CN110422049A - 一种机车电池组监测控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机车电池组监测控制系统，可为机车车辆电池系统提供多重安全保护，实现故障检测、判断、隔离、记录和定位，提高系统可靠性与安全性；同时可实现电池系统的健康状态管理与寿命管理，延长系统使用时间，在发现充电机故障时及时报警，系统能够为司机、以及检修人员提供可靠故障分析数据，方便操作人员切换充电回路避免机破的发生，并且对于机车上的铅酸蓄电池，能够在铅酸蓄电池亏电或故障情况下，应急升弓，为机车车辆的安全运行提供了可靠保障，以及针对机车上的镍镉蓄电池，能够解决在氢气浓度超过限定的情况下，通过硬件判断切断输出继电器，达到保护蓄电池箱安全的目的。

Description

一种机车电池组监测控制系统
技术领域
本发明涉及一种机车电池组监测控制系统，属于电池故障预警和健康管理技术领域。
背景技术
铅酸蓄电池在机车车辆辅助供电系统中是一个重要设备，它作为列车控制设备和各种应急照明的备用电源，保障列车主要控制系统的安全、稳定运行。目前内燃机车(HXN系列、DF系列)、电力机车(HXD系列、SS系列)基本采用铅酸电池。由于铅酸电池存在自放电高、低温放电性能差等特性，同时，由于机车蓄电池长时间处于浮充状态，使得活性物质脱落，电解液干涸，极板腐蚀和硫化，导致蓄电池容量降低，造成亏电。一旦蓄电池发生亏电现象，必给各检修段造成大量的工作负担及安全风险，如果亏电问题发生在运行线路上则可能造成机破事故。
机车蓄电池一般由48节或32节单体串联而成，其单元越多，就会造成不均衡性越大，不均衡性又会进一步导致充、放电状态下的电压产生差异。随着充、放电的循环往复，不均衡性差异不断增大，形成所谓的“落后单节”，因此，机车出现蓄电池亏电并不完全是由于整组蓄电池亏电，而是个别单节容量降低造成，而目前对于单节容量的检测手段局限与人工检测，费时费力，且达不到预期效果，既不能提前发现，又无法快速精准定位，给生产现场带来了很大的困难，也为机车埋下了故障隐患。
同样，镍镉蓄电池作为动车机车、车辆、城轨列车的辅助或者牵引电源，其重要性不言而喻。目前，镍镉电池采用预防性维护和纠正性维护结合的综合检修方式，即定周期进行不同程度的检查和维护、年度容量恢复及故障处理维修。但在电池的使用过程中，依然经常出现电解液失水、电解液渗漏、壳体爬电、极板及电缆铜绿、绝缘壳溶胶、过放电正负极翻转和烧蚀等故障，严重影响行车安全。
城轨车辆上镍镉蓄电池基本采用不限流的方式给蓄电池进行浮充电，为了保证辅助电源装置故障时车辆主要负载不断电，充电回路将一直保持导通，将导致蓄电池进入过充状态，进而不可避免的产生氢气；同时，蓄电池组线缆的磨损、蓄电池组连接松动等会触发火花等。综上，目前镍镉蓄电池缺乏自我检测及保护功能，实行盲充盲放，易引发蓄电池组着火乃至爆炸发生。
由于充电机与机车控制系统之间数据通讯不够精确故障显示过于简单，往往在机车行驶途中发生故障机车控制系统无法精确显示故障点，而充电机本身属于封闭式设备驾驶员及检修工人无法第一时间判断出故障点，从而导致无法给控制系统正常供电一但机车备用电源电量用光就会导致机车机破事故，造成不可挽回的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机车电池组监测控制系统，能够针对机车电池进行实时监测，并依据实时工作，实现针对异常结果的报警。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种机车电池组监测控制系统，用于针对机车内部、由各节单体电池串联所构成的电池组进行监测控制，其中，机车内还包括针对电池组的加热冷却装置，电池组经各继电器为机车内负载进行供电；包括电池监控系统，其中，电池监控系统包括控制器、以及分别与控制器相连接的电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块、内阻测量模块、开关量输入输出模块、绝缘监测模块、故障预警模块；
电压采集模块用于实时检测各节单体电池的电压、以及电池组的总电压；温度采集模块通过电池组各预设位置温度传感器的设置，实现电池组的温度分布的检测；电流采集模块用于通过分流器或电流传感器实时检测获得电池组的电流；内阻测量模块用于检测获得各节单体电池的内阻；绝缘监测模块用于针对电池组的正极、负极，实现高压电绝缘检测；上述所有的采集参数都上传至控制器；
故障预警模块用于根据控制器所接收到的各个检测数据，实现对各节单体电池、以及蓄电池组的异常分析，并根据异常结果实现向控制器的上传，以及报警信号的输出；
