CN114336892B - 一种蓄电池保护控制方法及其保护控制电路、轨道交通车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及蓄电池充电安全技术领域，具体涉及一种蓄电池保护控制方法及其保护控制电路、轨道交通车辆。所述蓄电池保护控制方法包括：采取超过预定充电时间强行从快充转换浮充的方法；通过充电电流变化速率，判断蓄电池充电是否正常的方法；通过监测充电电流，判断是否限制充电机以一个较小输出电流充电的方法；通过监测蓄电池的温度，判断蓄电池是否正常的方法；通过监测蓄电池充电电压、充电电流、温度数据，判断是否超出规定范围，并TCMS报警的方法。通过该方法保证蓄电池由快充及时转入浮充，并解决超温带来的热失控问题；此外还可以实现提前预警及保护控制的目的，大大降低了寿命期内蓄电池更换成本，提高了蓄电池的可用性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池充电安全技术领域，具体涉及一种蓄电池保护控制方法及其保护控制电路、轨道交通车辆。
背景技术
蓄电池的充电过程包括从快充转入浮充的过程，即快速升压后以较高的电压对蓄电池进行快充，达到一定程度后再以较低的恒电压小电流充电，目的一是防止蓄电池自放电，二是增加充电深度。因此，在蓄电池使用时，通常会设置一个电流指标，当蓄电池充电电流小于该指标时，充电机会自动由快充转入浮充。
然而，在实际充电过程中，由于电流传感器故障或误差导致无法准确检测出充电电流的下降情况，因而常常出现仍以较高电压进行快充、无法正常转入浮充的情况。由于蓄电池满电后会电解水，因此这种超长快充会加速电解液的消耗。
蓄电池充电存在的另一个问题是，当蓄电池进入使用后期，也就是寿命后期，会存在热失控的情况。具体表现是，在蓄电池浮充(恒压充电)过程中，浮充电流升高，导致蓄电池温度上升，蓄电池电极电动势下降，浮充电流进一步升高；此状态交替影响导致部分蓄电池单体提前内部短路，进而引发更多的蓄电池故障。虽然目前行业内已采取监控蓄电池浮充电流和电池温度高于警戒值时报警的手段来解决这一问题，但无法实现有效提前预警以及对电池的保护控制。
同时，现有研究也提出了多种有关列车蓄电池充电保护控制方法，如CN113206527A，其通过监测工作温度及充电电流指标实现快充强制转入浮充的目的，同时通过监测工作温度调节充电电压。CN101917045A提出了根据电池箱内温度，设置过压保护基准值，并通过监测浮充电压，调整浮充电压使其达到合适状态，从而实现对蓄电池保护。
然而，上述控制方法并未考虑到充电机与蓄电池控制电路匹配性问题，以及蓄电池后期性能下降的问题，导致实际充电并不能按照规定好的策略进行充电，执行效果并不理想；并且如出现不正常状态时，并不能报警提醒运营、维护人员，如长时间以不正常状态充电会加速蓄电池的劣化；可见上述控制方法同样存在判断不准确、控制效果不理想的问题，对蓄电池充电保护作用有限。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种蓄电池保护控制方法。通过该方法可以保证蓄电池由快充及时转入浮充，避免过快耗水的情况；同时可有效控制浮充过程中电池温度，解决蓄电池超温带来的热失控问题；此外，通过该控制方法还可以实现提前预警及保护控制的目的，从而避免因单节蓄电池故障导致整组蓄电池故障的情况发生，大大降低了寿命期内蓄电池更换成本，提高了蓄电池的可用性和安全性。
本发明所述的蓄电池保护控制方法，包括如下调控策略：
第一调控策略：在快充阶段，采取超过预定充电时间强行从快充转换浮充的方法；
第二调控策略：在快充阶段，通过充电电流变化速率，判断蓄电池充电是否正常的方法；
第三调控策略：在浮充阶段，通过监测充电电流，判断是否限制充电机以一个较小输出电流充电的方法；
第四调控策略：在整个充电过程中，通过监测蓄电池的温度，判断蓄电池是否正常的方法；
第五调控策略：在整个充电过程中，通过监测蓄电池充电电压、充电电流、温度数据，判断是否超出规定范围，并TCMS报警的方法。
针对上述两大类问题，本发明一方面提出通过指标判断强制由快充转入浮充的调控策略，以解决目前快充无法正常转入浮充的问题；另一方面，本发明提出通过特定监控指标多维度对蓄电池充电安全进行保护控制，以解决蓄电池寿命后期的浮充阶段的热失控问题。
