城市轨道交通车辆蓄电池智能监测系统研究

城市轨道交通车辆蓄电池智能监测系统研究摘要随着轨道交通行业的快速发展传统的蓄电池采用温度传感器等部件弊端日益明显，使用蓄电池智能监测进行替代势在必行，但由于二者存在的诸多差异与技术现状的限制，需要针对蓄电池系统进行分析，本文便主要针对二者差异进行分析，进而概括得到替换原则。

关键词蓄电池智能监测系统城市轨道交通电池寿命预计引言随着轨道交通行业的快速发展，蓄电池在轨道交通车辆中应用越来越普遍；在车辆运行中，蓄电池的健康状况是司机关心的重要指标，但大部分地铁车辆依然采用传统的蓄电池温度传感器。

由于温度传感器只能测量蓄电池箱内环境温度和蓄电池之间的连接片温度。

同时，在使用过程中温度传感器容易出现检测点选取不好，导致环境温度测量不准确等情况。

故温度传感器故障率较高，检修维护工作量大，无法满足运营提出的智能维护需求。

近些年来随着电子行业技术发展，为加强对蓄电池健康状况的监测，保障车辆的安全运行，通过蓄电池智能监测替代传统温度传感器应用于地铁车辆中逐渐成为行业内研究的热点，并已经在不少项目上得到了验证性使用。

本文便主要针对二者差异进行分析，进而概括得到替换原则。

1传统蓄电池温度传感器1.1 现状传统的蓄电池监测系统采用的是牵引供应商或蓄电池供应商提供的温度传感器，蓄电池充电机根据温度传感器测量的温度反馈调整充电机的充电状态，并通过每天的回库检修进行设备检修。

1.2 存在问题1.2.1 运行过程司机只能通过查看充电机或辅助逆变器状况来推断蓄电池状况，更无法直接获取蓄电池组电压、充放电流、单体电压、剩余容量等信息。

不能提前发现故障信息，故障处理效率低。

1.2.2 回库检测需要人工在夜间进行大量外观及状态定性检测。

尤其是测量充放电电流，还需使用电流钳、示波器等设备。

同时无法直接获取蓄电池组剩余容量，需要根据电流、电压进行分析计算获得。

1.2.3 计划管路依据固定的检修要求，编制每个车型的检修计划及检修工艺文件，修程的调整依据人工的技术评估和分析。

无法通过大量数据分析灵活调整某线路的车辆的检修计划，也无法通过对某列车运行状况分析及故障预测调整某列车的检修作业项。

2蓄电池智能监测装置车辆用蓄电池智能监测装置能实时监测蓄电池健康状况，提供预警信息，方便及时排除故障、降低风险，同时建立精准的蓄电池失效模型。

该设备采用独立设计，不影响其他设备，具有时间记忆功能。

该设备集检测、数字信号处理、计算机控制、通讯技术于一体，替代人工检测，提升测量精度；实时自动监测、可逐日直接提取数据，快速生成监测报告；方便及时排除故障，避免蓄电池事故发生。

该设备可根据用户定义的时间间隔实时监测单体电池的电压、温度、内阻和蓄电池组总电压、充放电电流；可根据设定的告警值提示报警并记录数据；监测数据可以长期储存，通过通讯接口导出、读取监测数据；报告输出以表格或趋势图（曲线）表达。

该设备可查询数据，如指定电池号，时间、温度、电流、单节电压和总电压等，方便维护人员掌握蓄电池的充电、放电等情况，及时采取有效的措施，保证蓄电池处于健康状态，发挥最佳性能。

该设备可与车辆监控系统（TCMS）通信、实时报警。

该产品可选配无线网卡，通过4G或者WIFI将数据传输至云端，可在手机端、大屏端实时显示数据信息和告警信息。

2.1 方案介绍蓄电池智能监测装置包括：主控器、采样盒、电流传感器和线缆等组成。

在列车正常工作时，由主控器发送测量启动指令启动采样盒对单体蓄电池电压、蓄电池组的电压、充放电电流和温度进行测量，同时估算蓄电池的剩余容量，主控器存储各项数据并对电池组健康状态进行告警及预判提示。

用户可通过PC端软件对数据进行下载与分析，生成相应的数据曲线和监测报告。

在蓄电池处于离线状态时，可通过PC端提供电源进行开路电压的检测与记录。

2.2 蓄电池组电压采集每节蓄电池单独配备一个采样盒，安装在蓄电池盖面上。

每个采样盒均可进行地址设置，同时每节蓄电池也进行编号，采样盒地址与蓄电池编号一一对应，便于快速查找故障单体蓄电池。

每个采样盒4根采样线，为2 根电压采样和2根内阻采样，分别接到电池正、负极柱上。

采样盒通过单线级联方式连接，最后通过串行通讯总线将信号上传到主控器。

采样盒只在接收到主控器的测试指令后才激活工作，其余时间处于休眠状态。

2.3 蓄电池组温度采集每节电池的采样盒带有一个温度传感器，能采集到每节电池的运行温度。

蓄电池箱体内的温度取最低电池温度值。

2.4 蓄电池组内阻采集内阻测试原理：原理基本如下图：图中蓝色的bat线用于放电，橙色的sense线用于测量放电过程的电压变化，利用变化过程中产生的电压差V除以放电电流I，得出内阻值。