开关量输入输出模块用于针对电池组工作所涉及各继电器的触点进行检测，并上传至控制器；以及基于控制器的控制，实现针对电池组的加热冷却装置、所涉及的各继电器进行控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的状态估算模块，状态估算模块采用平均及离散分布理念，分别基于分频扩展卡尔曼滤波算法和充电曲线变换法，分别针对各节单体电池、实现电池荷电状态、电池健康状态的检测。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的均衡模块，均衡模块通过分别对应于各节单体电池设置的充放电装置，实现各节单体电池分别向所有单体电池的平均电压、平均电量目标的均衡控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的历史数据存储模块，用于存储电池监控系统中各模块工作中所涉及的数据与操作。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的通信模块，通信模块用于实现电池监控系统与其它系统之间的通信。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括PHM云平台系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经无线通信网络与PHM云平台进行通信，用于控制器针对所接收各检测数据、以及所接收异常结果，实现向PHM云平台的上传，并且实现PHM云平台向控制器下发电池标定参数、以及报警阈值参数。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括应急启动系统，其中，应急启动系统包括钛酸锂电池，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与应急启动系统进行通信，基于控制器所检测的指定异常结果，由钛酸锂电池实现向机车受电弓升系统的供电。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括充电机故障诊断系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与充电机故障诊断系统进行通信，充电机故障诊断系统针对机车内用于电池组充电的充电机，实现电压检测、电流检测，以及充电机工作状态的采集，同时基于与电池监控系统的通信，实现充电机的故障诊断，并针对异常结果进行报警。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括总压硬件保护系统，总压硬件保护系统用于针对电池组为机车内负载进行供电、所经过的各个继电器实现通断控制。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括易燃气体浓度报警系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与易燃气体浓度报警系统进行通信，易燃气体浓度报警系统通过设置于机车内的易燃气体探测器，实现机车内易燃气体浓度的监测，并实现异常状态下直接通过硬件电路切断电池组为机车内负载进行供电所经过的各个继电器。
本发明所述一种机车电池组监测控制系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计机车电池组监测控制系统，可为机车车辆电池系统提供多重安全保护，实现故障检测、判断、隔离、记录和定位，提高系统可靠性与安全性；同时可实现电池系统的健康状态管理与寿命管理，延长系统使用时间，在发现充电机故障时及时报警，系统能够为司机、以及检修人员提供可靠故障分析数据，方便操作人员切换充电回路避免机破的发生，并且对于机车上的铅酸蓄电池，能够在铅酸蓄电池亏电或故障情况下，应急升弓，为机车车辆的安全运行提供了可靠保障，以及针对机车上的镍镉蓄电池，能够解决在氢气浓度超过限定的情况下，通过硬件判断切断输出继电器，达到保护蓄电池箱安全的目的。
附图说明
图1是本发明设计机车电池组监测控制系统的模块架构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种机车电池组监测控制系统，用于针对机车内部、由各节单体电池串联所构成的电池组进行监测控制，其中，机车内还包括针对电池组的加热冷却装置，电池组经各继电器为机车内负载进行供电；如图1所示，包括电池监控系统，其中，电池监控系统包括控制器、以及分别与控制器相连接的电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块、内阻测量模块、开关量输入输出模块、绝缘监测模块、故障预警模块、状态估算模块、均衡模块、历史数据存储模块、通信模块。
电压采集模块用于实时检测各节单体电池的电压、以及电池组的总电压；温度采集模块通过电池组各预设位置温度传感器的设置，实现电池组的温度分布的检测；电流采集模块用于通过分流器或电流传感器实时检测获得电池组的电流；内阻测量模块用于检测获得各节单体电池的内阻，实际应用当中，内阻测量模块通过给电池施加固定频率及电流的正弦信号，然后对电池电压进行采样，经整流、滤波处理后计算电池内阻；绝缘监测模块用于针对电池组的正极、负极，实现高压电绝缘检测；上述所有的采集参数都上传至控制器。
