蓄电池智能监控防爆系统在铁路行业的应用

王建华 徐永成 何飞 加矿栋

（1.兰州局集团公司车辆部 甘肃省兰州市 730000 2.北京智电云科信息技术有限公司 北京市 100097）

对于铁路客车用蓄电池，目前绝大多数使用的是镉镍电池，镉镍电池是以金属镉为负极，氧化镍为正极，氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为电解液的碱性蓄电池。铁路蓄电池充放电频繁，无法确保获得充分放电，导致蓄电池有一定程度损伤，给蓄电池在实际使用中带来不利影响。首先蓄电池在过充或过放电时，有部分水被电解，产生氧气和氢气，氢气和空气混合能形成爆炸气混合物，且其爆炸的上、下限范围较大，蓄电池箱氢气、氧气浓度异常后具有较大的安全隐患；其次电池在充放电过程中，如果温度过高、过低以及充放电电压、电流不稳定，也会造成蓄电池的使用寿命缩短的情况，这会额外增加企业的运行成本。基于上述几种隐患，我们推出了蓄电池智能监控防爆系统，该系统在实时监测的基础上，对于监测参数超出阈值的蓄电池实时给出告警信息，方便检修人员制定出相应的蓄电池维护与检修计划；同时根据历史数据进行分析，预测蓄电池在未来的性能变化趋势。下面我们会从蓄电池相关技术、系统的核心功能介绍等方面来进行详细阐述，并对蓄电池智能监控防爆系统在铁路行业的应用前景进行展望。

1 镉镍电池相关技术及属性特点

1.1 镉镍蓄电池工作原理

镉镍蓄电池是一种在充电时将电能转变成化学能储存起来，而在放电时将化学能转变为电能的装置。充放电时，蓄电池正负极上发生氧化还原反应。蓄电池在充放电时，理论上不消耗电解液，但烧结电极具有较高的孔率，具有吸收或释放水的特性，充电时释放水，使电解液液面升高，放电时吸收水，使电解液液面下降，同时蓄电池的隔膜具有极高的吸液能力，因此，蓄电池在充放电过程中，电解液液面变化较大，在充电后期或过放电时，有部分水被电解，产生氧气和氢气。氢气和空气混合能形成爆炸气混合物，且其爆炸的上、下限范围较大。

1.2 镉镍蓄电池电流

蓄电池的容量与充放电过程有着紧密的关系，尤其是初次充放电对蓄电池使用寿命有非常大的影响；其次蓄电池的充放电电流对蓄电池也有重要影响，如果充电电流过大，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，会造成蓄电池不能完全充满电，容量不足，导致蓄电池寿命缩短；放电电流过大则会使蓄电池内阻迅速增加，造成端电压迅速下降，当端电压低于允许电压时，蓄电池的电量已基本放完，就不能再继续放电。

表1：数据发送频次

表2：浮充电压平均值

图1：浮充电压对比图

1.3 镉镍蓄电池电压

蓄电池故障常用检测方法就是平时进行的容量核对性放电试验和单体蓄电池端电压测量，而在浮充状态下测量的蓄电池端电压本身并不能真实的反映蓄电池的性能状态，但是存在轻微故障或者性能变差的蓄电池在浮充状态下一样能测得合格的端电压，只有当蓄电池存在严重故障时蓄电池端电压才会异常，因此对蓄电池组的电压实时监测是非常必要的。

1.4 镉镍蓄电池温度

蓄电池的电压与温度有非常紧密的关系，根据有关资料表明，蓄电池的温度每升高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/℃，经研究表明，在环境温度为25℃时工作很正常的蓄电池，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℃时会造成蓄电池过充电，而严重过充电会缩短其使用寿命，同时产生氧气和氢气，带来安全隐患，温度低于-40℃时，蓄电池虽然还能正常工作，但容量将会下降，可能无法保证客车的正常运行，因此，对温度监测对延长蓄电池的使用寿命有非常重要的意义。

通过对镉镍蓄电池特性的了解，我们可以非常明确的得到一个结论，那就是对客车用蓄电池运行参数的实时监测对确保客车的安全、可靠、稳定运行有着重要的意义。

2 蓄电池智能监控防爆系统整体介绍

蓄电池智能监控防爆系统是监管蓄电池在运行过程中上述各种参数信息的专业智能设备，系统由蓄电池采集模块、监控模块、网络传输模块、智能分析决策模块、资源管理模块、监控终端等核心模块组成，在监测过程中主要针对蓄电池组的电流、电压、温度、氢气浓度、氧气浓度等指标进行监测，以实现对蓄电池运行状态及蓄电池箱内环境动态感知、实时上传、实时分析、实时预警，为相关客车维护人员获得更加准确和真实的运行状态数据，以解决蓄电池状态监测难、电池故障发现难、安全隐患发现不及时等问题。

蓄电池智能监控防爆系统的智能采集模块主要针对蓄电池组的各种参数指标进行采集。

（1）针对蓄电池电流，蓄电池的容量与充放电过程中有着紧密的关系；其次蓄电池的充放电电流对蓄电池也有重要影响，系统采用开口式电流传感器，极大地提高安装便利性，同时根据采集的电流的大小对其划分为均充、浮充、放电、空载，以便快速了解蓄电池的运行状态。

