引言
隨著軌道交通在我國(guó)迅猛發(fā)展，鉛酸蓄電池在軌道交通有著非常廣泛的應(yīng)用。蓄電池作為電源系統(tǒng)核心組成部分，是供電、通信、信號(hào)等系統(tǒng)應(yīng)急保障的最后屏障。不僅是地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)、操作控制正常啟動(dòng)的有力保障，也是通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的守護(hù)。
正常情況下，供電、通信、信號(hào)等系統(tǒng)負(fù)荷使用國(guó)家電網(wǎng)提供的交流電源，但一旦出現(xiàn)市電波動(dòng)或斷電，就需要作為后備電源的蓄電池進(jìn)行應(yīng)急供電，但如果作為最后電源屏障的蓄電池供電異常等，地鐵的各大系統(tǒng)將失效或癱瘓，最終造成系統(tǒng)設(shè)備失效、地鐵停運(yùn)等重大事故。
受到蓄電池的制造工藝以及使用方法、維護(hù)手段不夠準(zhǔn)確等因素的影響，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到免維護(hù)程度，有些甚至只能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的一半，嚴(yán)重影響到軌道交通的安全運(yùn)行。由于現(xiàn)在軌道交通行業(yè)對(duì)于蓄電池的維護(hù)管理手段較少，人工維護(hù)管理為主，對(duì)蓄電池狀態(tài)無(wú)法有效進(jìn)行預(yù)判。如何提高軌道交通行業(yè)的蓄電池維護(hù)管理能力，幫助運(yùn)維人員及時(shí)了解蓄電池工作狀態(tài)，找到落后蓄電池，具有很大的意義。
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蓄電池維護(hù)現(xiàn)狀
蓄電池目前普遍使用的是免維護(hù)閥控式鉛酸蓄電池，相對(duì)于之前開(kāi)口式鉛酸蓄電池，其在使用期間，不用加酸、加水，為了降低人工維護(hù)的復(fù)雜度，增加電池密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，俗稱“免維護(hù)”電池。其實(shí)所謂“免維護(hù)”，僅僅只是針對(duì)加酸、加水和排氣，蓄電池其他狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，還是完全必要的。
2.1 傳統(tǒng)維護(hù)方式
沒(méi)有在線式蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面世之前，后備電源系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)組電壓、組電流、環(huán)境溫度等少量電池狀態(tài)參數(shù)。而電池單體的電壓、內(nèi)阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數(shù)，卻未提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，或使用人工方式，只能靠萬(wàn)用表、鉗形表等儀表進(jìn)行人工來(lái)測(cè)量：
傳統(tǒng)的維護(hù)主要是人工定期巡檢(3個(gè)月或6個(gè)月一次)，通過(guò)手持測(cè)量?jī)x器測(cè)量電池電壓、內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，周期長(zhǎng)，容易存在維護(hù)盲點(diǎn)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。人工測(cè)量不但工作量很大，而且人工測(cè)量精度差、易受人為因素影響，實(shí)時(shí)性和連續(xù)性差。人工測(cè)試大都為定期進(jìn)行，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后失效電池。
2.2 電池運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題
根據(jù)權(quán)威維修結(jié)果統(tǒng)計(jì)，超過(guò)50%的后備電源故障由于蓄電池失效引起的。常見(jiàn)問(wèn)題主要表現(xiàn)為幾個(gè)方面：
(1)、蓄電池實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于電池設(shè)計(jì)壽命
蓄電池的運(yùn)行環(huán)境不佳，難以長(zhǎng)期有效保持在15~25℃，尤其在南方復(fù)雜氣候條件下，蓄電池在前期施工安裝階段已進(jìn)場(chǎng)，長(zhǎng)期處于高溫的運(yùn)行環(huán)境。根據(jù)蓄電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池要求運(yùn)行環(huán)境溫度為20℃-25℃，溫度超過(guò)25℃后，溫度每提高10℃，蓄電池壽命將減少一半。如一般蓄電池使用壽命為10年，若蓄電池長(zhǎng)期在35℃運(yùn)行，蓄電池的使用壽命將在5年以內(nèi)。
(2)、個(gè)別電池老化，引起整組電池容量下降
蓄電池組中容量最小的單臺(tái)電池的容量，即為整組電池可使用的總?cè)萘?，這就是我們經(jīng)常引用的“木桶理論”。電池組整體性能取決于單個(gè)劣化最嚴(yán)重電池。某單個(gè)蓄電池劣化時(shí)，該蓄電池內(nèi)阻一般會(huì)急劇增大，對(duì)于串聯(lián)回路，充電時(shí)最快充滿，放電時(shí)最快到達(dá)截止電壓。即我們常說(shuō)的“一充就飽，一放就光”的現(xiàn)象。若長(zhǎng)期運(yùn)行未及時(shí)處理，將引起整組蓄電池的容量長(zhǎng)期處于低水平狀態(tài)。大部分狀態(tài)良好的蓄電池?zé)o法可得到有效使用，從而慢慢導(dǎo)致大量蓄電池惰性，進(jìn)而使整組蓄電池壽命縮短，后備電源的可靠性也無(wú)法得到保證。
(3)、蓄電池生產(chǎn)質(zhì)量及工藝一致性差
后備電源中，鉛酸蓄電池組是串聯(lián)回路，電壓等級(jí)越高，電池節(jié)數(shù)越多。軌道交通行業(yè)對(duì)電池組運(yùn)行中電壓偏差值有明確的要求：
