朱光文

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)設(shè)計(jì)處，710043，西安//高級(jí)工程師）

新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

朱光文

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)設(shè)計(jì)處，710043，西安//高級(jí)工程師）

目前，城市軌道交通蓄電池常規(guī)維護(hù)方法存在很多缺點(diǎn)。為做好蓄電池的維護(hù)與檢測(cè)工作，提出了城市軌道交通新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于青島地鐵項(xiàng)目。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐表明：該系統(tǒng)不僅可彌補(bǔ)蓄電池常規(guī)維護(hù)方法的缺陷，而且還可整合各種常規(guī)檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)蓄電池的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與維護(hù)。

城市軌道交通；蓄電池；維護(hù)與檢測(cè)；在線均衡

蓄電池是城市軌道軌道交通中重要的電源設(shè)備，也是繼配電柜、電源屏、UPS（不間斷電源））等核心供電設(shè)備后的最核心部分。其在各設(shè)備系統(tǒng)中充當(dāng)了“心臟起搏器”的功能。一旦外部供電發(fā)生故障，UPS所配套的蓄電池就必須做到“一鍵啟動(dòng)”，切實(shí)成為行車安全運(yùn)營(yíng)的最后一道保障。因此，蓄電池的最大特點(diǎn)就是高可靠性和可用性。蓄電池還有另外一個(gè)顯著特點(diǎn)——平時(shí)很少真正使用。城市軌道交通一般使用的電源都是一級(jí)負(fù)荷，加之現(xiàn)在的電網(wǎng)質(zhì)量較高，故很少發(fā)生供電故障，蓄電池一般多處于“旁路”或“休眠“狀態(tài)。另外，大部分城市的地鐵使用了免維護(hù)蓄電池。出于“免維護(hù)”口號(hào)的誤導(dǎo)，眾多用戶放松了對(duì)蓄電池的日常維護(hù)和管理。這就造成了蓄電池早期容量的降低和損壞，使蓄電池不能滿足備用時(shí)間要求，因蓄電池容量不足或者失效造成的運(yùn)營(yíng)故障時(shí)有發(fā)生。因此，如何做好蓄電池在外電正常狀態(tài)下的日常維護(hù)工作，確保蓄電池在關(guān)鍵時(shí)刻不掉“鏈子”，就成了當(dāng)前城市軌道交通中重點(diǎn)要考慮的問題之一。

1 傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)及檢測(cè)方法

1.1 日常巡檢

日常巡檢是傳統(tǒng)蓄電池維護(hù)及檢測(cè)的重要方法之一，主要檢查蓄電池組中有無漏液、有無“臌肚子現(xiàn)象”、有無落后電池存在，以及蓄電池連接處有無銹蝕和固定螺釘松動(dòng)等情況。

日常巡檢的缺點(diǎn)為：容易出現(xiàn)維護(hù)盲點(diǎn)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)已存在的安全隱患。

1.2 定期維護(hù)

定期維護(hù)主要是定期對(duì)蓄電池進(jìn)行人工充放電試驗(yàn)并測(cè)試單體電池的電氣特性（如端電壓和內(nèi)阻等），通過預(yù)防性維護(hù)發(fā)現(xiàn)劣化或失效的電池［1］。

定期維護(hù)的缺點(diǎn)為：

（1）定期維護(hù)周期較為固定，時(shí)間一般由各個(gè)地鐵公司的運(yùn)營(yíng)部門確定。大部分運(yùn)營(yíng)公司一般都不會(huì)少于3個(gè)月。

（2）定期維護(hù)周期之間，蓄電池組內(nèi)部出現(xiàn)的單體電池失效不易被發(fā)現(xiàn)［2］，極易埋下安全隱患。

（3）定期維護(hù)放電測(cè)試時(shí)，不排除外電突然停電的可能性。

（4）維護(hù)前需通知相關(guān)部門，協(xié)調(diào)維護(hù)時(shí)間，維護(hù)期間后備電源供電連續(xù)性無法保障。

（5）充放電時(shí)間較長(zhǎng)，需耗費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間來進(jìn)行容量核對(duì)［3］。