具体来讲，目前快充阶段的监测指标主要以快充电流、快充电压、工作温度为主，但由于其变化规律与快充转入浮充的时机并不契合，往往存在实际快充超长或不足的情况，无法准确预判浮充转入时机。为此，本发明通过对快充阶段的各项指标与快充-浮充转入关系的深入研究以及大量试验验证后，引入了快充充电时间作为强制转入浮充的判断指标之一，如此即能够最大程度提高转入时机的准确性，保证快充效果，又避免多度快充带来的电解液快速消耗的问题。
同时，本发明首次提出以快充充电电流的变化速率作为监测指标，判断蓄电池充电正常与否的标准，起到提前预警的作用。同时通过以浮充充电电流作为监控指标，以实现以更低的预设电流进行浮充，从而实现对蓄电池的保护控制。此外，通过监测蓄电池的温度判断蓄电池是否正常的方法；并实时监测蓄电池的充电电压、充电电流、电池温度数据，判断是否超出规定范围，并TCMS报警的方法。
本发明通过上述多个调控策略，有效解决了目前快充无法正常转入浮充的问题，以及蓄电池寿命后期的浮充阶段的热失控问题，提高了蓄电池的可用性和安全性，大大降低了寿命期内蓄电池更换成本。
进一步地，本发明对上述各调控策略提供了具体地判断条件，以提高判断的准确性。本领域技术人员知晓，监控指标越多，判断越准确，蓄电池安全保护程度越高，但由于蓄电池充电机制复杂，快充电流、快充电压、浮充电流、浮充电压、充电时间、工作温度等各指标在整个充电过程中变化规律并不一致，且各指标之间的变化规律还未被本领域技术人员所熟悉掌握，因而现有技术虽已提出多种蓄电池充电保护方法，但其提出的具体保护策略在实际应用中发挥的作用并不理想。例如，若指标控制要求较为苛刻，在实际判断时，彼此之间产生干扰，影响了蓄电池正常的充电工作；若指标控制要求较为温和，又无法起到充电保护的作用。
为此，本发明在上述保护策略基础上进一步优化了各调控策略的具体判断条件：
所述第一调控策略为：
当温度≥45℃时，或快充电流<I1且持续10s以上时，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；其中，I1可根据EN50547标准设定，如对于碱性蓄电池，其I1取值为0.05ItA；
根据不同的快充电流确定充电机强制转入浮充的时间，具体原则为：充电倍率与持续时间的乘积≥1时，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；以0.3倍率和0.2倍率为例，充电机强制转入浮充的时间如下：
当快充电流>0.2ItA且持续5h以上，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
当快充电流>0.3ItA且持续3.5h以上，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
当升压充电阶段持续时间>0.5h以上，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示。
进一步地，所述第二调控策略为：
当快充电流下降斜率<5A/10min，且快充电流介于0.15ItA～0.3ItA之间时，TCMS预警提示，停止充电，回库检查；
当快充电流下降斜率<5A/10min，且快充电流介于0.05ItA～0.15ItA之间时，TCMS预警提示，同时充电机按照60℃固定电压浮充，并限制充电机以输出电流3～5A充电。
进一步地，所述第三调控策略为：当浮充电流超过5A以上且持续2h以上时，TCMS预警提示，并限制充电机以输出电流3～5A充电。
进一步地，所述第四调控策略为：
当60℃<温度<70℃时，施加60℃时固定电压，并限制充电机以输出电流3～5A充电；
当温度≥70℃时，充电机应强制停止充电；
当监测温度恒定在量程最小值时，判断为温度传感器短路故障；
当监测温度低于-40℃，强制进入最低电压充电，TCMS报警故障。
进一步地，所述第五调控策略为：
在不包含快充转浮充节点的限流充电阶段，当蓄电池充电电压30min内下降超过3V时，TCMS预警提示；
当充电倍率与持续时间的乘积≥1时，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；例如，若蓄电池快充电流持续>0.3ItA，且连续充电时间>3.5h，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；若蓄电池快充电流持续>0.2ItA，且连续充电时间>5h，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
当快充电压超出预定值时，TCMS一级预警即将亏电；
