一种列车蓄电池组故障预警系统及方法与流程

本发明涉及电气设备故障预警与健康管理技术领域，尤其是涉及一种应用于轨道交通领域的基于实时网络数据的列车蓄电池组故障预警系统及方法。

背景技术：

铅酸/镍铬蓄电池组为列车的关键供电设备之一，其作用为：在电力机车启动时为其提供升弓、电压试验和照明用的110v直流电压电源；在电力机车运行过程中110v开关电源因故障切除时，提供维持相关直流负载运行的控制电源；与110v开关电源并联，在电力机车运行时起滤波和稳定控制电源的作用。因此，蓄电池组对电力机车安全可靠的运行起到了至关重要的作用。作为列车的重要部件，蓄电池组的故障问题主要包括：亏电(失水、硫酸盐化、板级软化、板栅腐蚀、短路、热失控)、膨胀、绝缘破坏等。造成前述故障的原因通常为：浮充运行电压过高/过低、充电电流过大、过充电、深度放电、环境温度过高、蓄电池放电后开路搁置时间过长、新旧电池混装、蓄电池本身设计缺陷等。为了防止由于蓄电池亏电导致机破等故障的发生，除了优化蓄电池充电策略及维护策略外，还可以通过设计车载蓄电池在线故障预警系统，实时评估蓄电池的健康状态并对状态不良的蓄电池失效进行提前预警，实现预测性维护。

目前，蓄电池组故障预警的方法主要包括专家规则和数据驱动两大类。数据驱动方法，不需要深入研究蓄电池的相关专业知识，通过特征选择、特征提取等方法构建出能够表征蓄电池健康状态的退化因子，进而采用数据驱动的故障预测方法实现退化因子演化趋势的预测。但是，此类方法需要类型较全面的长期状态监测数据用于数据驱动模型的训练，且往往需要新增传感器及数据分析与存储设备，增加了投入成本，难以应用在已运行的老旧车型上。而专家规则方法，需要对蓄电池组的运行状态与各监测参数的关联性进行分析，然后根据监测参数是否超过正常范围进行蓄电池状态判断，其相比于数据驱动方法，具备简单便捷，不需要长期状态监测数据，适应性强等优点。但是，由于实际应用过程中蓄电池组的运行工况较为复杂，因此专家规则方法存在覆盖面不足，很难发现早期故障征兆，无法实现早期故障预警等问题。

在现有技术中，主要有以下技术方案与本发明申请相关：

现有技术1为李宁等人于2014年01月发表在《中国测试》vol.40no.1上的论文《列车车载蓄电池组参数在线检测系统研发》。该方案给出的测试系统用于对蓄电池组的温度、电压和电流等参数进行监测、保存以及回放。但是，该方案需要另外加装电压电流变送器和多功能信号采集仪，且无法实现蓄电池组故障预警。

现有技术2为姜波、李晓明于2016年12月发表在《城市轨道交通研究》vol.19no.12上的论文《城市轨道交通车辆车载蓄电池剩余容量估算方法》。该方案采用安时积分法作为蓄电池电量变化量的基本计算方法，综合考虑影响蓄电池容量的初始误差和累计误差，将老化程度、温度变化及放电倍率作为误差补偿因子，建立了估算蓄电池剩余容量的数学模型。但是，该方案仅仅提出了一种为列车调试或运营管理提供可靠的蓄电池容量状态信息的车载蓄电池剩余容量估算方法，而并没有提出蓄电池组状态参数的获取，以及故障预警的具体实现方法。

现有技术3为张树勋、高伟于2014年9月发表在《电力机车与城轨车辆》vol.37no.5上的论文《蓄电池电力机车牵引蓄电池组的容量核算方法》。该方案分析了影响牵引蓄电池容量的因素及机理，考虑了放电时率及温度对蓄电池容量的影响，提出了蓄电池电力机车蓄电池容量的核算过程和方法。但该方案仅仅提出了一种选择蓄电池电力机车蓄电池组容量的核算方法，而并没有提出蓄电池组状态参数的获取，以及故障预警的具体实现方法。

