川藏铁路成雅段蓄电池在线监测、维护技术研究

林霖

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）

1 引言

蓄电池是铁路通信系统重要的电源设备，在完全失去外供电源的情况下，由蓄电池组承担全部系统的用电负荷，成为行车安全及运营的最后保障。因此，就铁路运营安全而言，蓄电池可靠性非常重要。一般情况下，各通信机房内使用的是开关电源和UPS（不间断电源）。蓄电池组在正常情况下进行热备，由开关电源对其浮充电。因此，使用蓄电池的机会少之又少。现阶段的维护方式为人工定期巡检，但难以发现故障蓄电池；由于安装空间的限制，人工排查十分不便；即使发现了某一节故障电池，也无法立即修复，且当其拖垮整组电池时，被迫更换整组电池，耗费大量成本；由于川藏铁路环境的特性，沿线区间基站、中继站等位于偏远地区的蓄电池组人工维护起来更加不便。因此，需要对其进行在线监测与维护，提供新的解决思路。

2 蓄电池组在线监测内容及方法

2.1 在线监测内容

对蓄电池组中每块单体电池电压、内阻、容量、电动势；对电池组组容量、内阻、电压、不均衡度、环境温度、充（放）电电流等各项数据的采集。实现在线自动监测每节电池各个参数，实时存储数据[1]。

2.2 蓄电池容量与内阻的关系及监测方法

随着使用时间的增长蓄电池极板会出现硫化，另外极板活性物质脱落而导致电池容量下降，当电池容量下降到一定程度时（约75%），蓄电池性能开始快速下降，从而使电池组容量迅速下降，放电时长迅速枯竭，这时电池组已存在安全事故隐患，如何掌握蓄电池组容量成为维护人员面临的难题。

蓄电池充放电学反应方程为：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，蓄电池放电能力根据不同的温度和负载而有所不同[1]。随着蓄电池不断充电，内部电解质逐渐增多，导致内阻逐渐减小，反之逐渐增大。因此，可以通过测量蓄电池内阻间接获取蓄电池容量的大小。

其次，蓄电池和电池组在运行过程中，蓄电池组是将每个单体电池进行串联，某一个单体电池因老化内阻逐渐变大，容量逐渐变小时，会导致充电时各单体的充电电压根据内阻不同而不同，这样易造成单个电池的欠充或过充现象，使蓄电池组使用寿命降低。

再次，目前铁路利用环境监控数据采集模块监测蓄电池组单节电池的电压、电流及温度。但现在电源及环监设备、蓄电池厂家众多，产品间接口无法统一，目前铁路仅要求将蓄电池组电压、电流、温度进行监测。无法了解电池充放电能力，需要铁路运营人员定期进行人工充放电测试，测试过程烦冗复杂且时间间隔较长，无法有效预防蓄电池失效，引起供电隐患。

1）定期维护周期较为固定，一般间隔不少于3 个月，期间单体电池失效无法发现；

2）充、放电时间较长，维护时蓄电池为各系统供电无法保障；

3）维护前需通知、协调相关部门，需耗费大量的资源[2]。

最终，相对于传统维护方式，监测蓄电池各单体电池内阻对系统产生的影响比较小，并可以在蓄电池使用的过程中测量，适合川藏铁路的特点，减少人力维护的工作。

2.3 蓄电池内阻监测原理

总体上，电池开路电压V0，当以电流I放电时其端电位V，根据r=（V0-V）/I计算得出。然而蓄电池内阻会跟随工作状态和环境而改变，其内阻r包含这复杂而变化的成分。理论公式指出，电池在充电和放电其端电压V为：

从式（1）可以看出，蓄电池内阻主要包括了欧姆内阻RΩ、浓差极化内阻和活化极化内阻其中，欧姆内阻包括了蓄电池内部的全部零件的电阻，虽然随着蓄电池使用会引起RΩ变化，但是在测量过程中认为内阻不变；浓差极化内阻是因为蓄电池内离子浓度跟随反应增加或减少导致离子浓度变化，使得浓差极化内阻随之变化；极化内阻是电化学反应引起蓄电池正、负极极化引起的内阻。

直流放电内阻测量法：根据图1 内阻测试电路原理，当有阶跃电流i（t→0）流过时，可以得出在不同电流Ia、Ib下的电压变Ua、Ub来计算内阻值，由E-IaR=Ua、E-IbR=Ub得：

测量时，首先让电池正常工作测得Ia、Ua，蓄电池通过一个瞬时阶跃直流电Ib，测量此时电池正负极之间的电压Ub，并根据公式得出当前的电池内阻。

图1 内阻测量方法

交流放电内阻测量法：交流方法相对直流法要简单。在电池正、负两极加上交流电压，U=Umaxsinωt，测得产生的交流电流i=Imaxsin（ωt+φ），即阻抗是与频率有关的复阻抗，其相角为φ，而其模r=|Z|=Umax/Imax。

