蓄电池智能监测系统的应用研究

汪海天

摘要：蓄电池的性能和状态对轨道交通行业日常运营维护工作具有重要意义，开发一种蓄电池管理系统对蓄电池的性能和状态进行监测和预测，能够减少人工成本，提高供电系统的可靠度，解决维护难题，具有很高的经济效益和社会效益。

关键词 蓄电池;电池维护;实时监测

1背景及行业现状

随着轨道交通建设规模日益庞大，运营压力陡增，为了保证轨道交通正常运营秩序，提升运营服务水平，需要对相关设备的安全性和可靠性提出更加严格的要求。轨道交通的安全可靠性一直是在其发展过程中被重点关注的问题。其中，供电系统的安全性与可靠性对轨道交通的整体运行发展具有重要的影响。阀控式铅酸电池性能稳定、自放电少、密封、经济等优点而被大量应用。蓄电池作为轨道交通行业供电系统的重要组成部分，一旦故障影响突出，亟待建立更为有效的安全管理系统，对蓄电池进行全面的监测和管理，确保供电系统安全可靠运行。

蓄电池监测系统即是在电池放电和充电状态下测量电池电流及端电压变化，自动取得测试数据并及时发出警报的一套设备。平时蓄电池组接在整流设备上进行浮充（Floating Charge），保持在满充状态下，以备不时之需。蓄电池组自被安装妥当，完成初充电（Initial Charge）及放电试验再充电后，即被加入直流供电系统使用。

据统计，目前国内轨道交通领域供电系统蓄电池有很大比例仅仅依赖定期的人工维护，或者仅仅配套简单功能的BMS系统（电池管理系统）对蓄电池的一些基础参数进行有限的监测和记录。极少有具备实时性能指标监测、关键安全指標监测、智能存储、预警、跟踪和处理的BMS安全管理系统。由于轨道交通领域的站点分散性，人工维护的成本非常高昂，费时费力，且效果不理想，产生如下问题：

1）电池问题：电池内短路、开路、热失控、漏液、鼓包等，导致电池组备电失效，甚至发生火灾等重大安全事故。

2）BMS问题：故障率高、预警机制滞后、安全性能低，不但无法有效管理电池，甚至给运维带来更大的运维压力。

3）人工定期巡检问题：定期进行人工放电测试，并使用万用表、便携式内阻仪、温度仪定期对电池电压、内阻和温度进行测试，不能做到实时监测电池状态。

4）巡检仪器问题：监测电池基本性能参数，无法提供高级参数，也无法记录数据。

由于厂商大力宣传“免维护”电池和用户维护麻痹，以及缺乏更为有效的管理手段等因素，导致在蓄电池的日常维护工作中，维护人员往往只能通过人工维护或通过安装仅有基本参数监测功能的BMS系统了解蓄电池的一些表象参数，而容易忽略和缺乏对蓄电池关键安全指标进行有效的监测和分析。特别是对恶劣使用环境下的蓄电池和使用年限较长的蓄电池尤为重要。

针对上述问题，本文对在线蓄电池管理系统进行了应用研究。

2 系统介绍

为了良好的管理蓄电池，需要对蓄电池的运行状态进行实时监测，采集和记录蓄电池的运行状态，分析蓄电池当前性能，最后对蓄电池的未来性能和运行状态进行一定程度的预测，以达到提醒人员及时保养维护的目的。据此，本文搭建了一种蓄电池安全管理平台。