现有技术4为青岛亚通达铁路设备有限公司、中电科二十二所(青岛)天博信息科技公司于2015年06月16日申请，并于2017年10月17日公开，公开号为cn104898067a的中国发明专利《轨道列车用蓄电池监测装置及蓄电池状态评估方法》。该方案通过电流检测器、电压检测器和温度检测器可以对应的检测蓄电池的电流、电压和温度值，而对于电流、电压和温度值均有对应的多条采样线采集数据，可以实现对蓄电池中的多个单体电池进行独立的检测并同时对蓄电池整体进行检测，实现实时监测分析蓄电池的状态。另外，在对蓄电池状态评估的过程中，及时对soc进行校正，使得soc值计算的更加准确，实现更加精准的监测分析蓄电池的状态。但是，该申请设计了一套独立的蓄电池监测装置，需要通过改造加装到列车上，增加了额外成本与监测装置可靠性风险，在实际应用中较难实施。同时，该申请通过单体蓄电池电压、电流及温度的采集，采用经矫正的安时积分法实现了蓄电池的荷电状态(stateofcharge，soc)评估，只能对蓄电池的剩余电量进行评估，并不能实现蓄电池生命周期内的健康状态及退化水平进行评估，无法实现故障预警。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车蓄电池组故障预警系统及方法，以解决现有列车蓄电池组故障预警方法存在的覆盖面不足，很难发现早期故障征兆，无法实现早期故障预警的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车蓄电池组故障预警系统及方法的技术实现方案，列车蓄电池组故障预警系统，包括：蓄电池组、充电机、列车控制与管理系统、数据处理单元及故障预警单元。所述充电机将蓄电池组实时状态数据上传至列车控制和管理系统。所述列车控制和管理系统将实时网络数据发送至数据处理单元。所述数据处理单元对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据。所述故障预警单元对提取到的蓄电池组实时状态数据进行分析，得到蓄电池组的状态并输出故障预警提示信息。

进一步的，所述充电机将蓄电池相关实时状态信息通过列车总线上传至列车控制和管理系统。所述数据处理单元通过列车总线接收并存储所述列车控制和管理系统中的实时网络数据。

进一步的，所述数据处理单元按照数据通信协议对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据。

进一步的，所述实时网络数据包括但不限于：列车运行信息、全车设备状态信息及全车实时故障信息。

进一步的，所述蓄电池组实时状态数据包括但不限于：环境温度、蓄电池组温度、蓄电池组电压、蓄电池组充电电流、充电机输出电流、充电机充电过流标志位、充电机输出过流标志位。

进一步的，所述充电机分别通过电压传感器、电流传感器及温度传感器采集得到所述蓄电池组的电压、充电电流及温度信息，结合所述充电机的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位，并通过列车总线上传至列车控制和管理系统。所述列车控制和管理系统按照设定好的报文格式将包括列车运行信息、全车设备状态信息及全车实时故障信息在内的实时网络数据打包后再通过列车总线传输至所述数据处理单元。

进一步的，当接收到所述列车控制和管理系统传输的实时网络数据后，所述数据处理单元对实时网络数据进行存储，采用车地通信的报文格式进行格式化，按照车地通信协议等待无线传输。所述数据处理单元按照设定好的报文格式对实时网络数据进行解析，读取并缓存其中的车号、时间、环境温度数据，蓄电池组的电压、充电电流及温度数据，以及充电机的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位数据，并将解析数据按需求以规定格式传输至所述故障预警单元。

进一步的，所述故障预警单元利用专家规则对提取出的蓄电池组实时状态数据进行分析。经过解析的蓄电池组实时状态数据传输至所述故障预警单元后，按照需求分别进入到不同的蓄电池组预警项点，并通过代码化的专家规则对蓄电池组的实时状态数据与正常状态数据之间的偏离程度进行评估，若偏离程度超过经统计分析得到的预设阈值则发出故障预警信息。

进一步的，所述系统进一步包括无线传输模块和地面服务器，所述数据处理单元、故障预警单元和无线传输模块基于车载云平台。所述无线传输模块与地面服务器通过车地通信协议进行无线数据传输，所述无线传输模块分别与数据处理单元、故障预警单元及地面服务器进行通信。蓄电池状态数据和故障预警信息分别从所述数据处理单元和故障预警单元传输至无线传输模块，再由所述无线传输模块传输至地面服务器。所述系统还包括列车显示装置，所述无线传输模块接收地面服务器传输的信息，再通过所述列车控制和管理系统与列车显示装置进行交互，指导司乘人员采取相应的故障处置措施。

进一步的，所述数据处理单元中存储有包括蓄电池组实时状态数据在内的实时网络数据，该实时网络数据在列车进站或回库后通过所述无线传输模块采用包括wlan在内的方式传输至地面服务器。所述无线传输模块将地面服务器发送的数据请求指令传输至数据处理单元。

进一步的，若蓄电池组实时状态数据经专家规则判定后发出故障预警信息，则所述故障预警单元将该故障预警信息发送至无线传输模块，再由所述无线传输模块采用包括gsm-r或lte-r在内的方式实时传输至地面服务器，以便于所述地面服务器分析原因并生成故障处置措施。

