新型蓄电池在线均衡与检测系统在城市轨道交通中的应用

朱光文

（中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号设计处，710043，西安//高级工程师）

新型蓄电池在线均衡与检测系统在城市轨道交通中的应用

朱光文

（中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号设计处，710043，西安//高级工程师）

目前，城市轨道交通蓄电池常规维护方法存在很多缺点。为做好蓄电池的维护与检测工作，提出了城市轨道交通新型蓄电池在线均衡与检测系统。该系统已应用于青岛地铁项目。新型蓄电池在线均衡与检测系统的应用实践表明：该系统不仅可弥补蓄电池常规维护方法的缺陷，而且还可整合各种常规检测手段，实现蓄电池的实时在线检测与维护。

城市轨道交通；蓄电池；维护与检测；在线均衡

蓄电池是城市轨道轨道交通中重要的电源设备，也是继配电柜、电源屏、UPS（不间断电源））等核心供电设备后的最核心部分。其在各设备系统中充当了“心脏起搏器”的功能。一旦外部供电发生故障，UPS所配套的蓄电池就必须做到“一键启动”，切实成为行车安全运营的最后一道保障。因此，蓄电池的最大特点就是高可靠性和可用性。蓄电池还有另外一个显著特点——平时很少真正使用。城市轨道交通一般使用的电源都是一级负荷，加之现在的电网质量较高，故很少发生供电故障，蓄电池一般多处于“旁路”或“休眠“状态。另外，大部分城市的地铁使用了免维护蓄电池。出于“免维护”口号的误导，众多用户放松了对蓄电池的日常维护和管理。这就造成了蓄电池早期容量的降低和损坏，使蓄电池不能满足备用时间要求，因蓄电池容量不足或者失效造成的运营故障时有发生。因此，如何做好蓄电池在外电正常状态下的日常维护工作，确保蓄电池在关键时刻不掉“链子”，就成了当前城市轨道交通中重点要考虑的问题之一。

1 传统蓄电池维护及检测方法

1.1 日常巡检

日常巡检是传统蓄电池维护及检测的重要方法之一，主要检查蓄电池组中有无漏液、有无“臌肚子现象”、有无落后电池存在，以及蓄电池连接处有无锈蚀和固定螺钉松动等情况。

日常巡检的缺点为：容易出现维护盲点，不能及时发现已存在的安全隐患。

1.2 定期维护

定期维护主要是定期对蓄电池进行人工充放电试验并测试单体电池的电气特性（如端电压和内阻等），通过预防性维护发现劣化或失效的电池［1］。

定期维护的缺点为：

（1）定期维护周期较为固定，时间一般由各个地铁公司的运营部门确定。大部分运营公司一般都不会少于3个月。

（2）定期维护周期之间，蓄电池组内部出现的单体电池失效不易被发现［2］，极易埋下安全隐患。

（3）定期维护放电测试时，不排除外电突然停电的可能性。

（4）维护前需通知相关部门，协调维护时间，维护期间后备电源供电连续性无法保障。

（5）充放电时间较长，需耗费大量的人力、物力、时间来进行容量核对［3］。

（6）充放电试验过程中，对电量的消耗较大，造成了一定的能源浪费。

2 新型蓄电池在线均衡与检测系统简介

针对传统蓄电池的缺点，本文提出在城市轨道交通中应用新型蓄电池在线均衡与检测系统。

2.1 关键技术及检测方法

（1）实时通信和同步控制技术。新型蓄电池在线均衡与检测系统内置带同步功能的CAN（控制器局域网）总线架构，提高了通信效率。下位机出现异常、告警等情况的时候，可以主动上传。与传统的采用RS485总线的产品相比，通信速率提高了50～100倍，动态响应时间几乎为零，基本达到实时通信和同步控制。

（2）同步测量，多种数据同一时刻采集完成。传统的测量方法采用单ADC（模拟-数字转换器），然后用通道扫描方法进行采集，从第一节开始到最后一节逐节采集。采集一次需要很长时间，并且采集到的电压首尾采集时间点差异大，导致可参考性变差。新型蓄电池在线均衡与检测系统采用多ADC分布采集的方式，不论电池数量多少，2 ms内可以全部采集完成。

（3）电池组能量基本无损耗均衡管理。通过双向数字电源，可实现整组对单体降压充电，也可实现单体对整组升压充电。数字电源的工作效率达到92%以上，能量几乎没有损耗。而传统的充电采用模拟电源，其工作效率只有60%；放电采用被动能量损耗法，其电量全部损耗在电阻上用来发热，能源白白浪费。