故障预警模块用于根据控制器所接收到的各个检测数据，实现对各节单体电池、以及蓄电池组的异常分析，并针对异常结果诸如单体电池过充、过放、过流、过温、短路、断路、内阻异常，实现向控制器的上传，以及报警信号的输出；同时并可利用各串接的单节电池电压之和与电池组总电压的关系判断线路是否发生故障，实现向控制器的上传，以及报警信号的输出。
开关量输入输出模块用于针对电池组工作所涉及各继电器的触点进行检测，并上传至控制器；以及基于控制器的控制，实现针对电池组的加热冷却装置、所涉及的各继电器进行控制。
状态估算模块采用平均及离散分布理念，分别基于分频扩展卡尔曼滤波算法和充电曲线变换法，分别针对各节单体电池、实现电池荷电状态、电池健康状态的检测。
均衡模块通过分别对应于各节单体电池设置的充放电装置，实现各节单体电池分别向所有单体电池的平均电压、平均电量目标的均衡控制，实际应用当中，在电池处于浮充状态时启动，通过计算各单体电池电量、电压分别与平均电量及电压差值，推算各单体电池电量、电压达到平均状态所需要均衡的时间，即通过对应于各节单体电池设置的充放电装置，经充放电操作，进而实现对单体电池的均衡。
历史数据存储模块用于存储电池监控系统中各模块工作中所涉及的数据与操作。
通信模块用于实现电池监控系统与其它系统之间的通信。
基于上述所设计的电池监控系统，本发明所设计机车电池组监测控制系统中，还包括PHM云平台系统、应急启动系统、充电机故障诊断系统、总压硬件保护系统、易燃气体浓度报警系统，
电池监控系统中控制器通过通信模块，经无线通信网络与PHM云平台进行通信，用于控制器针对所接收各检测数据、以及所接收异常结果，实现向PHM云平台的上传，并且实现PHM云平台向控制器下发电池标定参数、以及报警阈值参数，实际应用当中，无线通信网络诸如采用GPRS、WIFI等无线通信网络；同时，PHM平台可与用户手机连接，进行实时的数据查询和历史数据调阅。
应急启动系统包括钛酸锂电池，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与应急启动系统进行通信，基于控制器所检测的指定异常结果，由钛酸锂电池实现向机车受电弓升系统的供电，实际应用中，诸如采用2kWh的钛酸锂电池、输出电压为72VDC～134VDC的钛酸锂电池，能够为供受电弓升系统启动2～5次。
电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与充电机故障诊断系统进行通信，充电机故障诊断系统针对机车内用于电池组充电的充电机，实现电压检测、电流检测，以及充电机工作状态的采集，同时基于与电池监控系统的通信，实现充电机的故障诊断，并针对异常结果进行报警。
总压硬件保护系统用于针对电池组为机车内负载进行供电、所经过的各个继电器实现通断控制，这里总压硬件保护系统的设计，包括分压电路和比较电路，其中，分压电路包括相互串联的电阻R1和电阻R2，电阻R1上背向电阻R2的一端作为Port1端，用于分压电路的输入、对接机车蓄电池组，电阻R2上背向电阻R1的一端接地，电阻R2的两端作为分压电路的输出端；比较电路包括比较器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、二极管D1、电容C9，电阻R4的其中一端作为比较电路的输入端，电阻R4的另一端对接比较器U1的正向输入端+IN，比较器U1的反向输入端-IN对接电阻R5的其中一端，电阻R5的另一端作为Port2端，用于接入预设参考电压，比较器U1的正极接入电压端V+对接预设供电电压VCC，比较器U1的负极接入电压端V-接地，且比较器U1的正极接入电压端V+串联电容C9后、对接比较器U1的负极接入电压端V-，比较器U1的输出端OUT依次串联二极管D1、电阻R6后、对接比较器U1的正向输入端+IN，同时比较器U1的输出端OUT即为比较电路的输出端；分压电路的输出端对接比较电路的输入端，比较电路的输出端作为Port3端，对接机车蓄电池组的输出接触器，用于针对机车蓄电池组向机车的供电实现通断切换。
电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与易燃气体浓度报警系统进行通信，易燃气体浓度报警系统通过设置于机车内的易燃气体探测器，实现机车内易燃气体浓度的监测，并实现异常状态下、直接通过硬件电路切断电池组为机车内负载进行供电、所经过的各个继电器。
实际应用中，对于机车上的镍镉蓄电池，易燃气体浓度报警系统具体为氢气浓度报警系统，系统完全由硬件电路组成，氢气气体探测器输出与氢气浓度相应电压值，通过比较器比较其参考电压关系，当探测器浓度超过限定值时，输出控制信号以切断输出继电器，并进行相应蜂鸣器报警。系统可在氢气失控的情况下避免蓄电池组失控，保证蓄电池组安全。
