年检放电测试也无需现场2人配合操作记录，按照1条地铁线路24个站点48组蓄电池计算，单站蓄电池监测系统造价约为4万元，约可减少4名人员配置，效益及安全性上均存在优势。

5.结束语

综上所述，基于PHM的蓄电池远程充放电监测系统既满足轨道交通行业电源系统的日常维护需求，节省了大量的维护时间和人力、物力的消耗，也从根本上提高了对蓄电池健康维护的效率和质量。随着锂电池、镍氢电池等新型电池的快速发展，尤其是锂电池已经在上海地铁、南京地铁进行了小范围的试点，轨道交通行业需要对新型电池的维护技术进行关注与储备，如：锂电池的充放维护技术、电池均衡维护技术、BMS数据接入技术、氢气泄露检测等等。本次车站蓄电池试点项目的成功实施，为后续车载蓄电池的远程监测管理研究提供了基础，下一步福州地铁也将逐步开展这些新型电池的维护技术研究。

【参考文献】

[1]乔辉，夏国强.车辆段检修设备蓄电池常见故障及维护方法[J].中国高新区，2017（17）：114.

[2]李建豪，余益祥，张时东.蓄电池在线监测系统的研究分析[J].科技创新导报，2019，16（11）：116-117.

[3]程世军.机车蓄电池故障分析及在线智能监测系统研究[J].山东工业技术，2018（22）：160.

[4]丁聪，黄赟，王天翔，柯成.蓄电池在线检测技术原理分析[J].上海节能，2018（05）：332-336.