CN110600824A - 轨道车辆用蓄电池监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆用蓄电池监测系统及监测方法，监测系统包括子节点、主节点；子节点安装于各节蓄电池上，用于检测各节蓄电池的液位、电压、温度信息；各子节点分别无线连接至主节点，主节点与列车网络系统有线连接。本发明蓄电池监测系统中各子节点与主节点无线连接，避免了由于蓄电池较多导致的走线繁琐以及走线破损导致的短路等问题，且易于安装，系统结构简单，能够实现远端监测蓄电池状态。本发明通过蓄电池液位报警判定，可有效规避蓄电池缺液干烧等问题；同时，当缺液得不到及时处理或者可能存在的液位监测功能故障时，电压监测和温度监测能保证蓄电池异常时有报警信号输出，避免因为蓄电池故障漏报导致的车辆安全隐患。

Description

轨道车辆用蓄电池监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于蓄电池监测技术领域，尤其涉及一种轨道车辆用蓄电池监测系统及监测方法。

背景技术

蓄电池是保障车辆应急供电的储能装置，其功能状态的好坏关系到列车能否安全运行。在长期使用中，由于对蓄电池的充放电次数的增加以及蓄电池内部电解液的消耗、挥发等因素，会导致蓄电池性能下降。

大部分蓄电池故障的问题主要是由于内部电解液液位过低所致，而目前对于蓄电池故障的监测方法主要是通过分别监测单节蓄电池的如内阻、电压、温度等信息，然后以有线传输的方式将监测结果传输到列车网络。该类测试方法存在如下不足：(1)当蓄电池内部电解液降到最低警示液位以下时，由于极板之间填充介质中残存电解液，短时间内蓄电池不会出现内阻、电压、温度的异常，因此监测如蓄电池组内阻、单节电池的电压、电池节点温度等间接的测试方法虽然能够识别蓄电池故障，但是不能有效的对故障进行预判；(2)由于蓄电池箱中有数十节蓄电池，有线传输的方式会导致走线繁琐，且列车运行震动过程中容易导致走线短路问题。

因此，有必要结合上述现有蓄电池装置的设计，提供一种结构简单的、有效的蓄电池监测系统。

发明内容

本发明针对现有蓄电池储能装置状态监测方面存在的不足，提供了一种轨道车辆用蓄电池监测系统及监测方法，以实时监测蓄电池的状态。

为了实现上述目的，本发明提供了一种轨道车辆用蓄电池监测系统，包括子节点、主节点；所述子节点安装于各节蓄电池上，用于检测各节蓄电池的液位、电压、温度信息；各子节点分别无线连接至主节点，组成星型网络拓扑结构；所述主节点与列车网络系统有线连接，所述主节点用于根据各子节点检测的各节蓄电池的液位、电压、温度信息进行故障预判，并将故障信息上传至列车网络系统。

优选的，所述子节点包括信息采集单元、子MCU处理器、以及无线通信模块，所述信息采集单元用于采集各节蓄电池的液位、电压、温度信息并传输至子MCU处理器进行AD转换、运算处理，所述子MCU处理器内置有液位报警判定程序，用于判断蓄电池的液位报警信息；所述主节点包括无线通信模块、主MCU处理器、以及有线通信模块；所述主MCU处理器内置有电压、温度故障判定程序，用于判断蓄电池的电压、温度故障信息。

优选的，所述信息采集单元包括液位检测模块，用于检测蓄电池最低液位；所述液位检测模块包括电容传感器、与所述电容传感器连接的电容检测电路；所述电容传感器采集各节蓄电池电容信息，并通过电容检测电路传输至子MCU处理器以计算蓄电池电容值并进行液位报警判定，子MCU处理器并将蓄电池电容值、液位报警信息上传至主节点。

优选的，所述电容传感器采用表贴式电容传感器，设置于单节蓄电池外表面；所述电容传感器背面覆铜，以隔离相邻蓄电池的液位影响；所述电容传感器通过柔性电路板与所述子MCU处理器连接。

优选的，所述信息采集单元还包括电压测试模块，所述电压测试模块直接采集单节蓄电池正、负极点的电压信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池电压值，并将蓄电池电压值传输至主节点进行电压故障预判。

优选的，所述信息采集单元进一步包括温度测试模块，所述温度测试模块包括温度传感器；所述温度传感器采集各节蓄电池正、负极点的温度信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池温度值，并将蓄电池温度值传输至主节点进行温度故障预判。

