引言
隨著軌道交通在我國迅猛發(fā)展，鉛酸蓄電池在軌道交通有著非常廣泛的應用。蓄電池作為電源系統(tǒng)核心組成部分，是供電、通信、信號等系統(tǒng)應急保障的最后屏障。不僅是地鐵供電系統(tǒng)繼電保護、操作控制正常啟動的有力保障，也是通信、信號、綜合監(jiān)控網絡安全運行的守護。
正常情況下，供電、通信、信號等系統(tǒng)負荷使用國家電網提供的交流電源，但一旦出現市電波動或斷電，就需要作為后備電源的蓄電池進行應急供電，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)設備失效、地鐵停運等重大事故。
受到蓄電池的制造工藝以及使用方法、維護手段不夠準確等因素的影響，導致蓄電池的使用壽命遠遠達不到免維護程度，有些甚至只能達到設計壽命的一半，嚴重影響到軌道交通的安全運行。由于現在軌道交通行業(yè)對于蓄電池的維護管理手段較少，人工維護管理為主，對蓄電池狀態(tài)無法有效進行預判。如何提高軌道交通行業(yè)的蓄電池維護管理能力，幫助運維人員及時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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蓄電池維護現狀
蓄電池目前普遍使用的是免維護閥控式鉛酸蓄電池，相對于之前開口式鉛酸蓄電池，其在使用期間，不用加酸、加水，為了降低人工維護的復雜度，增加電池密封結構設計，俗稱“免維護”電池。其實所謂“免維護”，僅僅只是針對加酸、加水和排氣，蓄電池其他狀態(tài)參數的監(jiān)測，還是完全必要的。
2.1 傳統(tǒng)維護方式
沒有在線式蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)面世之前，后備電源系統(tǒng)只能監(jiān)測組電壓、組電流、環(huán)境溫度等少量電池狀態(tài)參數。而電池單體的電壓、內阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數，卻未提供實時監(jiān)測，或使用人工方式，只能靠萬用表、鉗形表等儀表進行人工來測量：
傳統(tǒng)的維護主要是人工定期巡檢(3個月或6個月一次)，通過手持測量儀器測量電池電壓、內阻等關鍵參數，費時費力，周期長，容易存在維護盲點，不能及時發(fā)現安全隱患。人工測量不但工作量很大，而且人工測量精度差、易受人為因素影響，實時性和連續(xù)性差。人工測試大都為定期進行，無法及時發(fā)現落后失效電池。
2.2 電池運行維護問題
根據權威維修結果統(tǒng)計，超過50%的后備電源故障由于蓄電池失效引起的。常見問題主要表現為幾個方面：
(1)、蓄電池實際使用壽命遠低于電池設計壽命
蓄電池的運行環(huán)境不佳，難以長期有效保持在15~25℃，尤其在南方復雜氣候條件下，蓄電池在前期施工安裝階段已進場，長期處于高溫的運行環(huán)境。根據蓄電池行業(yè)標準，蓄電池要求運行環(huán)境溫度為20℃-25℃，溫度超過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，若蓄電池長期在35℃運行，蓄電池的使用壽命將在5年以內。
(2)、個別電池老化，引起整組電池容量下降
蓄電池組中容量最小的單臺電池的容量，即為整組電池可使用的總容量，這就是我們經常引用的“木桶理論”。電池組整體性能取決于單個劣化最嚴重電池。某單個蓄電池劣化時，該蓄電池內阻一般會急劇增大，對于串聯回路，充電時最快充滿，放電時最快到達截止電壓。即我們常說的“一充就飽，一放就光”的現象。若長期運行未及時處理，將引起整組蓄電池的容量長期處于低水平狀態(tài)。大部分狀態(tài)良好的蓄電池無法可得到有效使用，從而慢慢導致大量蓄電池惰性，進而使整組蓄電池壽命縮短，后備電源的可靠性也無法得到保證。
(3)、蓄電池生產質量及工藝一致性差
后備電源中，鉛酸蓄電池組是串聯回路，電壓等級越高，電池節(jié)數越多。軌道交通行業(yè)對電池組運行中電壓偏差值有明確的要求：
這不僅僅對電源充電設備提出很高要求，同時也對電池生產質量及工藝一致性提出很高要求。，廠家分批次生產的蓄電池質量上存在一定程度上差異性，如果蓄電池出廠時質量嚴格性得不到保證，那么同一批次的蓄電池中質量差的蓄電池也在現場蓄電池成組使用時，會因組內每節(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
常見的傳統(tǒng)后備電源系統(tǒng)只能監(jiān)測組電壓、組電流、環(huán)境溫度等少量電池狀態(tài)參數。而電池單體的電壓、內阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數，卻無法進行實時監(jiān)測，只能依靠人工方式拿手持設備檢測獲取。但實時性和連續(xù)性較差，運維成本升高的同時效率也急劇降低。
另外，在一些常見的后備電源系統(tǒng)中，有可能會配備傳統(tǒng)的電池巡檢儀。電池巡檢儀雖然也能在線測量，但它主要測量點對象是單體電池電壓，而蓄電池的內阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數，卻無法及時得到體現。如下圖：
2.3、軌道交通特征
城市軌道交通呈現網路復雜線路多，單程線路長，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，維護工作量巨大。
例：廣州地鐵六號線共32個車站，按傳統(tǒng)維護模式，每個站點的蓄電池組維護至少需要兩天時間，整條線路的維護工作至少需要2個月的時間。
分布式在線監(jiān)測