這不僅僅對(duì)電源充電設(shè)備提出很高要求，同時(shí)也對(duì)電池生產(chǎn)質(zhì)量及工藝一致性提出很高要求。，廠家分批次生產(chǎn)的蓄電池質(zhì)量上存在一定程度上差異性，如果蓄電池出廠時(shí)質(zhì)量嚴(yán)格性得不到保證，那么同一批次的蓄電池中質(zhì)量差的蓄電池也在現(xiàn)場(chǎng)蓄電池成組使用時(shí)，會(huì)因組內(nèi)每節(jié)蓄電池的優(yōu)劣程度不一致，這種程度上的電池混用將加速整組電池快速失效。
(4)、目前后備電源系統(tǒng)只能監(jiān)控整組電池
常見(jiàn)的傳統(tǒng)后備電源系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)組電壓、組電流、環(huán)境溫度等少量電池狀態(tài)參數(shù)。而電池單體的電壓、內(nèi)阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數(shù)，卻無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只能依靠人工方式拿手持設(shè)備檢測(cè)獲取。但實(shí)時(shí)性和連續(xù)性較差，運(yùn)維成本升高的同時(shí)效率也急劇降低。
另外，在一些常見(jiàn)的后備電源系統(tǒng)中，有可能會(huì)配備傳統(tǒng)的電池巡檢儀。電池巡檢儀雖然也能在線測(cè)量，但它主要測(cè)量點(diǎn)對(duì)象是單體電池電壓，而蓄電池的內(nèi)阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數(shù)，卻無(wú)法及時(shí)得到體現(xiàn)。如下圖：
2.3、軌道交通特征
城市軌道交通呈現(xiàn)網(wǎng)路復(fù)雜線路多，單程線路長(zhǎng)，車站呈量多離散狀態(tài)，蓄電池組廣泛分布于城市東西南北不同位置，維護(hù)工作量巨大。
例：廣州地鐵六號(hào)線共32個(gè)車站，按傳統(tǒng)維護(hù)模式，每個(gè)站點(diǎn)的蓄電池組維護(hù)至少需要兩天時(shí)間，整條線路的維護(hù)工作至少需要2個(gè)月的時(shí)間。
分布式在線監(jiān)測(cè)
針對(duì)軌道交通行業(yè)特征及傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)的不足和缺陷，本文提出基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)分布在軌道交通沿線各個(gè)站點(diǎn)的蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，將電池組及單體電池關(guān)鍵參數(shù)：電池組電壓、電池組電流、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體電池溫度、單體電池SOC、單體電池SOH等，通過(guò)以太網(wǎng)或4G方式，將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池個(gè)體自身歷史趨勢(shì)對(duì)比以及蓄電池組內(nèi)個(gè)體間的對(duì)等比較，預(yù)測(cè)存在故障隱患的蓄電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的狀態(tài)預(yù)警和智能化管理。
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
分布式的在線電池檢測(cè)系統(tǒng)由采集層的傳感器，通訊層的收斂電池網(wǎng)關(guān)，以及主站層的系統(tǒng)構(gòu)成。
3.2 采集層
采集層由電池傳感器和組電壓組電流傳感器組成，電流采用開(kāi)口霍爾測(cè)量，無(wú)需拆開(kāi)級(jí)聯(lián)線，便能方便輕松接入。所有的傳感器都是從通訊層蓄電池網(wǎng)關(guān)供電，無(wú)需從電池取電，通訊采用RS485總線，穩(wěn)定可靠。采集器自帶運(yùn)行和告警燈，電池故障，對(duì)應(yīng)的傳感器會(huì)立即有紅燈告警，可以快速定位機(jī)房?jī)?nèi)有故障的電池。單體采集器對(duì)每節(jié)電池的電壓，溫度，內(nèi)阻，液位及漏液進(jìn)行采集。組電壓電流傳感器對(duì)每一組的組電壓，組電流進(jìn)行采集。
3.3 通訊層
通訊層主要是由收斂蓄電池網(wǎng)關(guān)組成，靈活配置，可適用于1-6電池組的監(jiān)控，最多支持420節(jié)電池全部數(shù)據(jù)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)在線估算電池剩余電量SOC，電池健康度SOH，及在均衡度不一致時(shí)執(zhí)行均衡的策略，電池告警的處理，以及實(shí)現(xiàn)提供最多5年的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；通訊接口方面向上提供對(duì)上提供2路485端口 + 1路網(wǎng)口，支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-Rtu 和 Modbus-Tcp協(xié)議，及SNMP協(xié)議，可方便快速接入第三方系統(tǒng)。
3.4 系統(tǒng)層
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方案總結(jié)
基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能有效解決軌道交通行業(yè)蓄電池維護(hù)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)人工方式，傳統(tǒng)的電池巡檢儀，以及目前市面上一些蓄電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，有著一下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：
4.1 替代人工巡檢