优选的，各节蓄电池正、负极点设置有压接端子，所述压接端子设置有压线槽，所述温度传感器封装于所述压线槽内。

优选的，所述子节点还包括电源模块，所述电源模块包括升压电路，将低压蓄电池电压转换为子节点供电电压。

本发明还提供了一种蓄电池检测方法，采用上述的轨道车辆用蓄电池监测系统，包括：

设定蓄电池液位报警优先级高于电压报警与温度报警；

蓄电池液位判定：给定蓄电池最低判定液位，设定蓄电池最低判定液位时采集的电容值为电容基准值；若电容传感器采集的电容值低于电容基准值，则电容检测电路输出高电平至子MCU处理器；若给定时间内电容检测电路持续输出高电平，则表示蓄电池液位低于给定的蓄电池最低判定液位，进行蓄电池液位报警。

优选的，所述蓄电池监测方法还包括：

蓄电池电压判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池电压值，计算平均电压值；若存在某子节点的电压值远高于或低于平均电压值，则进行蓄电池电压报警；

蓄电池温度判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池温度值，计算平均温度值；若存在某子节点的温度值远高于或低于平均温度值，则进行蓄电池温度报警。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明针对现有的蓄电池储能装置，提供了一种用于监测蓄电池状态的蓄电池监测系统，监测系统包括子节点、主节点；子节点安装于各节蓄电池上，用于检测各节蓄电池的液位、电压、温度信息；各子节点分别无线连接至主节点，主节点与列车网络系统有线连接。本发明监测系统中各子节点与主节点无线连接，组成星型网络拓扑结构，避免了由于蓄电池较多导致的走线繁琐以及走线破损导致的短路等问题，且易于安装。系统设计简单，智能化程度高，能够远程监控蓄电池的状态，实现远端智能化管理以及故障预判。

本实施例还相应提供了一种蓄电池监测方法，包括液位判定、电压判定、以及温度判定，子节点的子MCU处理器内置有液位报警判定程序，主节点的主MCU处理器内置有电压、温度故障判定程序，且液位判定优先级高于电压判定与温度判定，通过监测最低液位的方式预判蓄电池缺液故障，可有效规避蓄电池缺液干烧等问题；同时，当缺液得不到及时处理或者可能存在的液位监测功能故障时，电压监测和温度监测能保证蓄电池异常时有报警信号输出，避免因为蓄电池故障漏报导致的车辆安全隐患。

附图说明

图1为本发明的蓄电池监测系统结构示意图；

图2为子节点的原理框图；

图3为液位检测模块原理框图；

图4为电容传感器在蓄电池上的安装方式；

图5为温度传感器的封装方式；

图6为主节点的原理框图；

其中：1-子节点、11-电源模块、12-信息采集单元、121-电容传感器、122-柔性电路板、123-温度传感器、13-子MCU处理器、14-无线通信模块、2-主节点、21-无线通信模块、22-主MCU处理器、23-有线通信模块、3-蓄电池、31-压接端子、32-压线槽。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

参考图1所示，本申请在现有蓄电池储能装置的基础上设计了一种用于检测蓄电池状态信息的轨道车辆用蓄电池监测系统，包括子节点1与主节点2；其中，子节点1安装于各节蓄电池3上，用于检测各节蓄电池的液位、电压、温度信息；各子节点1无线连接至主节点2，组成星型网络拓扑结构；主节点2与TCMS列车网络系统有线连接，主节点根据各子节点检测的各节蓄电池的液位、电压、温度信息进行故障预判，并将故障信息上传至TCMS列车网络系统。本实施例中每个单节蓄电池上安装有子节点，子节点可以实时监测蓄电池的液位、电压以及温度信息，每个子节点监测的数据通过无线通信传输到唯一的主节点上，主节点通过有线传输方式将报警信息信息传输到TCMS列车网络系统。本实施例中各子节点与主节点直接无线通信，避免了由于蓄电池较多导致的走线繁琐以及走线破损导致的短路等问题，且易于安装。

下面将对本实施例提供的蓄电池监测系统进行详细说明：

参考图1-图6所示，对于子节点，本实施例中子节点1具体包括电源模块11、信息采集单元12、子MCU处理器13、以及无线通信模块14，参考图2所示。其中，信息采集单元用于采集各节蓄电池的液位、电压、温度信息并传输至子MCU处理器进行AD转换、运算处理，子MCU处理器内置有液位报警判定程序，用于判断蓄电池的液位报警信息。对于主节点2，主节点2包括无线通信模块21、主MCU处理器22、以及有线通信模块23；主MCU处理器内置有电压、温度故障判定程序，用于判断蓄电池的液位、电压、温度故障信息。主节点具备数据存储、下载、RTC和对外与列车网络通信的功能，参考图6所示。

