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(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、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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)提供的交流電源，但一旦出現(xiàn)市電波動或斷電，就需要作為后備電源的蓄電池進行應(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(dǎo)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(shè)計壽命的一半，嚴重影響到軌道交通的安全運行。由于現(xiàn)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(yù)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(xiàn)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(fù)雜度，增加電池密封結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(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(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)，費時費力，周期長，容易存在維護盲點，不能及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)落后失效電池。
2.2 電池運行維護問題
根據(jù)權(quán)威維修結(jié)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(xiàn)為幾個方面：
(1)、蓄電池實際使用壽命遠低于電池設(shè)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(fù)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(jù)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(nèi)。
(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?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劣化最嚴重電池。某單個蓄電池劣化時，該蓄電池內(nèi)阻一般會急劇增大，對于串聯(lián)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(xiàn)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(dǎo)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(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，電壓等級越高，電池節(jié)數(shù)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(shè)備提出很高要求，同時也對電池生產(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，如果蓄電池出廠時質(zhì)量嚴格性得不到保證，那么同一批次的蓄電池中質(zhì)量差的蓄電池也在現(xiàn)場蓄電池成組使用時，會因組內(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(shù)。而電池單體的電壓、內(nèi)阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數(shù)，卻無法進行實時監(jiān)測，只能依靠人工方式拿手持設(shè)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(nèi)阻、溫度、SOC和SOH這些核心參數(shù)，卻無法及時得到體現(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，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(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，通過以太網(wǎng)或4G方式，將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)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(nèi)個體間的對等比較，預(yù)測存在故障隱患的蓄電池，實現(xiàn)對蓄電池組的狀態(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，電流采用開口霍爾測量，無需拆開級聯(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(yīng)的傳感器會立即有紅燈告警，可以快速定位機房內(nèi)有故障的電池。單體采集器對每節(jié)電池的電壓，溫度，內(nèi)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(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(xiàn)提供最多5年的歷史數(shù)據(jù)存儲；通訊接口方面向上提供對上提供2路485端口 + 1路網(wǎng)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(jié)
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(chǎn)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(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(shù)
市面上的分布式電池監(jiān)測產(chǎn)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(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(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)測模塊，采用主機總線供電技術(shù)，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(chǎn)品，大都需要人工設(shè)置地址，安裝調(diào)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(yù)和設(shè)置，有效減少工程工作量和配置錯誤，進而很大程度提高調(diào)試維護效率，減少調(diào)試出錯，降低調(diào)試、運維成本。
4.3 高精度內(nèi)阻測試技術(shù)
市面上的電池監(jiān)測產(chǎn)品，兩線制測試內(nèi)阻居多，根據(jù)內(nèi)阻測試電路，會引入導(dǎo)線內(nèi)阻誤差。蓄電池內(nèi)阻是毫歐級，一旦有導(dǎo)線內(nèi)阻引入，對蓄電池內(nèi)阻精確度影響較大。人為補償導(dǎo)線內(nèi)阻，將增大調(diào)試工作量，增加調(diào)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(chǎn)品，采用開爾文四線制法，消除導(dǎo)線引入的內(nèi)阻誤差，保證測量內(nèi)阻高精度。同時，該產(chǎn)品采用近1KHz的內(nèi)阻測量頻率，有效避開常規(guī)UPS工頻干擾，保證了內(nèi)阻測試結(jié)果的準確性。
4.4 豐富多樣的測量數(shù)據(jù)
市面上的電池監(jiān)測產(chǎn)品，大都提供常規(guī)的內(nèi)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(chǎn)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(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，通過后臺大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，更準確的對運行的蓄電池進行故障預(yù)測分析、健康預(yù)測分析，優(yōu)化了蓄電池的維護手段，實現(xiàn)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(jié)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(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，進而提高蓄電池維護質(zhì)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(yīng)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(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)測產(chǎn)品也必將在軌道交通得到更好、更廣泛應(yīng)用。
