陳文

摘要：根據(jù)目前軌道交通行業(yè)蓄電池的故障情況，重點(diǎn)分析目前行業(yè)內(nèi)對(duì)蓄電池的維護(hù)運(yùn)營(yíng)存在的困難點(diǎn)和蓄電池的隱患，針對(duì)蓄電池的運(yùn)營(yíng)管理提出基于PHM的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的維護(hù)手段，采用高精度單體監(jiān)測(cè)模塊采集蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度、組端電壓和組端電流等數(shù)據(jù)。通過后臺(tái)軟件智能分析蓄電池個(gè)體自身歷史趨勢(shì)對(duì)比以及蓄電池組內(nèi)個(gè)體間的對(duì)等比較，預(yù)測(cè)存在故障隱患的蓄電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的狀態(tài)修和智能化管理。并可遠(yuǎn)程對(duì)蓄電池組進(jìn)行在線充放電，提高了蓄電池維護(hù)的效率和質(zhì)量，從而避免事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】地鐵;蓄電池;故障預(yù)測(cè)與健康管理;在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

1.現(xiàn)狀分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)的城市軌道交通迎來了快速發(fā)展期，地鐵已成為大城市基礎(chǔ)設(shè)施、城市公共交通的主要形式。地鐵中蓄電池的十分廣泛，無(wú)論在變電所、信號(hào)、通信還是車輛電源設(shè)備中，蓄電池作為備用電源在系統(tǒng)中起著極其重要的作用。

正常情況下，蓄電池處于浮充備用狀態(tài)，而在市電中斷或其它電源事故狀態(tài)下，蓄電池作為電源設(shè)備的后備能源供給者，一旦出現(xiàn)問題，電源系統(tǒng)將面臨癱瘓，可能造成大范圍的設(shè)備停運(yùn)及其它重大運(yùn)行事故。

蓄電池組作為軌道交通設(shè)備運(yùn)行的保障能源，是電源系統(tǒng)的最后一層保障，至關(guān)重要。但是近年來軌道交通事故中因蓄電池故障造成事故擴(kuò)大事件時(shí)有發(fā)生。

隨著地鐵線路的發(fā)展、站點(diǎn)數(shù)量不斷的增加，設(shè)備維護(hù)的壓力也隨之增大，但是運(yùn)維人員的數(shù)量卻非常有限。日常的巡檢由于站點(diǎn)和機(jī)房的分散，對(duì)于人員的消耗比較大。目前業(yè)內(nèi)多是對(duì)蓄電池進(jìn)行簡(jiǎn)單的巡檢，對(duì)于蓄電池的維護(hù)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，蓄電池的隱患來之突然，輕則發(fā)熱損壞系統(tǒng)設(shè)備、重則起火引燃機(jī)房。因此，需要盡快對(duì)蓄電池組通常的管理維護(hù)進(jìn)行改變，減少人力物力的消耗和工作量的繁重，讓蓄電池的運(yùn)行更加安全，更有保障。

2.問題分析

2.1蓄電池自身的性能缺失

目前軌道交通行業(yè)中，基本采用的都是閥控鉛酸蓄電池（VRLA），俗稱“免維護(hù)”蓄電池，所謂“免維護(hù)”僅指無(wú)需加水、加酸、換液等維護(hù)，其無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，也正是容易導(dǎo)致維護(hù)管理上的疏忽點(diǎn)。

（1）從近幾年軌道交通行業(yè)有關(guān)蓄電池故障的材料顯示，由于電池本身的質(zhì)量問題，如材料、結(jié)構(gòu)、工藝的缺陷及使用不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е滦铍姵剡^早失效的情況時(shí)有發(fā)生。

（2）閥控式密封鉛酸蓄電池故障的原因很多，如電池失水過多，甚至干涸而引發(fā)的一系列性能變壞的問題，如內(nèi)阻增大，熱失控、電池性能不均勻，個(gè)別電池提前失效等，缺乏相應(yīng)的性能監(jiān)控及檢測(cè)手段。蓄電池的現(xiàn)狀說明蓄電池的性能還有待提高，從維護(hù)和管理方面還需不斷完善。