具体的，对于子节点的信息采集单元12，其具体包括液位检测模块、电压测试模块以及温度测试模块，分别用于检测蓄电池最低液位、电压信息以及温度信息。对于液位检测模块，参考图3、图4所示，本实施例中液位检测模块包括电容传感器、与电容传感器连接的电容检测电路；电容传感器采集各节蓄电池电容信息，并通过电容检测电路传输至子MCU处理器计算蓄电池电容值并进行液位报警判定，并将蓄电池电容值、液位报警信息上传至主节点。

参考图4所示，实际设计中，由于电解液的腐蚀性和挥发性，蓄电池的液位监测利用电容的边缘场效应设计表贴式电容传感器，电容传感器121贴于蓄电池3外表面，外壳厚度只要小于4mm便可对内部液位有效监测，无外壳透明度要求。同时，由于大部分列车蓄电池箱内部每节蓄电池紧密相邻，间距小于3mm，为了能够实现对最低液位的监测，基于PCB设计厚度为1.6mm的电容传感器，PCB设计的电容传感器背面覆铜以隔离相邻蓄电池的液位影响。另外，由于间距限制，为了安装方便以及通信可靠性，将子节点1的子MCU处理器与电容传感器121之间设计为一体的柔性电路板122连接。本实施例设计的表贴式电容传感器能够满足现有列车中绝大多数的安装要求，具有通用性。

对于电压测试模块，电压测试模块直接采集单节蓄电池正、负极点的电压信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池电压值，并将蓄电池电压值传输至主节点进行电压故障预判，电压测试功能作为液位监测功能的辅助功能。

对于温度测试模块，其包括温度传感器，温度传感器采集各节蓄电池正、负极点的温度信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池温度值，并将蓄电池温度值传输至主节点进行温度故障预判。参考图4、图5所示，本实施例中温度传感器123具体采用负温度系数NTC热敏电阻，各单节蓄电池3正、负极点设置有压接端子31，压接端子31设置有压线槽32，NTC热敏电阻封装于压接端子的压线槽32内，保证与蓄电池极点的接触和最有效的热传导，温度传感器采集各节蓄电池正、负极点的温度信息并通过子MCU处理器内置AD模块计算蓄电池节点温度值并将温度值以无限传输的方式发送到主节点，温度测试功能作为液位监测功能的辅助功能。

对于子节点的电源模块，为了避免外接电源导致走线繁琐，本实施例中子节点的电源模块直接由蓄电池供电，而实际设计中因单节蓄电池的电压(约1.2V)相对大部分芯片的供电电压偏低，因此，电源模块设置了升压电路，将低压蓄电池电压转换为子节点供电电压(3.3V)。

值得注意的是，由于电解液会挥发氢气，为了防止蓄电池监测系统安装后出现异常可能产生的放电导致氢爆，本实施例中所有元器件全部打胶密封。

根据上述的蓄电池监测系统，本发明还提供了相应的监测方法，蓄电池检测方法包括蓄电池液位判定、电压判定、以及温度判定，且设定蓄电池液位报警优先级高于电压报警与温度报警优先级。

对于蓄电池液位判定：给定蓄电池最低判定液位，设定蓄电池最低液位时采集的电容值为电容基准值；当液位下降到最低液位以下时，由于介质变化，测得的容值发生变化，若检测到电容传感器采集的电容值低于电容基准值，则电容检测电路输出高点平至子MCU处理器作为报警信号。

实际判断蓄电池液位判断中，由于列车实际运行中存在加速、减速或者颠簸导致蓄电池液位震荡的问题，若每当液位偏离最低液位便输出报警信号容易导致误报警。因此，本实施例在子MCU处理器中设置液位报警判定程序，若监测到给定时间内(例如5min)电容检测电路持续输出高电平，则表示蓄电池液位低于给定的蓄电池最低判定液位，进行蓄电池液位报警。

对于蓄电池电压判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池电压值，计算平均电压值；若存在某子节点的电压值远高于或低于平均电压值，则进行蓄电池电压报警。对于蓄电池温度判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池温度值，计算平均温度值；若存在某子节点的温度值远高于或低于平均温度值，则进行蓄电池温度报警。

