CTM蓄电池地铁车辆蓄电池问题分析及改进措施的研究
ctm蓄电池地铁车辆蓄电池问题分析及改进措施的研究
本文结合地铁车辆对车载蓄电池的实践运用需求，针对在日常保护中遇到的扎手问题，侧重研究了镍镉蓄电池的作业原理，并且对保护进程中遇到的问题进行深化的剖析，找出问题的深层原因，研究出了可行性方案来评价出蓄电池的功能且给出合理的、科学的保护辅导建议。本文论述的改进办法是运用电导率与溶液浓度之间存在的特定函数联系，经过将相互平行且距离是固定值的电导极板，放到被测溶液中，分别在极板的两头加上必定的电势，丈量极板间经过的微小电流，得出被测溶液电导率这种办法，施行制作了蓄电池溶液浓度测验仪来对投入运用的蓄电池单体电解液浓度定时进行测验、评价及保护，使长时刻运行的每组蓄电池组单体电解液浓度维持在恰当的范围内，然后使蓄电池组的容量可以在保护进程中得到有用的康复，快充才能、放电深度都能保持在一个安稳的时刻内，延伸运用寿命。
关键词：镍镉蓄电池；溶液浓度测验仪；运用寿命；
1引 言
地铁车载蓄电池选用的是功能优异、少保护的镉镍碱性蓄电池，与车载的整流变压设备并联运用。在浮充进程中，负载的电流悉数由整流设备供应，一起还对蓄电池进行弥补充电，而蓄电池只起着滤波的效果，当整流设备的前级设备呈现故障时，才由蓄电池对负载进行供电。这种接连的浮充制作业办法虽然可使电压设备切换的转化功率较高，可是跟着长时刻的运用，会致使长时刻处于浮充状况下的蓄电池呈现纤维极板腐蚀、硫化，以及内嵌的活性物质掉落等问题，严重的会直接影响到列车激活瞬间的电能需求及维持规定的紧迫供电时刻，存在较大的安全隐患，关于地铁这种高密度、大运量的特别行业，任何安全隐患都是是坚决不允许发生的。
根据上述的问题，蓄电池的日常保护保养就显得特别重要了，经过对多个地铁公司的调研发现，现场急需一种科学的、有用的保护手法，来改善现在遇到的窘境。本文结合车载蓄电池在日常保护及运用进程中常常遇到的问题进行剖析研究，找出问题的深层原因，为蓄电池充放电进程正负极板上，发生的氧化反响和复原反响不完全，而导致溶液内部的活性物质浓度发生改变，而使蓄电池充放电进程中的电化学反响恶化。针对定论，进而进行了电池溶液浓度测验仪的设计与开发，可当令的了解到蓄电池内部溶液浓度的改变，及时选用弥补活性物质等办法来处理蓄电池的保护问题。
2 蓄电池常见问题剖析
地铁蓄电池长时刻处于一个封闭狭小的空间，受外界温湿度、振荡等环境影响较大，因为地铁运营的特别性，运营实时性要求较高，而在定时修程中，又短少有用的蓄电池功能评价设备，匆促的修程中并不能使蓄电池的功能得到有用的康复，使其一些恶化情况无法得到有用的遏止。总结运营中，蓄电池呈现的问题有：(1) 额外容量下降问题；（2）电解液干枯问题。
2.1额外容量下降
额外容量是蓄电池相关功能的集中体现，单元电池内活性物质的数量决议单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池运用的材料和体积决议，因此蓄电池组的容量是蓄电池单体数量、单体体积决议的。在运用进程中，跟着电解液中的有害杂质累积的越来越多，即电解液污染，改变了电解液原有的电导率，使蓄电池内阻增大，容量下降。故根据作要求，需要每3-5年应对电池容量进行测验，以便进行修复性保护。
2.2 电解液干枯
由图1可知蓄电池充电器电路由单相高频逆变器、整流二极管构成。在单相高频逆变器电路中选用单相２电平全桥办法，经过高频变压器绝缘，然后用二极管桥式电路对该电能整流，得到 DC110Ｖ的输出。其输出电压的联系，选用模仿操控方脉冲宽度调制ＰＷＭ技术， 输出〔Ｅbc,Ｅbc／２,０〕的2电平：输出Ｅbc的电压时，B1 和 B4导通；输出０时，B2 和 B3 导通；输出Ｅbc／２时，悉数的ＩＧＢＴ断开。当列车处于受电弓供电下，为了补偿电池因自放电而损失的电量，补足充电结束后，充电器应自动转入涓流电进程，即在保护充电状况下，充电电路将以输出Ｅbc／２的电压的充电速率给电池弥补电荷，始终使蓄电池组总处于足够电状况。
图1 列车蓄电池充电器电路
结合这种充电机理，可进一步确定蓄电池电解液下降的原因。电解液中，氧气的发生和复合是放热反响，由图2可知当电池处于过充电状况时(Q点)，将会不停地发生氧气，若发生的气体不能及时复合，然后使电池内的温度和压力升高。压力过大时，密封电池将打开放气孔，然后使电解液逸散，引起电解液的下降。