2018年7月某地鐵站點(diǎn)的環(huán)控電控室BAS蓄電池發(fā)生火災(zāi)事件，導(dǎo)致BAS蓄電池柜和PLC柜嚴(yán)重?zé)龤?，現(xiàn)場(chǎng)處理火災(zāi)的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)地鐵線路影響非常大。后經(jīng)分析查明，火災(zāi)原因是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)溫度較高，導(dǎo)致蓄電池的性能和壽命降低，該蓄電池組處于充電的狀態(tài)下，蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生了一定量的氫氣，壓力過大無(wú)法正常排出導(dǎo)致內(nèi)阻偏高，而內(nèi)阻偏高會(huì)引起在充放電時(shí)的蓄電池溫度升高、發(fā)熱，最終造成此次蓄電池嚴(yán)重火災(zāi)的事件發(fā)生。在此次事故發(fā)生前，該站點(diǎn)蓄電池組剛進(jìn)行過周檢修，并未發(fā)現(xiàn)問題。由此可知，僅僅是例行的檢查并不能達(dá)到深度故障預(yù)警的作用，預(yù)防工作仍需加強(qiáng)。蓄電池故障來的突然，人工巡查無(wú)法達(dá)到要求，若能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可在事故發(fā)生前進(jìn)行處理，將損失降到最低。

2.2蓄電池組管理維護(hù)的難點(diǎn)

由于軌道交通行業(yè)的獨(dú)特性，在蓄電池組的日常巡檢和年檢的計(jì)劃中，主要會(huì)遇到以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）軌道交通行業(yè)地鐵站點(diǎn)的分散、各個(gè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池組的規(guī)格要求不同，使得蓄電池組的種類較雜、數(shù)量不一，管理和維護(hù)的壓力比較大。目前市場(chǎng)上的蓄電池在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，只是簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)蓄電池的浮充電壓，根本無(wú)法達(dá)到分析蓄電池性能目的。

（2）按照業(yè)內(nèi)通用的蓄電池維護(hù)規(guī)程，蓄電池定期維護(hù)的主要內(nèi)容包括：浮充總電壓和單體電壓檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、核對(duì)性放電試驗(yàn)、容量試驗(yàn)等。維護(hù)所需的時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備多、工作量大，而且仍可能無(wú)法滿足維護(hù)管理需求，無(wú)法實(shí)時(shí)排查出有安全隱患的電池，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命經(jīng)常遠(yuǎn)低于預(yù)期。

（3）定期的內(nèi)阻測(cè)試、核對(duì)性充放電測(cè)試工作仍然采用人工模式，采集數(shù)據(jù)后還需通過人工分析數(shù)據(jù)，判斷蓄電池性能狀態(tài)，耗時(shí)耗力，數(shù)據(jù)量大時(shí)更容易出現(xiàn)疏漏。

3.解決方案

3.1基于PHM的蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)軌道交通行業(yè)蓄電池組的困難點(diǎn)和蓄電池本身的性能缺點(diǎn)，我們提出基于PHM的蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)管理和保護(hù)，通過對(duì)蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，后臺(tái)軟件進(jìn)行蓄電池個(gè)體自身歷史趨勢(shì)對(duì)比以及蓄電池組內(nèi)個(gè)體間的對(duì)等比較，預(yù)測(cè)存在故障隱患的蓄電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的狀態(tài)修和智能化管理。

（1）蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)蓄電池組的組端電壓、組端電流、溫度、內(nèi)阻等指標(biāo)，并且對(duì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)告警，智能分析，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量分析及故障預(yù)警的目的，提高蓄電池運(yùn)行安全性。

（2）為了確保系統(tǒng)的安全性以及提高數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的精度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光電隔離器和內(nèi)部電路板進(jìn)行隔離。單體監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)為雙接口的接線模式，相鄰的蓄電池單體之間采用串聯(lián)總線進(jìn)行連線，摒棄繁瑣的接線方式，單體監(jiān)測(cè)模塊獨(dú)立供電，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和美觀性，并且在產(chǎn)品的精度上也有所提高。

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用目前行業(yè)先進(jìn)的電源變換技術(shù)和精密測(cè)量技術(shù)，并且結(jié)合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)和健康性能進(jìn)行綜合分析，有效的解決蓄電池過早失效和性能下降等方面的監(jiān)測(cè)難題。

（4）蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充放電功能通過“無(wú)縫連接技術(shù)”，將全在線充放電節(jié)能模塊改造安裝到蓄電池組充放電回路中，確保蓄電池組保持實(shí)時(shí)在線的狀態(tài)，若放電過程中市電突發(fā)中斷，蓄電池組會(huì)立即切入供電工作狀態(tài)進(jìn)行供電，保障系統(tǒng)安全。蓄電池組放電過程中，如果達(dá)到系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的容量、電壓、時(shí)間等指標(biāo)閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為充電模式，對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電恢復(fù)。圖3為蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

（5）采用MOS管控壓原理，結(jié)合CDC電路，實(shí)現(xiàn)恒流和恒功率放電測(cè)試。并且內(nèi)部使用多個(gè)電容器并聯(lián)放電，進(jìn)行沖擊電流測(cè)試，模擬動(dòng)作時(shí)的放電能力，保證瞬間大電流情況下設(shè)備正常進(jìn)行放電。最終，平臺(tái)通過對(duì)蓄電池電壓、電流、內(nèi)阻和充放電數(shù)據(jù)的綜合分析，建立蓄電池健康狀態(tài)評(píng)估模型，智能預(yù)估蓄電池容量情況。