（4）正负电流平衡脉冲活化。采用交流脉冲对电池进行活化，使已经出现硫化的电池恢复硫化前的状态。活化电流采用正负活化电流平衡的控制方法，使得电池在活化的过程中只有较少的气体析出，并且在电池满电的情况下也可以进行活化。

2.2 系统的构成

新型蓄电池组在线均衡与检测系统由主站层及采集层构成。

主站层由服务器、PC机、网络设备和主站软件组成，并可根据实际监控均衡装置的数量，调整服务器和PC机的台数。主站实现遥信、遥测、遥控和遥调等功能，实现全网各个站点蓄电池组容量、内阻、电压、电流、均衡度及环境温度等数据的实时在线采集，并且对数据进行统计分析、存储，形成各种报警信息、报表、曲线图及趋势图［4］。

采集层由在线均衡装置和电缆线组成。采集层通过采集模块采集每节电池的电压、内阻、电动势、容量和温度等数据，并发送给主站；也可实时接收远程控制命令，对装置相关参数进行修改，是在线检测、在线活化及在线均衡功能的具体执行装置。

2.3 新型蓄电池在线均衡与检测系统的主要功能

（1）在线均衡功能：新型蓄电池在线均衡与检测系统可自动对单节电池电压进行均衡调整，使其工作在相同的电压状态，可从根本上解决过充或欠充现象，提高蓄电池组运行质量，防止蓄电池组快速老化，延长电池组使用寿命［5］。

（2）在线活化功能：新型蓄电池在线均衡与检测系统能对性能落后的单节电池进行在线活化［6］，对蓄电池内部电极板的结晶和硫酸的沉淀进行激活，防止蓄电池因长期浮充而导致的硫酸盐化，消除从内部引起的安全隐患，确保蓄电池处于最佳状态。其能延长蓄电池组的运行寿命两倍以上，同时还可减少环境污染，具有良好的社会效益和环保效益。

（3）在线检测功能：新型蓄电池在线均衡与检测系统具有对端电压、单体电压、充电电流等数据的巡检功能，同时还具备在线测量内阻、容量、内部电动势等功能，可完全取代现有的蓄电池巡检仪、蓄电池内阻测试仪、蓄电池组容量检测仪及蓄电池活化仪等维护设备，为蓄电池组优化运行提供了全面而完善的解决方案，大大提高了蓄电池设备运行的安全性和可靠性［7］。

2.4 新型蓄电池在线均衡与检测系统与其它蓄电

池检测设备的区别

新型蓄电池在线均衡与检测系统与其它蓄电池检测设备的区别见表1。新型蓄电池在线均衡与检测系统对解决传统蓄电池存在隐患的效果对比见表2。

3 在地铁项目中的应用

3.1 工程应用案例

新型蓄电池在线均衡与检测系统（型号规格为LBE300-30AH16/12A，以下简为“LBE300系统”）于2017年在青岛地铁11号线AFC（自动售检票）维修系统的UPS中投入使用。该UPS采用艾默生FR-UK50L，带16节艾诺斯SBS30蓄电池。LBE300系统运行前后的数据见表3。LBE300系统调试时间为2017年6月2日，LBE300系统运行前的数据测量时间为2017年6月2日，LBE300系统运行后的数据测量时间为2017年6月17日。

表1 新型蓄电池在线均衡与检测系统与其它蓄电池检测设备的区别

表2 新型蓄电池在线均衡与检测系统对解决传统蓄电池存在隐患的效果

由表3可见：LBE300系统运行前的蓄电池内阻最高值为11.504 mΩ，最低容量为91.2%；LBE300系统运行后的蓄电池内阻最高值为10.920 mΩ，最低容量为96.1%。LBE300系统运行前的蓄电池电压均衡度差，有过充欠充象；内阻偏大，电池内部出现硫酸铅晶体；整个电池组容量出现下降。LBE300系统运行后，蓄电池电压平衡，过充欠充现象得以控制；内阻已有所降低；整个电池组容量得以提升，消除了隐患。

3.2 新型蓄电池在线均衡与检测系统的优势

根据实际维修数据，50%以上的电源故障与蓄电池有关。而一旦出现电源故障，则会导致设备断电、重要生产数据丢失甚至引起火灾。蓄电池之所以存在这样的安全隐患，其问题主要在于没有采用先进、有效的检测技术，没有容量和状态特性显示，无法及时预警蓄电池具体能够持续工作多久，何时会突然失效。而且，只要电池组中任意一块电池出现问题，势必会导致整体电压变化，进而影响到整个电池组的质量状况。