2.4 直流法测内阻优势

1）交流测内阻由于馈进电压Umax幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级。因此，产生的电压变化ΔU=Ub-Ua幅值也在微伏级，测量过程容易受干扰而引起误差，对信号要求较高。相反直流测量受干扰度较小，经过多组多次测量，理论上精度误差可以控制在10%以内。

2）直流测试法误差会随者电流曾大提而减小，测试时电压2 次读数精确，数据样本变化小。

3）测试电流大，不对系统产生任附属信号，将流经电池的交流信号忽略掉，也不受充电回路波纹电压的影响，能有效地测量直流参数。因此，瞬间直流放电法可屏蔽高噪声环境影响（如高频充电机）对电池进行在线测试。

4）数据可比性强，可以保证整组所有电池数据在同一状态（充电、温度、负载、容量等）下测得，数据具有良好对比性，确保各功能都能有效地结合起来并统一进行同步点对点测量，消除了异步测量造成的不可比性。

2.5 后台蓄电池性能分析功能

监测系统由主站层、汇聚层、采集层组成。主站层设置在成都调度所，由服务器、PC 机、网络设备和主站软件组成。汇聚层设置于成都西，蓄电池监控管理机和通信网络组成，是数据的集中和转发中心，蓄电池监控管理机汇聚在线均衡装置数据。

采集层设置于信号楼、区间基站、信号中继站等通信机房，实现对铁路全线通信节点-48V 开关电源设备中蓄电池内阻、电压、容量、电流、均衡度、温度，每节电池内阻、电压、容量等数据采集上传，通过上述方法分析电池状态，提供满足维护需求的各种电池容量信息和数据图表等，通过内部局域网显示在各维护机构设置网管或复示终端上[3]。

3 蓄电池组在线均衡方法

3.1 在线均衡原理

成都至雅安段铁路共12 个通信机械室内高频开关电源蓄电池组新设通信在线均衡系统采集层设备。电池的荷电状态参数为均衡对象，当单节电池工作与其他单节电池工作参数存在差异时，在线均衡系统可自动对单节电池进行均衡调压充电，使单节蓄电池的电压、内阻、容量等状态保持一致，从根本上解决单节电池过压、欠压充电现象，提高整体蓄电池工作质量，防止因蓄电池过压、欠压充电而导致蓄电池组迅速衰竭。

3.2 实验结果分析

通过比较2 组蓄电池中单节电压可以得出结论，在均衡后各单节电池电压趋向一致，减少了单节电池之间的差异，整体性能得以提高。

4 蓄电池组在线活化方法

4.1 在线活化原理

以往的经验和研究表明：正常使用蓄电池不能阻止极板硫化和延长蓄电池充放电循环寿命，但各种脉冲充放、电具有延长使用寿命效果。通过测量每节蓄电池的内阻，并比较它们之间的差异，将内阻超过平均值的单节电池在线活化。

1）大电流充电法：采用大电流充电能使大的硫酸铅结晶体电解和活化，预防和削弱极板硫化现象，减少硫酸铅晶体产生的额外电阻。但这种方法会电池在充电过程中升温，带来严重失水和破坏极板活性物质，缩短电池使用寿命。

2）高频脉冲充电法：采用高频脉冲电留使得内部充分提供电化学反应时间，使其能正常参与充、放电化学反应，据测修复效率高，较大电流充电法效果好，且技术简单，目前使用较多。缺点是脉冲时间长，去硫化较效果不佳。

3）正负脉冲充电法：采用正负脉冲电流使电池在充电过程中短暂放电，将硫酸盐粗结晶重新转化为细结晶体，且可使用更大电流，目前使用较多。缺点是工作效率低，充放电时间较长。

本次采用正负脉冲充电技术，利用数字脉冲电源模块，根据电池硫化情况选择不同的脉冲类型（幅值、频率、占空比等），对性能落后的单节电池进行循环充（放）电，对电池极板的硫酸铅晶体进行激活，防止蓄电池因长期浮充而导致的极板硫化，消除电池组局部电池过、欠充，确保蓄电池状态并延长使用寿命。

4.2 活化效率

活化前采用10h 放电获得的实际容量为活化前容量，经过一定活化时间后，采用10h 放电获得的实际容量为活化后容量；活化效率按下式计算：

活化效率=（活化后容量-活化前容量）/

活化效率如表1 所示。

表1 活化效率

4.3 在线活化效果测试

蓄电池极板上覆盖了厚重的硫酸盐结晶，活化系统消除了硫酸盐结晶，保障活性物质能再次与电解液接触进行电化学反应。

5 结语

蓄电池的检测与维护关系到铁路的行车安全，以往传统的人工维护方式已不足以支撑川藏铁路“无人化”的运营需要。科学控制的蓄电池充电，并采用活化技术修复性能落后的单体蓄电池，延长电池组使用寿命。通过近年来我国对蓄电池在线检测技术上的探索，已取得初步成就。尤其是在川藏铁路成都至雅安段开通初期的试验成功，相信将来该技术必将得到更多的应用和发展。