对于双曲线充电方式的蓄电池，当升压充电阶段持续时间>0.5h以上，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；
对于双曲线充电方式的蓄电池，蓄电池退出限流充电转恒压充电时，当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.15-0.3ItA之间时，TCMS预警提示，回库检查；当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.05-0.15ItA之间时，充电机按照60℃浮充电压并限制充电机输出电流3～5A充电，TCMS预警提示；
为防止电流在I1附近不稳定，导致升压和浮充充电频繁转换，本发明设定当浮充电流>I3(0.1ItA)且持续10s以上时，强制浮充转入升压快充，TCMS预警提示。
当浮充电流值超过5A以上且持续2h以上时，TCMS提示预警，并限制充电机以输出电流3～5A充电，TCMS预警提示；
当充电机输出电流值超过5A以上且持续8小时以上时，TCMS提示预警，并限制充电机给蓄电池输出电流不超过5A；
当两组蓄电池的温度差值超过10℃时，TCMS预警提示；
当温度值显示最大或者最小时，TCMS报警提示温度传感器故障；
当电压测量值偏离正常范围时，TCMS报警提示电压传感器故障；
当蓄电池温度≥55℃，TCMS预警提示超温；
当温度<-40℃，强制进入最低电压充电，TCMS报警故障。
此外，由于蓄电池充电模式分为双曲线充电方式和单曲线充电方式，在实施上述调控策略时，应当基于具体充电模式选择相匹配的判断条件及控制方法。在具体实施方式部分，将对此进一步说明。
第二方面，本发明还提供一种蓄电池保护控制电路，包括：蓄电池箱体、蓄电池、温度传感器、充电机、电流传感器、电压传感器，列车TCMS部件；其中：
所述蓄电池与所述温度传感器布置于蓄电池箱体内；
所述电流传感器与所述电压传感器布置于所述充电机内；
所述TCMS用于记录温度、充电电流、充电电压参数；
所述温度传感器将温度信号传输至所述充电机；所述充电机根据温度调节充电电压，并将温度传输至TCMS。
第三方面，本发明还提供一种轨道交通车辆，其采用上述方法对蓄电池进行保护控制。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种蓄电池保护控制方法，可以保证蓄电池由快充及时转入浮充，避免过快耗水的情况；同时可有效控制浮充过程中电池温度，解决蓄电池超温带来的热失控问题；此外，通过该控制方法还可以实现提前预警及保护控制的目的，从而避免因单节蓄电池故障导致整组蓄电池故障的情况发生，大大降低了寿命期内蓄电池更换成本，提高了轨道交通车辆蓄电池的可用性和安全性。
附图说明
图1为实施例1双曲线充电模式的蓄电池的充电过程示意图。
图2为实施例1双曲线充电模式的蓄电池的双曲线充电与温度特性曲线。
图3为实施例2单曲线充电模式的蓄电池的单曲线充电与温度特性曲线。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种带温度补偿的双曲线充电模式的蓄电池的保护控制方法。
所述双曲线充电模式为快充、浮充电相结合的方式，其充电过程为：限流阶段、升压充电阶段和浮充电阶段。
以镍镉碱性中高倍率蓄电池为例，其充电过程示意图如图1所示，其双曲线中升压曲线如图2所示。电压精度控制在±1.5％。
充电过程具体如下：
限流阶段：使用恒定电流I2(如0.2ItA)，电压随蓄电池充电状态升高，直至电压达到U1时结束，U1由当前蓄电池的温度和双曲线中升压曲线(见图2)决定。
升压充电阶段：充电电压维持U1恒定，充电电流会迅速减小。
浮充阶段：浮充电压为U2，U2由当前蓄电池温度和双曲线中浮充电曲线(见图2)决定。浮充电电流会持续减小，在浮充电后期充电电流通常<1A。
为降低蓄电池水消耗，同时保证蓄电池荷电容量，蓄电池采用温度补偿充电。温度每上升(下降)1℃，蓄电池充电电压相应降低(升高)3mV/节。该蓄电池的双曲线充电与温度特性曲线如图2所示。
具体说明如下：
(1)20℃时，升压充电电压为1.50V/只(78只为117V)，在-20℃～45℃之间，按-0.003V/℃/只(78只为0.234V/℃)进行温度补偿；
当温度≤-20℃时，升压充电电压为1.62V/只(78只为126.36V)；
当温度≥45℃时，升压充电电压与浮充电电压保持一致，为1.36V/只(78只为106.08V)。