3.2蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)案例

2018年1月份，由福州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司牽頭，引導(dǎo)福州福光電子有限公司對(duì)福州地鐵1號(hào)線某站點(diǎn)民用通信機(jī)房的蓄電池組加裝蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)上線運(yùn)行期間，能實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池的單體電壓、溫度、內(nèi)阻、組端電流、組端電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)值升高或降低超過預(yù)設(shè)的閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行提示警報(bào)。同時(shí)系統(tǒng)能對(duì)蓄電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行自身歷史趨勢(shì)對(duì)比及組內(nèi)對(duì)等比較，若蓄電池的內(nèi)阻值超過自身歷史數(shù)據(jù)的130%（每年），或者高于組內(nèi)蓄電池內(nèi)阻平均值的110%（實(shí)時(shí)），系統(tǒng)會(huì)判斷蓄電池存在故障，需要進(jìn)行活化或者更換。

期間多次通過遠(yuǎn)程操作對(duì)蓄電池組進(jìn)行放電測(cè)試，系統(tǒng)能對(duì)采集的各類數(shù)據(jù)的進(jìn)行比對(duì)和計(jì)算，判斷每節(jié)單體電池的實(shí)際容量值，實(shí)現(xiàn)蓄電池組的健康預(yù)測(cè)，并且生成所相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表。在測(cè)試過程中，電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量值偏差在1%以內(nèi)。

系統(tǒng)上線一年以來，減少了日常巡檢記錄的繁瑣過程、省去了年檢核對(duì)性放電測(cè)試的麻煩，最重要是有效預(yù)警了兩節(jié)問題電池，檢修人員能第一時(shí)間對(duì)問題電池進(jìn)行處理，把預(yù)防工作做到最優(yōu)。通過遠(yuǎn)程的放電測(cè)試，將原先需要2人協(xié)作，利用3臺(tái)設(shè)備才能完成的放電測(cè)試縮減為1人即可完成，無(wú)需下到站點(diǎn)機(jī)房，在網(wǎng)管值班處即可完成所有的操作，采集到所有的數(shù)據(jù)，更具有安全性、穩(wěn)定性。

4.經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

對(duì)于目前業(yè)內(nèi)蓄電池組的維護(hù)運(yùn)營(yíng)存在的困難點(diǎn)和蓄電池組的隱患分析，我們通過加裝基于PHM的蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池的維護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)在線對(duì)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻、充放電電流等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)蓄電池老化、短路、過載、發(fā)熱等故障情況，確保軌道交通電源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，并能達(dá)到故障預(yù)警的目的。

（2）蓄電池組遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用了故障預(yù)測(cè)、健康預(yù)測(cè)等多種管理手段對(duì)軌道交通蓄電池組進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和分析。通過對(duì)蓄電池的監(jiān)測(cè)，優(yōu)化了蓄電池的維護(hù)手段，實(shí)現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)修，延長(zhǎng)了蓄電池的使用年限。

（3）省去了日常檢修維護(hù)人力、物力的消耗，更把日常維護(hù)巡檢中的危險(xiǎn)性和故障性降到了最低。站點(diǎn)機(jī)房無(wú)需安排人員進(jìn)行蓄電池日檢，年檢放電測(cè)試也無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)2人配合操作記錄，按照1條地鐵線路24個(gè)站點(diǎn)48組蓄電池計(jì)算，單站蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造價(jià)約為4萬(wàn)元，約可減少4名人員配置，效益及安全性上均存在優(yōu)勢(shì)。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于PHM的蓄電池遠(yuǎn)程充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既滿足軌道交通行業(yè)電源系統(tǒng)的日常維護(hù)需求，節(jié)省了大量的維護(hù)時(shí)間和人力、物力的消耗，也從根本上提高了對(duì)蓄電池健康維護(hù)的效率和質(zhì)量。隨著鋰電池、鎳氫電池等新型電池的快速發(fā)展，尤其是鋰電池已經(jīng)在上海地鐵、南京地鐵進(jìn)行了小范圍的試點(diǎn)，軌道交通行業(yè)需要對(duì)新型電池的維護(hù)技術(shù)進(jìn)行關(guān)注與儲(chǔ)備，如：鋰電池的充放維護(hù)技術(shù)、電池均衡維護(hù)技術(shù)、BMS數(shù)據(jù)接入技術(shù)、氫氣泄露檢測(cè)等等。本次車站蓄電池試點(diǎn)項(xiàng)目的成功實(shí)施，為后續(xù)車載蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理研究提供了基礎(chǔ)，下一步福州地鐵也將逐步開展這些新型電池的維護(hù)技術(shù)研究。

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