（6）充放電試驗(yàn)過程中，對(duì)電量的消耗較大，造成了一定的能源浪費(fèi)。

2 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

針對(duì)傳統(tǒng)蓄電池的缺點(diǎn)，本文提出在城市軌道交通中應(yīng)用新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)及檢測(cè)方法

（1）實(shí)時(shí)通信和同步控制技術(shù)。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置帶同步功能的CAN（控制器局域網(wǎng)）總線架構(gòu)，提高了通信效率。下位機(jī)出現(xiàn)異常、告警等情況的時(shí)候，可以主動(dòng)上傳。與傳統(tǒng)的采用RS485總線的產(chǎn)品相比，通信速率提高了50～100倍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間幾乎為零，基本達(dá)到實(shí)時(shí)通信和同步控制。

（2）同步測(cè)量，多種數(shù)據(jù)同一時(shí)刻采集完成。傳統(tǒng)的測(cè)量方法采用單ADC（模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器），然后用通道掃描方法進(jìn)行采集，從第一節(jié)開始到最后一節(jié)逐節(jié)采集。采集一次需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且采集到的電壓首尾采集時(shí)間點(diǎn)差異大，導(dǎo)致可參考性變差。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)采用多ADC分布采集的方式，不論電池?cái)?shù)量多少，2 ms內(nèi)可以全部采集完成。

（3）電池組能量基本無損耗均衡管理。通過雙向數(shù)字電源，可實(shí)現(xiàn)整組對(duì)單體降壓充電，也可實(shí)現(xiàn)單體對(duì)整組升壓充電。數(shù)字電源的工作效率達(dá)到92%以上，能量幾乎沒有損耗。而傳統(tǒng)的充電采用模擬電源，其工作效率只有60%；放電采用被動(dòng)能量損耗法，其電量全部損耗在電阻上用來發(fā)熱，能源白白浪費(fèi)。

（4）正負(fù)電流平衡脈沖活化。采用交流脈沖對(duì)電池進(jìn)行活化，使已經(jīng)出現(xiàn)硫化的電池恢復(fù)硫化前的狀態(tài)。活化電流采用正負(fù)活化電流平衡的控制方法，使得電池在活化的過程中只有較少的氣體析出，并且在電池滿電的情況下也可以進(jìn)行活化。

2.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

新型蓄電池組在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)由主站層及采集層構(gòu)成。

主站層由服務(wù)器、PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和主站軟件組成，并可根據(jù)實(shí)際監(jiān)控均衡裝置的數(shù)量，調(diào)整服務(wù)器和PC機(jī)的臺(tái)數(shù)。主站實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)等功能，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)各個(gè)站點(diǎn)蓄電池組容量、內(nèi)阻、電壓、電流、均衡度及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線采集，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)，形成各種報(bào)警信息、報(bào)表、曲線圖及趨勢(shì)圖［4］。

采集層由在線均衡裝置和電纜線組成。采集層通過采集模塊采集每節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、電動(dòng)勢(shì)、容量和溫度等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給主站；也可實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)程控制命令，對(duì)裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，是在線檢測(cè)、在線活化及在線均衡功能的具體執(zhí)行裝置。

2.3 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能

（1）在線均衡功能：新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)單節(jié)電池電壓進(jìn)行均衡調(diào)整，使其工作在相同的電壓狀態(tài)，可從根本上解決過充或欠充現(xiàn)象，提高蓄電池組運(yùn)行質(zhì)量，防止蓄電池組快速老化，延長(zhǎng)電池組使用壽命［5］。

（2）在線活化功能：新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)性能落后的單節(jié)電池進(jìn)行在線活化［6］，對(duì)蓄電池內(nèi)部電極板的結(jié)晶和硫酸的沉淀進(jìn)行激活，防止蓄電池因長(zhǎng)期浮充而導(dǎo)致的硫酸鹽化，消除從內(nèi)部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態(tài)。其能延長(zhǎng)蓄電池組的運(yùn)行壽命兩倍以上，同時(shí)還可減少環(huán)境污染，具有良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