一般情况下，若蓄电池出现缺液的情况，子节点的液位监测功能首先监测到液位异常并报警，当缺液得不到及时处理时，由于长时间工作大量消耗、挥发蓄电池极板介质里残余的电解液时，电压和温度值才会出现异常并报警。实际监测中，由于充电机的故障导致长时间持续大电流充电时，可能出现液位、电压、温度同时报故障现象。

因此，本发明的蓄电池监测系统的采用液位检测、电压监测与温度监测三种监测方式结合的方式，通过监测最低液位的方式预判蓄电池缺液故障，可有效规避蓄电池缺液干烧等问题；当缺液得不到及时处理或者可能存在的液位监测功能故障时，电压监测和温度监测能保证蓄电池异常时有报警信号输出，避免因为蓄电池故障漏报导致的车辆安全隐患。本发明提供的蓄电池监测系统能够远程监控蓄电池工作状态，实现远端智能化管理以及故障预判，系统设计简单，智能化程度高。

Claims (10)

1.一种轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，包括子节点、主节点；所述子节点安装于各节蓄电池上，用于检测各节蓄电池的液位、电压、温度信息；各子节点分别无线连接至主节点，组成星型网络拓扑结构；所述主节点与列车网络系统有线连接，所述主节点用于根据各子节点检测的各节蓄电池的液位、电压、温度信息进行故障预判，并将故障信息上传至列车网络系统。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述子节点包括信息采集单元、子MCU处理器、以及无线通信模块，所述信息采集单元用于采集各节蓄电池的液位、电压、温度信息并传输至子MCU处理器进行AD转换、运算处理，所述子MCU处理器内置有液位报警判定程序，用于判断蓄电池的液位报警信息；所述主节点包括无线通信模块、主MCU处理器、以及有线通信模块；所述主MCU处理器内置有电压、温度故障判定程序，用于判断蓄电池的电压、温度故障信息。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述信息采集单元包括液位检测模块，用于检测蓄电池最低液位；所述液位检测模块包括电容传感器、与所述电容传感器连接的电容检测电路；所述电容传感器采集各节蓄电池电容信息，并通过电容检测电路传输至子MCU处理器以计算蓄电池电容值并进行液位报警判定，子MCU处理器并将蓄电池电容值、液位报警信息上传至主节点。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述电容传感器采用表贴式电容传感器，设置于单节蓄电池外表面；所述电容传感器背面覆铜，以隔离相邻蓄电池的液位影响；所述电容传感器通过柔性电路板与所述子MCU处理器连接。

5.根据权利要求2-4任一项所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述信息采集单元包括电压测试模块，所述电压测试模块直接采集单节蓄电池正、负极点的电压信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池电压值，并将蓄电池电压值传输至主节点进行电压故障预判。

6.根据权利要求2-4任一项所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述信息采集单元进一步包括温度测试模块，所述温度测试模块包括温度传感器；所述温度传感器采集各节蓄电池正、负极点的温度信息，并传输至子MCU处理器，通过子MCU处理器内置的AD模块计算蓄电池温度值，并将蓄电池温度值传输至主节点进行温度故障预判。

7.根据权利要求6所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，各节蓄电池正、负极点设置有压接端子，所述压接端子设置有压线槽，所述温度传感器封装于所述压线槽内。

8.根据权利要求1-4任一项所述的轨道车辆用蓄电池监测系统，其特征在于，所述子节点还包括电源模块，所述电源模块包括升压电路，将低压蓄电池电压转换为子节点供电电压。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的轨道车辆用蓄电池监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

设定蓄电池液位报警优先级高于电压报警与温度报警；

蓄电池液位判定：给定蓄电池最低判定液位，设定蓄电池最低判定液位时采集的电容值为电容基准值；若电容传感器采集的电容值低于电容基准值，则电容检测电路输出高电平至子MCU处理器；若给定时间内电容检测电路持续输出高电平，则表示蓄电池液位低于给定的蓄电池最低判定液位，进行蓄电池液位报警。

10.根据权利要求9所述的蓄电池检测方法，其特征在于，还包括：

蓄电池电压判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池电压值，计算平均电压值；若存在某子节点的电压值远高于或低于平均电压值，则进行蓄电池电压报警；

蓄电池温度判定：主节点的主MCU处理器比较所有子节点采集的各节蓄电池温度值，计算平均温度值；若存在某子节点的温度值远高于或低于平均温度值，则进行蓄电池温度报警。