计算公式为：R（内阻）= V（差）/I。

2.5 蓄电池组电流采集每个蓄电池组使用一个电流霍尔传感器，电流传感器可以保证准确测量电池组的充放电电流，其工作电源从主控器取，霍尔电流传感器与主控器相连，主控器存储记录的数据。

2.6 主控器功能主控器是整个蓄电池智能监测装置的核心组件。

主要进行蓄电池实时数据的收集和分析、告警判断、处理上传等工作。

用户可通过主控器在本地或云端下载电池的详细数据和告警数据。

2.7 数据及报警主控器检测及智能计算的参数有：单体电池电压、单体电池温度、单体电池内阻、充放电电流、电池组电压、电池组剩余容量计算（SOC）等。

主控器检测主要的报警类型有：单体电压上限、单体电压下限、单体温度上限、单体内阻上限、组电压上限、组电压下限、环境温度上限、充电电流上限、放电电流下限，电池组剩余容量计算等。

具有多种报警的人机交互方式，MVB报警或手机APP报警、云平台PC端报警。

2.8 蓄电池组容量计算通常称之为SOC，即荷电量，也叫剩余电量，电池当前实际可以放出的电量，单位是容量的百分比。

代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。

剩余电量为0%～100%，当SOC=0%时表示电池完全放电，当SOC=100%时表示电池完全充满。

SOC与蓄电池电压、电流、温度及蓄电池类型等参数都有很大关系，因此我们设备采集各项参数对SOC的计算进行修正。

我司目前采用深度优化的安时积分法对SOC进行计算。

安时积分法计算基本原理：是将电池在不同电流下的放电电量累计起来作为电池的放电量。

计算公式：SOC=SOC-o为SOC初值；CN为电池额定容量；K为拟合温度、电流、老化程度其中SOCo等的校正参数；η为充放电效率；I为电流值。

监测装置正常上电后，通过检测电池单体电压值，充放电电流，温度，老化，通过电池程度，并将这些参数导入到主控器所搭载的电池模型，获取初值SOC模型计算SOC初值校正安时积分法以及在库负载放电所产生的误差，提高SOC估算准确度。

根据电池组充放电情况，以对电流做积分运算为基础，拟合电池温度、放电电流、老化程度等因素获取K值，并且通过建立的电池模型校正SOC值。

电压、电流、容量三维拟合曲线电流与容量拟合曲线温度补偿曲线电池容量的精准计算是一个涉及多项化学反应的复杂技术，还有很长的路要走。

目前设备精度可达到5%，目前主机厂联合蓄电池智能监测供应商在这方面继续进行研发投入，争取拿出更精准、更高效、更安全的电池SOC测量技术。

3通讯协议3.1 MVB通讯协议MVB总线采用双网双线冗余结构，采用单路单线缆单连接器形式。

MVB 总线冗余的A、B 两路通道分别通过两个总线连接器（一公一母）连接到各子系统的两个DB-9 MVB 连接器插座上，该连接器可以实现线路A 和线路B 各在不同的线缆和不同的连接器中，通信线路在MVB 连接器内构成回路，供设备内的收发器对通信线路进行采集和使用（接收数据和发送数据），如下图所示。

MVB通讯协议根据项目具体要求确定。

3.2 以太网通讯协议设备可接入车辆维护以太网，实现远程维护，程序下载，离线历史记录下载及PTU软件的使用功能等。

以太网卡集成于主控器内部，支持双路强制100M 全双工以太网接口，采用“ D”型编码的M12 连接器，以太网工作方式可选择为TCP Server、TCP Client、UDP 和UDP 组播，工作端口、目标IP 和端口均可设定，以太网工作方式可选择为TCP Server、TCP Client、UDP 和UDP 组播，工作端口、目标IP 和端口均可设定，支持静态或动态IP 获取， MAC 地址全球唯一（也可由客户配置），支持TCN-DNS 与TTDB。

接口定义如下图所示。

蓄电池监测系统维护以太网数据（历史数据）通过以太网传输给车辆，经由车辆4G网络统一落地后，自动传输至地面服务器，不需人工拷贝，具体数据落地方式及以太网协议根据项目具体要求确定。

4总结蓄电池智能监测替代传统温度传感器完成蓄电池组智能监测功能已经成为目前行业内的趋势，但由于技术限制，智能监测替代传统温度传感器仍然存在诸多问题，整体替换率上智能运维地铁车辆相比略高，伴随着技术的发展与成熟智能监测的替换率必定会逐步增加，但由于业主对蓄电池系统的要求不同，很难做到完全替代，因此温度传感器与智能监测并存的情况在地铁车辆上将长期存在。

参考文献[1] 侯大志.蓄电池智能监测系统在轨道交通行业的应用研究[J].交通世界，2019,(33):150-153.[2] 程世军.机车蓄电池故障分析及在线智能监测系统研究[J].山东工业技术，2018（22）:160.4。