(2)20℃时，浮充电电压为1.42V/只(78只为110.76V)，在-20℃～40℃之间，按-0.003V/℃/只(78只为0.234V/℃)进行温度补偿；
当温度≤-20℃时，浮充电电压为1.54V/只(78只为120.12V)；
当温度≥40℃时，浮充电电压为1.36V/只(78只为106.08V)。
针对上述带温度补偿的双曲线充电模式的蓄电池提出的充电保护方法：
其充电电压符合温度曲线的要求，电压精度控制在±2％；
当温度≥45℃时，或充电电流<I1(0.05ItA)且持续10s以上时，升压阶段结束，充电机强制进入浮充阶段；
若蓄电池充电电流持续>0.3ItA，且连续充电时间>3.5h，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
若蓄电池充电电流持续>0.2ItA，且连续充电时间>5h，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
若蓄电池升压充电阶段持续时间>0.5h，充电机强制进入浮充电状态，TCMS预警提示；
当充电电流≥I3(0.1ItA)且持续10s以上时，浮充电转为升压充电；
蓄电池退出限流充电转恒压充电时，当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.15ItA～0.3ItA(0.2ItA限流时取0.2ItA)之间时，提示预警信息，回库检查；当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.05ItA～0.15ItA之间时，充电机按照60℃浮充电并限制充电机输出电流3A充电，TCMS预警；
在浮充电阶段时，如果电流值超过5A以上且持续2小时以上时TCMS提示预警，限制充电机给蓄电池输出电流在3A以内。
当60℃<温度<70℃时，按照60℃浮充电并限制充电机输出电流3A充电；
当温度≥70℃时，充电机应强制停止对蓄电池的充电；
当温度测量值恒定在量程最小值时可判断为温度传感器短路故障；
当检测温度低于-40℃，此时强制进入最低电压充电，故障警告给TCMS。
实施例2
本实施例提供一种带温度补偿的单曲线充电模式的蓄电池的保护控制方法。
所述单曲线充电模式为限流充电、浮充电相结合的方式，其充电过程为：限流阶段和浮充电阶段。
以烧结式镍镉碱性蓄电池为例，充电过程具体如下：
限流阶段：使用恒定电流(如0.2ItA)，电压随蓄电池充电状态升高，直至电压达到浮充电压值时结束，浮充电压由当前蓄电池的温度和充电曲线(见图3)决定。
浮充阶段：当充电电压达到浮充电压值时，进入浮充阶段，浮充电压由当前蓄电池的温度和充电曲线(见图3)决定。
烧结式镍镉碱性蓄电池的单曲线充电与温度特性曲线如图3所示，具体说明如下：
(1)-25℃<温度<60℃：在+20℃下以1.47V/单体充电，在-25℃～60℃之间，按-0.003V/℃/只进行温度补偿，电流限制0.2ItA。
(2)+60℃≤温度<+65℃:按-0.01V/℃/只进行温度补偿，电流限制0.2ItA。
(3)+65℃≤温度<+70℃：需要施加固定的充电电压(1.30V/单体)。
(4)温度≥+70℃：切断充电。
(5)如果温度传感器出现故障，临时使用20℃充电值(每节电池1.47V)，除非另有规定。
针对上述带温度补偿的单曲线充电模式的蓄电池提出的充电保护方法：
其充电电压符合温度曲线的要求，电压精度控制在±2％；
限流充电阶段：
当蓄电池充电电压30min内下降超过3V时，TCMS预警提示。
当蓄电池充电电流持续>0.2ItA，且连续充电时间>5h时，充电机强制进入浮充状态，TCMS预警提示；
浮充阶段：
当充电机输出电流值超过5A以上且持续2小时以上时，TCMS提示预警，并限制充电机给蓄电池输出电流在3A以内；
当充电机输出电流值超过5A以上且持续8小时以上时，TCMS提示预警，并限制充电机给蓄电池输出电流不超过5A；
当蓄电池温度≥55℃，TCMS提示超温预警；
当60℃<温度<70℃时，按照充电曲线或施加60℃时固定电压，并限制充电机输出电流5A充电；
当温度≥70℃时，充电机应强制停止对蓄电池的充电；
当温度测量值恒定在最大或者最小时，TCMS报警提示温度传感器故障；
当测量值偏离蓄电池电压正常范围(≥135V或者≤77V时)时，TCMS报警提示电压传感器故障；
当温度低于-40℃，此时强制进入最低电压充电，故障警告给TCMS。
