车载蓄电池在线监测系统应用
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【摘要】对蓄电池的运行状态进行监测并定期进行均衡充放电维护是延长蓄电池使用寿命，保证蓄电池正常工作的必不可少的手段之一。蓄电池充放电技术是与蓄电池相伴而生的，与蓄电池的发展和应用有着密切的关系。本文介绍了一种在地铁上应用的蓄电池在线监测技术。
【关键词】蓄电池；数据采集；在线监测
1.前言
蓄电池是一种可循环使用的电源，其常规的维护大都采用充电器和放电器，其使用寿命与充放电过程有着很大关系。
蓄电池作为储能装置，是车辆应急供电的保障，其维护运行状态的好坏直接关系到车辆安全运营。在地铁上使用的蓄电池是由多块蓄电池构成的蓄电池组。使用相同充放电特性的蓄电池，有利于提高蓄电池组的整体性能，有必要及时了解蓄电池组中各电池状态，对蓄电池组进行维护。
对蓄电池状态的检测，一般依靠人工的方式，在蓄电池充放电过程中，用万用表，监测仪等仪器设备，每隔一定时间从仪表读取电压、电流变化，并进行手工记录，一个过程结束后，将数据输入计算机中，进行分析处理。这种方式效率极低，且得到的样本数太少，不能全面分析蓄电池的充放电特性。通过设置蓄电池在线监测系统可以及时掌握蓄电池的充放电使用维护情况，为蓄电池供电系统的连续性、安全性方面提供了保障。本文对应用在唐山轨道客车有限责任公司制造的A型地铁样车上的蓄电池在线监测系统进行了介绍和分析。
2.蓄电池充放电原理及特性
目前蓄电池常规充放电制度还是依据1940年前的国际公认的经验法则设计的。这些法则中规定“充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数”。
蓄电池充电方法有恒流、恒压、准恒压、两级或三级准恒流、恒压、浮充电等几种。恒流充电是通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法。保持在充电过程中充电电流强度不变。随着充电的进行，蓄电池的电动势是上升的，蓄电池的内阻下降，如果充电电源的电压不变，则充电电流将下降。为了保持充电电流恒定，必须在充电过程中提高充电电源电压或减小电池的串联电阻。恒压充电是指充电电源的电压在全部充电时间里保持一定的数值，因而，蓄电池每个单格电池的电压也是一定的。在恒压充电的初期，充电电流很大，远远超过正常恒流充电电流值。在充电过程中，随着蓄电池电动势的上升，充电电流逐渐下降。在充电后期，比正常恒流充电电流还要低。充电结束时，充电电流是一个非常小的值。
蓄电池的放电方式有连续放电和间歇放电两种，检查电池的容量，大都采用连续放电方式，而使用上大都是属于间歇放电方式。
充电特性
对蓄电池进行恒流充电，电池的端电压会随时间变化而变化。充电初始，由于电池正极电位迅速向正方向移动，电池负极电位迅速向负方向移动，电池端电压迅速升高。在充电中期，由于电极反应速度及电迁移速度基本稳定，离子扩散速度也已经足够大；此时，端电压上升缓慢。到充电后期，当气体析出速度达到稳定时，继续充电，端电压不再变化。对蓄电池以不同的电流充电，则会有不同的开始电压和终了电压。如用大电流充电，充电终值提前到达，所以，在同一时刻端电压高于正常充电率端电压。反之，如用小电流充电，充电时端电压要比同一时刻正常充电电流时的端电压小。蓄电池以恒定电压充电时，极化电势尚未建立，而欧姆内阻又较小电流是随时间变化的，故初始的电流值很大。充电初期，电流衰减也很快。在充电中期，电流继续衰减，只是衰减的速度有所减小。充电末期，电流衰减到很小的一个值后维持在一定的值。
放电特性