表3 LBE300系统运行前后数据记录表

2003年7月14日早晨，因供电设备故障，某市地铁1号线3个车站及区间列车停运，时间长达62 min，造成行车大间隔严重事故。后经事故分析，未及时掌握车辆蓄电池的老化情况是发生事故的主要原因之一。2007年12月7日晚8∶50，某市地铁2号线某站内出现刺鼻浓烟，119指挥中心迅速派调2个中队5部消防车赶赴现场。最终核实为地铁站机房内的2组低压蓄电池因短路冒烟。

采用新型蓄电池在线均衡与检测系统可实时采集电池状态信息，有效避免应电池故障而引起的电源问题，在安全、经济和环保方面极具优势。

（1）安全方面：可实时对在线运行的每节电池进行精准检测，并及时上传到系统后台，让运维人员随时了解电池运行状态；多参数、多视角的精准测量，解决了人工维护巡检盲点的问题，杜绝维护死角，把安全隐患降到最低；即时在线治疗；全方位优化电池运行环境，提高电池运行质量，从根本上保证后备电源的运行安全。

（2）经济方面：延长蓄电池实际使用寿命，大大降低了蓄电池购置投入成本；在线均衡功能打破了“坏一节换整组”的噩梦，实现了“坏一节换一节”的现实，大大降低了电池更换成本；全程在线检测、在线活化及在线均衡的功能实现了“一机多用”，大大降低了用户购买辅助维护设备的成本；全方位的维护模式大幅降低了人工维护成本，全面提高了蓄电池维护工作效率；在线检测及在线活化功能解决了传统“充放电试验”的耗人工、耗时间及耗电量等问题，大大减少了电能的浪费。

（3）环保方面：新型蓄电池在线均衡与检测系统自身耗能低，是节能减排产品；提升了蓄电池的使用寿命，高效率地利用每节电池，降低了大量电池提前报废带来的环境污染；实现了“坏一节换一节”的理想，把电池对环境的污染降到了最低；可替代电池的“充放电试验”，减少了电能的浪费。

4 结语

蓄电池的维护与检测直接关系到城市轨道交通运营及行车安全。通过近年来城市轨道交通行业在蓄电池在线检测技术上的探索和应用，已证明单纯的在线检测和传统的人工维护方式均已不足以支撑当前城市轨道交通技术发展的需要。新型蓄电池在线均衡与检测系统不仅可以弥补常规维护与检测上的不足，还可以在线活化和均衡蓄电池组。新型蓄电池在线均衡与检测系统在青岛地铁11号线调试初期的成功应用，已显现出了常规维护方式所不能比拟的诸多优势。相信不久的将来，该技术必将得到全面的发展和应用。

［1］ 辜先军.成都地铁1号线通信蓄电池的维护改进建议［J］.现代城市轨道交通，2016（1）：26.

［2］ 刘险峰.蓄电池容量在线检测的研究［J］.蓄电池，2009（3）：140.

［3］ 黄祖成，马力，周贤培.一种蓄电池内阻在线检测直流电源系统的研究［J］.电源技术，2016（4）：844.

［4］ 邵慧彬.实用新型蓄电池组在线检测维护系统设计［J］.蓄电池，2013（2）：88.

［5］ 燕玉梅.浅谈使用蓄电池在线均衡系统的必要性［J］.消费电子，2013（22）：49.

［6］ 李宁，邹宇.VRLA蓄电池活化处理方法探讨［J］.湖南电力，2011（31）：61.

［7］ 李国华，张新国，焦彦军.蓄电池内阻检测［J］.电力自动化设备，2003（3）：62.

Application of New Storage Battery On-line Balance and Detection System in Urban Rail Transit

ZHU Guangwen

There are many problems in the maintenance and testing method of the storage battery used for rail transit.For the daily maintenance of the storage battery，a new storage battery online balance and detection system is proposed，which has been applied to a metro project in Qingdao City.The application proves that the new storage battery balance and detection system can not only make up the defects in the conventional maintenance method of the storage battery，but also integrate various routine testing methods，achieving the goal of real-time online detection and maintenance of the storage battery.

urban rail transit；storage battery；maintenance and testing；on-line balance

Author′s address Communication and Signaling Design Division，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，710043，Xi′an，China

TM912；U231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.12.030

2017-03-31）