（3）在線檢測(cè)功能：新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)具有對(duì)端電壓、單體電壓、充電電流等數(shù)據(jù)的巡檢功能，同時(shí)還具備在線測(cè)量?jī)?nèi)阻、容量、內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)等功能，可完全取代現(xiàn)有的蓄電池巡檢儀、蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀、蓄電池組容量檢測(cè)儀及蓄電池活化儀等維護(hù)設(shè)備，為蓄電池組優(yōu)化運(yùn)行提供了全面而完善的解決方案，大大提高了蓄電池設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性［7］。

2.4 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)與其它蓄電

池檢測(cè)設(shè)備的區(qū)別

新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)與其它蓄電池檢測(cè)設(shè)備的區(qū)別見表1。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)解決傳統(tǒng)蓄電池存在隱患的效果對(duì)比見表2。

3 在地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 工程應(yīng)用案例

新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)（型號(hào)規(guī)格為L(zhǎng)BE300-30AH16/12A，以下簡(jiǎn)為“LBE300系統(tǒng)”）于2017年在青島地鐵11號(hào)線AFC（自動(dòng)售檢票）維修系統(tǒng)的UPS中投入使用。該UPS采用艾默生FR-UK50L，帶16節(jié)艾諾斯SBS30蓄電池。LBE300系統(tǒng)運(yùn)行前后的數(shù)據(jù)見表3。LBE300系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間為2017年6月2日，LBE300系統(tǒng)運(yùn)行前的數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為2017年6月2日，LBE300系統(tǒng)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為2017年6月17日。

表1 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)與其它蓄電池檢測(cè)設(shè)備的區(qū)別

表2 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)解決傳統(tǒng)蓄電池存在隱患的效果

由表3可見：LBE300系統(tǒng)運(yùn)行前的蓄電池內(nèi)阻最高值為11.504 mΩ，最低容量為91.2%；LBE300系統(tǒng)運(yùn)行后的蓄電池內(nèi)阻最高值為10.920 mΩ，最低容量為96.1%。LBE300系統(tǒng)運(yùn)行前的蓄電池電壓均衡度差，有過充欠充象；內(nèi)阻偏大，電池內(nèi)部出現(xiàn)硫酸鉛晶體；整個(gè)電池組容量出現(xiàn)下降。LBE300系統(tǒng)運(yùn)行后，蓄電池電壓平衡，過充欠充現(xiàn)象得以控制；內(nèi)阻已有所降低；整個(gè)電池組容量得以提升，消除了隱患。

3.2 新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)實(shí)際維修數(shù)據(jù)，50%以上的電源故障與蓄電池有關(guān)。而一旦出現(xiàn)電源故障，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電、重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失甚至引起火災(zāi)。蓄電池之所以存在這樣的安全隱患，其問題主要在于沒有采用先進(jìn)、有效的檢測(cè)技術(shù)，沒有容量和狀態(tài)特性顯示，無法及時(shí)預(yù)警蓄電池具體能夠持續(xù)工作多久，何時(shí)會(huì)突然失效。而且，只要電池組中任意一塊電池出現(xiàn)問題，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致整體電壓變化，進(jìn)而影響到整個(gè)電池組的質(zhì)量狀況。

表3 LBE300系統(tǒng)運(yùn)行前后數(shù)據(jù)記錄表

2003年7月14日早晨，因供電設(shè)備故障，某市地鐵1號(hào)線3個(gè)車站及區(qū)間列車停運(yùn)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)62 min，造成行車大間隔嚴(yán)重事故。后經(jīng)事故分析，未及時(shí)掌握車輛蓄電池的老化情況是發(fā)生事故的主要原因之一。2007年12月7日晚8∶50，某市地鐵2號(hào)線某站內(nèi)出現(xiàn)刺鼻濃煙，119指揮中心迅速派調(diào)2個(gè)中隊(duì)5部消防車趕赴現(xiàn)場(chǎng)。最終核實(shí)為地鐵站機(jī)房?jī)?nèi)的2組低壓蓄電池因短路冒煙。