針對軌道交通行業(yè)特征及傳統(tǒng)蓄電池維護的不足和缺陷，本文提出基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測系統(tǒng)，對分布在軌道交通沿線各個站點的蓄電池進行遠程實時監(jiān)測和采集，將電池組及單體電池關鍵參數：電池組電壓、電池組電流、單體電池電壓、單體電池內阻、單體電池溫度、單體電池SOC、單體電池SOH等，通過以太網或4G方式，將數據傳送到服務器后臺系統(tǒng)，后臺系統(tǒng)進行蓄電池個體自身歷史趨勢對比以及蓄電池組內個體間的對等比較，預測存在故障隱患的蓄電池，實現對蓄電池組的狀態(tài)預警和智能化管理。
3.1 系統(tǒng)構成
分布式的在線電池檢測系統(tǒng)由采集層的傳感器，通訊層的收斂電池網關，以及主站層的系統(tǒng)構成。
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，電流采用開口霍爾測量，無需拆開級聯線，便能方便輕松接入。所有的傳感器都是從通訊層蓄電池網關供電，無需從電池取電，通訊采用RS485總線，穩(wěn)定可靠。采集器自帶運行和告警燈，電池故障，對應的傳感器會立即有紅燈告警，可以快速定位機房內有故障的電池。單體采集器對每節(jié)電池的電壓，溫度，內阻，液位及漏液進行采集。組電壓電流傳感器對每一組的組電壓，組電流進行采集。
3.3 通訊層
通訊層主要是由收斂蓄電池網關組成，靈活配置，可適用于1-6電池組的監(jiān)控，最多支持420節(jié)電池全部數據的監(jiān)控，實時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執(zhí)行均衡的策略，電池告警的處理，以及實現提供最多5年的歷史數據存儲；通訊接口方面向上提供對上提供2路485端口 + 1路網口，支持標準的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
基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測系統(tǒng)，能有效解決軌道交通行業(yè)蓄電池維護的難點和痛點，相對于傳統(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)測產品，有著一下幾點明顯優(yōu)勢：
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)測系統(tǒng)，通過蓄電池本地監(jiān)測裝置，能遠程實時對軌道沿線各個站點進行運行要求的數據采集，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、電池單體內阻、電池單體溫度、電池單體SOC、電池單體SOH等。通過軌道交通專用數據網或數據傳輸網，將數據傳送至控制中心服務器。完全可以替代人工巡檢繁瑣的日程工作，把日常維護巡檢中的危險性和故障性降到最低，進而降低運維成本，真正做到各個站點機房無人值守。
4.1 總線供電技術
市面上的分布式電池監(jiān)測產品，大都從電池取電。電池監(jiān)控模塊從電池取電，會加快消耗電池電能，更為關鍵的是，如果電池監(jiān)控模塊因生產質量不一致，及現場運行故障，會造成消耗電能的不同，進而對運行電池組的一致性產生沖擊，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)測模塊，采用主機總線供電技術，無需從電池供電，能有效維護運行電池的電壓均衡；
4.2 單體模塊地址自動配置
市面上的分布式電池監(jiān)測產品，大都需要人工設置地址，安裝調試環(huán)節(jié)費時費力，還容易出錯。本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測主機，可以一鍵自動搜索各個電池單體監(jiān)測模塊，自動配置通訊地址，無需人工過多干預和設置，有效減少工程工作量和配置錯誤，進而很大程度提高調試維護效率，減少調試出錯，降低調試、運維成本。
4.3 高精度內阻測試技術
市面上的電池監(jiān)測產品，兩線制測試內阻居多，根據內阻測試電路，會引入導線內阻誤差。蓄電池內阻是毫歐級，一旦有導線內阻引入，對蓄電池內阻精確度影響較大。人為補償導線內阻，將增大調試工作量，增加調試、維護成本，并且補償值難以準確估算。本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測產品，采用開爾文四線制法，消除導線引入的內阻誤差，保證測量內阻高精度。同時，該產品采用近1KHz的內阻測量頻率，有效避開常規(guī)UPS工頻干擾，保證了內阻測試結果的準確性。
4.4 豐富多樣的測量數據
市面上的電池監(jiān)測產品，大都提供常規(guī)的內阻，溫度，電壓，電流及SOC測量功能，本文提到的基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測產品，還提供紋波電壓，紋波電流，漏液，液位檢測等更加豐富的測量數據?；谶@些數據，通過后臺大數據分析系統(tǒng)，更準確的對運行的蓄電池進行故障預測分析、健康預測分析，優(yōu)化了蓄電池的維護手段，實現蓄電池的狀態(tài)維護，延長了蓄電池的使用年限。
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結束語
基于總線供電的全分布式在線電池監(jiān)測系統(tǒng)，不僅彌補了傳統(tǒng)蓄電池維護與檢測上的步驟，節(jié)省了大量的維護時間和人力、物力的消耗、降低維護成本。同時能及時發(fā)現和甄別落后、失效蓄電池，發(fā)出系統(tǒng)安全預警，避免事故的發(fā)生，進而提高蓄電池維護質量和效率，也提高了電源系統(tǒng)運行安全性和可靠性。全分布式在線電池監(jiān)測系統(tǒng)目前已應用于合肥地鐵2號線、長沙地鐵4號線、烏魯木齊地鐵1號線、成都有軌電車2號線、哈爾濱地鐵2號線等軌道交通項目中，取得較好的應用效果。隨著軌道交通的快速發(fā)展，新的蓄電池在線監(jiān)測產品也必將在軌道交通得到更好、更廣泛應用。