当蓄电池电压DC为84V时，TCMS预警提示蓄电池即将亏电；
当两组蓄电池的温度差值超过10℃，TCMS预警提示。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种蓄电池保护控制方法，其特征在于，包括如下调控策略：
第一调控策略：在快充阶段，采取超过预定充电时间强行从快充转换浮充的方法；
第二调控策略：在快充阶段，通过充电电流变化速率，判断蓄电池充电是否正常的方法；
第三调控策略：在浮充阶段，通过监测充电电流，判断是否限制充电机以一个较小输出电流充电的方法；
第四调控策略：在整个充电过程中，通过监测蓄电池的温度，判断蓄电池是否正常的方法；
第五调控策略：在整个充电过程中，通过监测蓄电池充电电压、充电电流、温度数据，判断是否超出规定范围，并TCMS报警的方法；
所述第二调控策略为：
当快充电流下降斜率<5A/10min，且快充电流介于0.15ItA～0.3ItA之间时，TCMS预警提示，停止充电，回库检查；
当快充电流下降斜率<5A/10min，且快充电流介于0.05ItA～0.15ItA之间时，TCMS预警提示，同时充电机按照60℃固定电压浮充，并限制充电机以输出电流3～5A充电；
当浮充电流>0.1ItA，且持续10s以上时，强制浮充转入升压快充，TCMS预警提示。
2.根据权利要求1所述的蓄电池保护控制方法，其特征在于，所述第一调控策略为：
当温度≥45℃时，或快充电流<I1且持续10s以上时，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；其中I1根据EN50547标准设定；
当充电倍率与持续时间的乘积≥1时，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；
当升压充电阶段持续时间>0.5h以上，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示。
3.根据权利要求1所述的蓄电池保护控制方法，其特征在于，所述第三调控策略为：当浮充电流超过5A以上且持续2h以上时，TCMS预警提示，并限制充电机以输出电流3～5A充电。
4.根据权利要求1所述的蓄电池保护控制方法，其特征在于，所述第四调控策略为：
当60℃<温度<70℃时，施加60℃时固定电压，并限制充电机以输出电流3～5A充电；
当温度≥70℃时，充电机应强制停止充电；
当监测温度恒定在量程最小值时，判断为温度传感器短路故障；
当监测温度低于-40℃，强制进入最低电压充电，TCMS报警故障。
5.根据权利要求1所述的蓄电池保护控制方法，其特征在于，所述第五调控策略为：
在不包含快充转浮充节点的限流充电阶段，当蓄电池充电电压30min内下降超过3V时，TCMS预警提示；
当充电倍率与持续时间的乘积≥1时，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；
当快充电压超出预定值时，TCMS一级预警即将亏电；
当升压充电阶段持续时间>0.5h以上，充电机强制进入浮充阶段，TCMS预警提示；
对于双曲线充电方式的蓄电池，蓄电池退出限流充电转恒压充电时，当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.15-0.3ItA之间时，TCMS预警提示，回库检查；当电流下降斜率<5A/10min，且电流介于0.05-0.15ItA之间时，充电机按照60℃浮充电压并限制充电机输出电流3～5A充电，TCMS预警提示；
当浮充电流值超过5A以上且持续2h以上时，TCMS提示预警，并限制充电机以输出电流3～5A充电；
当充电机输出电流值超过5A以上且持续8小时以上时，TCMS提示预警，并限制充电机给蓄电池输出电流不超过5A；
当两组蓄电池的温度差值超过10℃时，TCMS预警提示；
当温度值显示最大或者最小时，TCMS报警提示温度传感器故障；
当电压测量值偏离正常范围时，TCMS报警提示电压传感器故障；
当温度≥55℃，TCMS预警提示超温；
当温度<-40℃，强制进入最低电压充电，TCMS报警故障。
6.一种轨道交通车辆，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述方法对蓄电池进行保护控制。
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