采用新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集電池狀態(tài)信息，有效避免應(yīng)電池故障而引起的電源問題，在安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面極具優(yōu)勢(shì)。

（1）安全方面：可實(shí)時(shí)對(duì)在線運(yùn)行的每節(jié)電池進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，并及時(shí)上傳到系統(tǒng)后臺(tái)，讓運(yùn)維人員隨時(shí)了解電池運(yùn)行狀態(tài)；多參數(shù)、多視角的精準(zhǔn)測(cè)量，解決了人工維護(hù)巡檢盲點(diǎn)的問題，杜絕維護(hù)死角，把安全隱患降到最低；即時(shí)在線治療；全方位優(yōu)化電池運(yùn)行環(huán)境，提高電池運(yùn)行質(zhì)量，從根本上保證后備電源的運(yùn)行安全。

（2）經(jīng)濟(jì)方面：延長(zhǎng)蓄電池實(shí)際使用壽命，大大降低了蓄電池購(gòu)置投入成本；在線均衡功能打破了“壞一節(jié)換整組”的噩夢(mèng)，實(shí)現(xiàn)了“壞一節(jié)換一節(jié)”的現(xiàn)實(shí)，大大降低了電池更換成本；全程在線檢測(cè)、在線活化及在線均衡的功能實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多用”，大大降低了用戶購(gòu)買輔助維護(hù)設(shè)備的成本；全方位的維護(hù)模式大幅降低了人工維護(hù)成本，全面提高了蓄電池維護(hù)工作效率；在線檢測(cè)及在線活化功能解決了傳統(tǒng)“充放電試驗(yàn)”的耗人工、耗時(shí)間及耗電量等問題，大大減少了電能的浪費(fèi)。

（3）環(huán)保方面：新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)自身耗能低，是節(jié)能減排產(chǎn)品；提升了蓄電池的使用壽命，高效率地利用每節(jié)電池，降低了大量電池提前報(bào)廢帶來的環(huán)境污染；實(shí)現(xiàn)了“壞一節(jié)換一節(jié)”的理想，把電池對(duì)環(huán)境的污染降到了最低；可替代電池的“充放電試驗(yàn)”，減少了電能的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

蓄電池的維護(hù)與檢測(cè)直接關(guān)系到城市軌道交通運(yùn)營(yíng)及行車安全。通過近年來城市軌道交通行業(yè)在蓄電池在線檢測(cè)技術(shù)上的探索和應(yīng)用，已證明單純的在線檢測(cè)和傳統(tǒng)的人工維護(hù)方式均已不足以支撐當(dāng)前城市軌道交通技術(shù)發(fā)展的需要。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以彌補(bǔ)常規(guī)維護(hù)與檢測(cè)上的不足，還可以在線活化和均衡蓄電池組。新型蓄電池在線均衡與檢測(cè)系統(tǒng)在青島地鐵11號(hào)線調(diào)試初期的成功應(yīng)用，已顯現(xiàn)出了常規(guī)維護(hù)方式所不能比擬的諸多優(yōu)勢(shì)。相信不久的將來，該技術(shù)必將得到全面的發(fā)展和應(yīng)用。

［1］ 辜先軍.成都地鐵1號(hào)線通信蓄電池的維護(hù)改進(jìn)建議［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2016（1）：26.

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［3］ 黃祖成，馬力，周賢培.一種蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)直流電源系統(tǒng)的研究［J］.電源技術(shù)，2016（4）：844.

［4］ 邵慧彬.實(shí)用新型蓄電池組在線檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.蓄電池，2013（2）：88.

［5］ 燕玉梅.淺談使用蓄電池在線均衡系統(tǒng)的必要性［J］.消費(fèi)電子，2013（22）：49.

［6］ 李寧，鄒宇.VRLA蓄電池活化處理方法探討［J］.湖南電力，2011（31）：61.

［7］ 李國(guó)華，張新國(guó)，焦彥軍.蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，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）