蓄电池的放电是以恒流的方式进行的。放电初期，由于欧姆内阻的功耗，以及扩散速度的增加，使得电池端电压迅速降低。到放电中期，由于电极反应速度以及电迁移速度是一定的，扩散速度也趋于稳定，电池端电压变化不大。放电后期，由于极板表面附近电解液浓度很小，扩散不起作用，欧姆极化增加，使得电池端电压迅速降低。放电改变时，蓄电池端电压与终了都要改变。用小电流放电时，终了电压定的大一些，用大电流放电时，终了电压则定的小一些。因为在大电流放电时，放电中期提前到达，但有效物质并没有充分反应，所以，终了电压可以规定略低，适当的延长放电时间，是电池放出的电量增多。
3.蓄电池在线监测系统
一般蓄电池组是由多个蓄电池串联组成，一组良好的蓄电池其内阻都很均匀，其特性曲线亦很均匀。若其中有不良蓄电池，其特性曲线在放电时下降的较快，而充电时上升的较慢，因此将每个蓄电池的充放电动态曲线与平均曲线对比即可知道蓄电池的内阻特性是否比较均匀。通过设置蓄电池在线监测系统可及时掌握蓄电池的使用情况。
蓄电池在线监测系统是用于对蓄电池组的维护、使用状况监测的一套蓄电池网络在线管理和检测的系统。该系统集检测技术、数字信号处理技术、计算机控制技术、通讯技术于一体；可以适时在线测量、记录并存储电池组在充电、放电和静止阶段的电压/电流/时间/环境温度，监测记录单体电池电压、具有超限告警功能，可以实行本地和远程控制；记录参数可以通过 USB 接口导出打印并生成曲线，便于分析蓄电池的车载充放电维护运行情况和性能状态，判断车载充电机是否按蓄电池的充电曲线要求对蓄电池进行充电，及时掌握蓄电池的使用维护情况。
蓄电池运行状态的监测主要是通过检测蓄电池的电压、电流、温度等同蓄电池性能密切相关的参数，得出当前蓄电池的运行状态信息，然后通过分析处理并和预先设定的蓄电池性能判断标准进行比较，从而诊断出蓄电池的当前的健康状态是否良好。在和蓄电池的健康状态密切相关的参数当中，对温度和电流的测量相对来说比较容易实现，对单个电池的电压检测也比较简单，但是要实现对串联在一起的蓄电池组中单体电池电压的准确测量一直是一个难于解决的问题。而电压检测是最直接检测也是最常用的一个参数，也是目前许多电池监控系统普遍采用的检测方法。
蓄电池电压信号采集
每节蓄电池单独配备一个采样盒，嵌装在蓄电池排气阀上。每个采样盒可独立采集蓄电池单体电压，采用SBUS通讯电路，采样盒通过单线级联方式连接，最后将各级信号上传到主控器。
电流信号采集
每个蓄电池组采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，霍尔电流传感器与电流转换装置相连，电流转换装置经过SBUS 电路，将电流信号送于SBUS转RS485/ MVB模块处。
SBUS转RS485模块
每组蓄电池都有一个SBUS 转 RS485/ MVB模块，用于将蓄电池组电压、电流、温度的SBUS信号转换成RS485/ MVB信号，每个SBUS转RS485/ MVB可单独设置通讯地址，转换模块安装在主控器内。采样盒间采用 SBUS 级联通讯方式，接入到主控器。
主控器
主控器采用小型工业服务器（工控机），实现对采集的蓄电池电压、电流信号分析，同时具备信号上传 MVB 或 RS485 接口，可与车辆监控系统（TCMS）通信。
报警
监控后台分析软件具有蓄电池电压过高、过低，电流超限、温度超限、单体压差超限告警，具有维护提醒报警功能；并且具有多种报警的人机交互方式，声音报警和灯光报警（必要时可升级为 EMAIL 或短信报警）。
4.结束语
可靠的应急直流供电是车辆安全稳定运行的基本条件之一，通过应用蓄电池在线监测系统，可以减少蓄电池测试人员的工作量，提高蓄电池测试的效率，并能根据充放电曲线有效地对蓄电池的性能进行分析，及时掌握蓄电池的使用维护情况。必要时可及时采取有效的措施，使蓄电池长期处于正常状态并发挥最佳性能，延长蓄电池使用寿命，值得推广使用。
参考文献
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