基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)蓄電池本地監(jiān)測(cè)裝置，能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)對(duì)軌道沿線各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)行要求的數(shù)據(jù)采集，采集電池組電壓、電池組電流、電池組電壓均衡度、電池單體電壓、電池單體內(nèi)阻、電池單體溫度、電池單體SOC、電池單體SOH等。通過(guò)軌道交通專用數(shù)據(jù)網(wǎng)或數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送至控制中心服務(wù)器。完全可以替代人工巡檢繁瑣的日程工作，把日常維護(hù)巡檢中的危險(xiǎn)性和故障性降到最低，進(jìn)而降低運(yùn)維成本，真正做到各個(gè)站點(diǎn)機(jī)房無(wú)人值守。
4.1 總線供電技術(shù)
市面上的分布式電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，大都從電池取電。電池監(jiān)控模塊從電池取電，會(huì)加快消耗電池電能，更為關(guān)鍵的是，如果電池監(jiān)控模塊因生產(chǎn)質(zhì)量不一致，及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障，會(huì)造成消耗電能的不同，進(jìn)而對(duì)運(yùn)行電池組的一致性產(chǎn)生沖擊，可能造成電池電壓新的不平衡。本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)模塊，采用主機(jī)總線供電技術(shù)，無(wú)需從電池供電，能有效維護(hù)運(yùn)行電池的電壓均衡；
4.2 單體模塊地址自動(dòng)配置
市面上的分布式電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，大都需要人工設(shè)置地址，安裝調(diào)試環(huán)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易出錯(cuò)。本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)主機(jī)，可以一鍵自動(dòng)搜索各個(gè)電池單體監(jiān)測(cè)模塊，自動(dòng)配置通訊地址，無(wú)需人工過(guò)多干預(yù)和設(shè)置，有效減少工程工作量和配置錯(cuò)誤，進(jìn)而很大程度提高調(diào)試維護(hù)效率，減少調(diào)試出錯(cuò)，降低調(diào)試、運(yùn)維成本。
4.3 高精度內(nèi)阻測(cè)試技術(shù)
市面上的電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，兩線制測(cè)試內(nèi)阻居多，根據(jù)內(nèi)阻測(cè)試電路，會(huì)引入導(dǎo)線內(nèi)阻誤差。蓄電池內(nèi)阻是毫歐級(jí)，一旦有導(dǎo)線內(nèi)阻引入，對(duì)蓄電池內(nèi)阻精確度影響較大。人為補(bǔ)償導(dǎo)線內(nèi)阻，將增大調(diào)試工作量，增加調(diào)試、維護(hù)成本，并且補(bǔ)償值難以準(zhǔn)確估算。本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，采用開(kāi)爾文四線制法，消除導(dǎo)線引入的內(nèi)阻誤差，保證測(cè)量?jī)?nèi)阻高精度。同時(shí)，該產(chǎn)品采用近1KHz的內(nèi)阻測(cè)量頻率，有效避開(kāi)常規(guī)UPS工頻干擾，保證了內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
4.4 豐富多樣的測(cè)量數(shù)據(jù)
市面上的電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，大都提供常規(guī)的內(nèi)阻，溫度，電壓，電流及SOC測(cè)量功能，本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，還提供紋波電壓，紋波電流，漏液，液位檢測(cè)等更加豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，通過(guò)后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，更準(zhǔn)確的對(duì)運(yùn)行的蓄電池進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析、健康預(yù)測(cè)分析，優(yōu)化了蓄電池的維護(hù)手段，實(shí)現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)維護(hù)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用年限。
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結(jié)束語(yǔ)
基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)與檢測(cè)上的步驟，節(jié)省了大量的維護(hù)時(shí)間和人力、物力的消耗、降低維護(hù)成本。同時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和甄別落后、失效蓄電池，發(fā)出系統(tǒng)安全預(yù)警，避免事故的發(fā)生，進(jìn)而提高蓄電池維護(hù)質(zhì)量和效率，也提高了電源系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性。全分布式在線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已應(yīng)用于合肥地鐵2號(hào)線、長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線、烏魯木齊地鐵1號(hào)線、成都有軌電車2號(hào)線、哈爾濱地鐵2號(hào)線等軌道交通項(xiàng)目中，取得較好的應(yīng)用效果。隨著軌道交通的快速發(fā)展，新的蓄電池在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品也必將在軌道交通得到更好、更廣泛應(yīng)用。