（2）针对蓄电池电压，平时进行的容量核对性放电和单体蓄电池端电压测量是常见蓄电池故障检测方法，而在浮充状态下测量的蓄电池端电压本身并不能真实的反映蓄电池的性能状态，只有当蓄电池存在严重故障时蓄电池端电压才会异常，因此针对蓄电池组的实时监测具有非常重要的意义。

（3）蓄电池在充电后期或过放电时，有部分水被电解，产生氧气和氢气。氢气和空气混合能形成爆炸气混合物，且其爆炸的上、下限范围较大，因此蓄电池箱氢气浓度尤为重要。

蓄电池监控模块能够对所采集数据进行比对分析并实时上传，网络传输模块主要用于服务器和监控设备的数据连接和传输；资源管理模块能够针对客车、车厢以及蓄电池传感器等设备资源进行实时管理并实现数字化管理；智能分析决策模块能够将原始数据转为可读数据，并保存到指定位置，并基于大数据对蓄电池的运行状态数据进行挖掘分析；监测终端能够为用户提供不同方式的数据查看及报警。进而通过系统提供的蓄电池安全管理和自动化的综合服务，替代人工巡检，有效减少人工巡检的工作量。

3 我国蓄电池智能监控防爆系统在铁道客车上的应用

目前铁道客车大多采用两组镉镍蓄电池串联使用，每组39或40 只单体蓄电池串联，分别置于客车厢体两侧底部，以80 只GNC210 蓄电池为例，其浮充总电压为109.6～112.8V，浮充电流为420mA～1050mA。蓄电池智能监控防爆系统在铁道客车上使用时，需在蓄电池箱内为每组蓄电池安装一个设备，设备两端的电缆连线接入电池箱保险栓的正负极两端，设备固定于电池箱体内侧，并将电缆固定于电池箱内顶端卡线处，电流传感器夹在接正极电缆上，整个安装过程必须操作简单又要牢固。

安装了蓄电池智能监控防爆系统的客车车厢，在进站检修蓄电池时，监控终端有一键生成报告的功能，运行期间有问题的蓄电池组都会汇总在报告中，维护人员对告警蓄电池组进行处理即可，这在工作中提高了维护蓄电池工作的精准度，降低维护成本的同时也将蓄电池的安全隐患全部都排查。

下面我们来看一个应用实例，本次分析是某次列车南北车厢2个电池组在1月17日至2月6日产生的监控数据，其中共包含六种数据源，分别是：充电组电压、放电组电压、组电流、箱内温度、箱内氧气浓度、箱内氢气浓度。本次通过对采集的原始数据进行建模，根据算法对数据进行大数据分析，通过对充放电状态、组电压等监控指标的频数和均值的对比分析。

3.1 数据频次分析

基本的统计分析往往从频数分析开始。通过频数分析电池组在一段时间内的监控数据，从而对不同电池组在同一日期的数据发送频次、充放电状态变化频次进行对比（数据见表1）。

根据数据发送的规则，监控设备每分钟发送一条数据，但当电池组状态发生变化时，会发送新的监控数据，监控数据越多说明电池组状态变化越多，电池组的稳定性越差。从附表1的数据来看，首先，电池组的频次总体上是呈上升趋势，说明随着时间的变化，电池组性能的稳定性是变差的；其次，北侧电池组的频次要高于南侧，说明北侧电池组比南侧电池组的稳定性要差，组电池老化明显。

3.2 浮充电压每日均值分析

浮充电压是体现电池组性能的一个重要指标，对串联的两个电池组的浮充电压按日平均数值进行比较（数据见表2）。

从表2的数据分析，1月17日至1月26日，两个电池组的日平均浮充电压是高度吻合的；从1月27日开始南侧平均浮充电压略有升高，北侧平均浮充电压略有降低，北侧平均浮充电压要明显低于南侧平均浮充电压，说明北侧电池组从27日开始与南侧电池相比性能出现明显下降。

3.3 浮充电压值离散度分析

伴随着电池性能的降低，电池组相对于自身的充放电电压离散度将逐步变大，因此相对于串联电路中其它电池组的充放电电压离散度也将变大。对串联的两个电池组的浮充电压放在一起进行比较得出图1所示结果。

通过上述分析，系统发出告警信息后，列车在入库检修时，运维人员快捷精准地找到该车厢北侧问题电池组，进行维护更换后，确保了列车蓄电池组的良好状态，有效避免了问题电池组的隐患，确保了铁路客车的运行安全。

4 蓄电池智能监控防爆系统在铁路行业的应用前景分析

蓄电池智能监控防爆系统在铁路行业应用很广，比如机车发电车的启动电源，电务段、机务段、通信段、供电段等通信机房UPS蓄电池，同铁路客车车载蓄电池的数量和电压不同，我们有不同型号的智能设备来解决。

我们以铁路客车为例，据2019年中国国家铁路集团有限公司统计公报显示，全国铁路客车拥有量为7.6 万辆，去除动车29319 辆，普通客车量约为4.6 万辆。以每列客车10 节计算合计约46 万节车厢，每个蓄电池箱盖开关一次约需要20 分钟，全国铁路客车蓄电池检修一次，使用该技术可节约近30 万小时，目前客车蓄电池的维护主要使用人工巡检维护模式，而人工巡检维护模式存在着巡检信息少、效率差、问题发现不及时、人力成本高等问题，也无法了解蓄电池的实时运行状态，因此为提高蓄电池的运行效率，减少人为失误，保证铁路客车的安全稳定运行，减少重大事故带来的经济损失，使用蓄电池智能监控防爆系统以提高智能化管理是非常重要的选择。