上述技术方案所设计机车电池组监测控制系统，可为机车车辆电池系统提供多重安全保护，实现故障检测、判断、隔离、记录和定位，提高系统可靠性与安全性；同时可实现电池系统的健康状态管理与寿命管理，延长系统使用时间，在发现充电机故障时及时报警，系统能够为司机、以及检修人员提供可靠故障分析数据，方便操作人员切换充电回路避免机破的发生，并且对于机车上的铅酸蓄电池，能够在铅酸蓄电池亏电或故障情况下，应急升弓，为机车车辆的安全运行提供了可靠保障，以及针对机车上的镍镉蓄电池，能够解决在氢气浓度超过限定的情况下，通过硬件判断切断输出继电器，达到保护蓄电池箱安全的目的。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种机车电池组监测控制系统，用于针对机车内部、由各节单体电池串联所构成的电池组进行监测控制，其中，机车内还包括针对电池组的加热冷却装置，电池组经各继电器为机车内负载进行供电；其特征在于：包括电池监控系统，其中，电池监控系统包括控制器、以及分别与控制器相连接的电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块、内阻测量模块、开关量输入输出模块、绝缘监测模块、故障预警模块；
电压采集模块用于实时检测各节单体电池的电压、以及电池组的总电压；温度采集模块通过电池组各预设位置温度传感器的设置，实现电池组的温度分布的检测；电流采集模块用于通过分流器或电流传感器实时检测获得电池组的电流；内阻测量模块用于检测获得各节单体电池的内阻；绝缘监测模块用于针对电池组的正极、负极，实现高压电绝缘检测；上述所有的采集参数都上传至控制器；
故障预警模块用于根据控制器所接收到的各个检测数据，实现对各节单体电池、以及蓄电池组的异常分析，并根据异常结果实现向控制器的上传，以及报警信号的输出；
开关量输入输出模块用于针对电池组工作所涉及各继电器的触点进行检测，并上传至控制器；以及基于控制器的控制，实现针对电池组的加热冷却装置、所涉及的各继电器进行控制。
2.根据权利要求1所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的状态估算模块，状态估算模块采用平均及离散分布理念，分别基于分频扩展卡尔曼滤波算法和充电曲线变换法，分别针对各节单体电池、实现电池荷电状态、电池健康状态的检测。
3.根据权利要求1所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的均衡模块，均衡模块通过分别对应于各节单体电池设置的充放电装置，实现各节单体电池分别向所有单体电池的平均电压、平均电量目标的均衡控制。
4.根据权利要求1所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的历史数据存储模块，用于存储电池监控系统中各模块工作中所涉及的数据与操作。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：所述电池监控系统还包括与所述控制器相连接的通信模块，通信模块用于实现电池监控系统与其它系统之间的通信。
6.根据权利要求5所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：还包括PHM云平台系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经无线通信网络与PHM云平台进行通信，用于控制器针对所接收各检测数据、以及所接收异常结果，实现向PHM云平台的上传，并且实现PHM云平台向控制器下发电池标定参数、以及报警阈值参数。
7.根据权利要求5所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：还包括应急启动系统，其中，应急启动系统包括钛酸锂电池，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与应急启动系统进行通信，基于控制器所检测的指定异常结果，由钛酸锂电池实现向机车受电弓升系统的供电。
8.根据权利要求5所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：还包括充电机故障诊断系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与充电机故障诊断系统进行通信，充电机故障诊断系统针对机车内用于电池组充电的充电机，实现电压检测、电流检测，以及充电机工作状态的采集，同时基于与电池监控系统的通信，实现充电机的故障诊断，并针对异常结果进行报警。
9.根据权利要求5所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：还包括总压硬件保护系统，总压硬件保护系统用于针对电池组为机车内负载进行供电、所经过的各个继电器实现通断控制。
10.根据权利要求5所述一种机车电池组监测控制系统，其特征在于：还包括易燃气体浓度报警系统，所述电池监控系统中控制器通过通信模块，经CAN总线与易燃气体浓度报警系统进行通信，易燃气体浓度报警系统通过设置于机车内的易燃气体探测器，实现机车内易燃气体浓度的监测，并实现异常状态下直接通过硬件电路切断电池组为机车内负载进行供电所经过的各个继电器。
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