2.1系统结构

蓄电池安全管理平台由前端智能传感器、监控主机、本地显示和智慧平台系统组成。系统结构拓扑图如图1所示，由三个部分组成：数据采集层、数据分析层、数据管理层。

2.2主要功能

本蓄电池安全管理平台，其具有精度高，高可靠，便于使用和可视化的特点，通过图表化显示，趋势数据一目了然，具有以下五种预警和监测功能：

1）蓄电池开路故障预警

实时在线监测蓄电池组总电压、总电流、温度、单体电压、单体内阻、单体温度、SOC/SOH等性能参数，超限告警。智能提醒更换开路电池，防止电池内部开路造成系统宕机。

2）蓄电池组热失控智能预警

智能监测电池组热失控、漏液绝缘、电池开路、纹波等电池安全关键指标，异常时及时预警。降低热失控风险，防止电池热失控造成的电池发热、鼓包乃至冒烟起火。

3）电池漏液接地监测实时监测

通过智能分析，能够准确定位电池漏液或电池组绝缘失效具体位置。

4）高精度SOC/ SOH检测

采用高精度的传感器，精确掌握当前电池充放电性能和健康状态。

5）AI智能大数据分析

采用智能算法整理数据和报表，输出简单直观的分析结果，能够实现系统级、车站级、线路级、城市级远程统一管理。

蓄电池预警仪软件配合蓄电池状态检测及故障预警仪使用，能够实现包括：电池组的管理、参数设置、趋势分析、通讯设定、时间校正等功能，用户可以利用该软件增加电池组，修改电池组属性、修改报警参数、校正系统时间，提取当前检测数据、提取历史监测数据，还可以对所有检测参量进行时间段趋势变化分析，生成曲线和图标，通过曲线可以直观分析出检测参量在磨时间段的变化过程，通过直方图可以看出单体电池的不一致性等;生成的曲线和图标可以随时打印。

检测内容：

1、电池组参数：组电压、组电流、使用环境温度

2、单电池参数：单体电池的电压、单体电池壳温

3、特殊参数：单体电池内阻

除此之外，系统能够智能分析、输出合理性建议和报告，包括但不限于电池组健康状态、可用寿命评估、风险警告以及放电合规性、充电合规性、故障处理及时性和不同品牌电池质量评比报告。

3.系统应用情况

本系统在南京地铁轨道交通4号线线路机房进行试应用，应用状况良好。

以车站站台门机房内蓄电池组的内阻分析为例，如图2所示为根据一段时间内采集数据得出各组电池内阻变化趋势。根据该图描述的情况，蓄电池组的内阻一致性较差、阻值逐渐上升，系统建议适时更换老化电池组，防范风险。

与人工采集数据比较，采集数据更为精准、避免人为采集造成偏差，采集的数据具有很高的分析价值。系统根据该组数据智能分析，提醒工作人员关注电池使用年限、分析电池健康状态，给老旧电池的更换工作提供了坚实的依据。

4 结论及展望

采用蓄电池安全管理平台，利用网络化、信息化的管理方式，一方面实时监测蓄电池各种参数，在出现故障时，第一时间提醒相关人员赶赴现场进行处理，减少人工，增加系统可靠性;另一方面，记录各项电池历史参数，归纳整理后，可在一定程度上预测电池未来运行状态，为更换旧电池，防范风险提供数据基础。使用网络化管理模式，有助于提升轨道交通供电系统的安全效益、社会效益和经济效益。

未来轨道交通行业的的机房维护工作将向电子化、信息化发展，向形成“动环”系统发展。“动环”系统即是对分布在各机房的UPS、蓄电池、空调、配电柜等多种动力设备及门禁、红外、窗、温湿度等机房环境的各种技术参数进行监控、遥控，具备实时监测、诊断、记录、分析等多种功能，实现对各机房的集中管理、集中维护工作的控制系统。

蓄电池智能监测系统作为其中的一个子系统应当逐步发展，以满足轨道交通行业的需要，保障电池安全运行。希望在不久的将来，能够将本文所述系统深入开发，使其具备纳入“动环”系统的条件，为保障轨道交通行业的运营环境做贡献。

参考文献

[1] 李杰， 徐启禄. 基于云平台的城市轨道交通智能运维系统设计与应用[J]. 城市轨道交通研究， 2021， 24（8）：5.

[2] 邓永祁， 杨将， 阳亦斌. 城市轨道交通信号智能运维系统数据平台研究[J]. 控制与信息技术， 2021（5）：8.

[3]夏益青 ，牛卫星.基于地铁综合监控系统的环境设备监控系统应用技术 [J]  . 城市轨道交通研究 . 2012，第005期

[4]張雪飞 ，钱春阳 ，吕雄杰 . 基于容灾备份的设施温室环境监控系统关键技术的研究 [J] . 江苏农业科学 . 2018，第010期