图2 镍镉电池充电特性曲线
3 改进办法的研究
关于蓄电池来说，现在国内地铁上，其可以直接检测的特性参数只要端电压，可是归纳考虑到蓄电池自身充电电路技术特性的约束以及车辆运营的各种复杂工况，结合对蓄电池常见问题剖析得出的定论电解液污染、挥发减少，经过进一步对蓄电池的物理特性的研究，比照剖析，发现蓄电池电解质的浓度可以较好的反响出蓄电池的归纳功能。根据上述得出的定论，故进行了蓄电池溶液浓度测验仪的设计与开发，设计原理及方案如下：
以低功耗的STM32系列单片机为处理中心，以可调电压源输出恒定的电压，分别加载到电导极板上，一起再以高精度的ADC模数转化器进行电流收集，然后经过丈量四电极类型的电导极板在特定溶液下的电导，然后根据电导电极常数核算出溶液的电导率，即可得出电解液化学成分的改变与电导率的斜率，估算出溶液的浓度，丈量核算成果选用串口接口与可编程智能TFT-LCD模组屏相连。在TFT-LCD模组屏可以根据新出厂的蓄电池浓度作为参考值来设置被丈量蓄电池浓度阈值，TFT-LCD模组屏每隔一秒都会实时显现传输来的核算数据，终究可根据曲线数据与阈值数据的比照，来对蓄电池进行保护。
图3 系统功能图
3.1浓度测验原理
运用电导率与溶液浓度之间存在的特定函数联系，经过放置在蓄电池溶液内部的四电极类型的电导极板，经过高精度模数转化器ADc收集扩大电路对电导极板上发生的电压进行收集，再由处理器进行数据处理核算出电导电极在特定溶液下的电导，然后反映出溶液传导电流的才能即溶液电导率。在实践丈量中如图3所示，丈量程序分别在电极1和电极4施加恒电压E1，检测电流i1，电极2和电极4施加恒电压E2，检测电流i2，电极3和电极4施加恒电压E2，检测电流i3。这种丈量办法不只精度高，并且避免了电极极化的影响，可以精确的丈量出电解液浓度的微小改变。
图4 四电极类型的电导极板
3.2可调电压源输出电路设计
可调电压源输出电路如图4所示，选用高精度双扩大器及三极管组成的恒压源电路，经过12位数模转化器DAc来调整电路操控来改变输出电压源的大小已达到适应不同类型的电池组，再经过设定好的程序顺次切换开关衔接电导电极A、B、C、D极板上施加安稳的电压源，一起模数转化器ADc_IN1收集输出值是否等于DAC中的设定值，自检程序判断输出值与数模转化器DAc设定值是否在差错范围内。根据蓄电池足够电时，极板上的活性物质已达到饱和状况，再持续充电，蓄电池的电压也不会上升，关于镍镉电池的充电停止电压一般为1.75~1.8V，故设计电路中数模转化器DAc的基准电压为2.5V，由此可得出电路的输出电压精度Va是：
以上核算成果阐明，可调电压源输出电路的电压输出范围在0.6mV-2.5V之间，假如运用分辨率越高的数模转化器DAc，则电路输出电压的精度越高，可调整范围就越大。
图5 可调电压源输出电路
3.3高精度电流采样电路设计
当切换换通道开启并安稳输出电压值后，电流采样电路经过对微弱的电流信号进行扩大处理，再经过对采样电阻上电压的收集，核算出在该电极上经过溶液而发生的电流。根据电流密度是指单位时刻t内经过导体横截面的电荷量Q的比值，经过已选定的电导极板横截面可以核算出在电导极板之间经过的电流Ib范围在0.1uA-100uA内。如图5所示在电路设计上采样电阻R为100Ω，扩大电路扩大倍数β设计为100倍，核算可得电流采样电路将电流转化为电压值Vb 范围是：
公式
将Ib代入公式得:
而VADc_AUOT的电压范围是：
即：
以上核算成果可知收集模块的电压收集范围远远超过了转化电压的范围，阐明电流采样电路所运用的相同基准电压为2.5V的12位模数转化ADc_AOUT不只满意了电压的范围要求，一起也满意精度要求。
图6 高精度电流采样电路
4 运用证明办法
现在在实践运用中，还没有一种可以精确猜测蓄电池功能办法，不管是选用SOC剩余容量的猜测技术及建模相当复杂，并且受放电电流、电压、温度、放电深度、内阻、老化等众多要素影响。而经过收集丈量蓄电池电解液溶液这种办法，将收集到的蓄电池参数依据进行比照剖析，可将每次丈量的蓄电池溶液浓度丈量成果，根据之前对报废的同类型、同运用环境下蓄电池的丈量成果进行了比照，再定性需要对蓄电池进行什么的处理办法。