进一步的，所述无线通信模块接收的地面服务器信息包括但不限于：检查连接是否中断的心跳数据包、无线传输性能配置指令及蓄电池组故障处置指令。

进一步的，所述故障预警单元根据时间、列车号、蓄电池组充电电压及蓄电池组充电电流判断蓄电池组是否恒流充电超时。若恒流充电持续时间超过设定的阈值，则将蓄电池组恒流充电超时信息传输至所述列车显示装置，并同时传输至地面服务器，以提示检修人员回库检查电流传感器是否正常，蓄电池组是否正常。

进一步的，当所述系统包括两个蓄电池组，并分别为第一蓄电池组和第二蓄电池组时，所述故障预警单元根据时间、列车号、环境温度、第一蓄电池组温度及第二蓄电池组温度判断蓄电池组温度信号是否异常，通过比较同一列车上处于相同工况的第一蓄电池组和第二蓄电池组之间的温度偏差进行判定。若所述第一蓄电池组和第二蓄电池组之间的温度偏差超过设定阈值，则将蓄电池组温度信号异常信息传输至列车显示装置，并同时传输至地面服务器，以提示检修人员回库检查温度传感器是否正常，蓄电池组是否正常。

进一步的，所述故障预警单元根据时间、列车号、充电机输出电流、充电机充电过流标志位、充电机输出过流标志位、蓄电池组电压及蓄电池组充电电流判断蓄电池组固定负载是否短路，通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析，若充电机处于限流输出或过流保护工况，且蓄电池组电压在短时间内下降速率超过设定阈值，则将蓄电池组固定负载短路信息传输至列车显示装置，并同时传输至地面服务器，以提示检修人员回库检查电压传感器是否正常，电流传感器是否正常，蓄电池组是否正常。

进一步的，所述故障预警单元根据时间、列车号、蓄电池组充电电压、蓄电池组充电电流及蓄电池组温度判断蓄电池组容量是否退化，通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析。设蓄电池组恒流充电转换成恒压充电的时刻为初始时刻，设蓄电池组恒压充电转为浮充的时刻为终止时刻，若恒压充电持续阶段，蓄电池组所获取的电量少于设定阈值，则将蓄电池组容量退化信息传输至列车显示装置，并同时传输至地面服务器，以提示检修人员回库检查蓄电池组是否正常。

本发明还另外具体提供了一种列车蓄电池组故障预警方法的技术实现方案，列车蓄电池组故障预警方法，包括以下步骤：

s101)充电机将蓄电池组实时状态数据上传至列车控制和管理系统，车载云平台获取并存储列车控制与管理系统中的实时网络数据；

s102)所述车载云平台对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据；

s103)所述车载云平台对提取到的蓄电池组实时状态数据进行分析，得到蓄电池组的状态并进行故障预警提示。

进一步的，所述车载云平台包括数据处理单元，所述步骤s101)进一步包括：

所述充电机分别通过电压传感器、电流传感器及温度传感器采集得到所述蓄电池组的电压、充电电流及温度信息，结合所述充电机的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位，并通过列车总线上传至列车控制和管理系统。所述列车控制和管理系统按照设定好的报文格式将包括列车运行信息、全车设备状态信息及全车实时故障信息在内的实时网络数据打包后再通过列车总线传输至所述数据处理单元。

进一步的，所述车载云平台还包括故障预警单元，所述步骤s102)进一步包括：

当接收到所述列车控制和管理系统传输的实时网络数据后，所述数据处理单元对实时网络数据进行存储，采用车地通信的报文格式进行格式化，按照车地通信协议等待无线传输。所述数据处理单元按照设定好的报文格式对实时网络数据进行解析，读取并缓存其中的车号、时间、环境温度数据，蓄电池组的电压、充电电流及温度数据，以及充电机的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位数据，并将解析数据按需求以规定格式传输至所述故障预警单元。

进一步的，所述步骤s103)进一步包括：

经过解析的蓄电池组实时状态数据传输至所述故障预警单元后，按照需求分别进入到不同的蓄电池组预警项点，并通过代码化的专家规则对蓄电池组的实时状态数据与正常状态数据之间的偏离程度进行评估，若偏离程度超过经统计分析得到的预设阈值则发出故障预警信息。

进一步的，所述车载云平台还包括无线传输模块，所述方法进一步包括：

s104)所述无线传输模块通过车地通信协议与地面服务器进行无线数据传输，所述无线传输模块分别与数据处理单元、故障预警单元及地面服务器进行通信。蓄电池状态数据和故障预警信息分别从所述数据处理单元和故障预警单元传输至无线传输模块，再由所述无线传输模块传输至地面服务器。所述系统还包括列车显示装置，所述无线传输模块接收地面服务器传输的信息，再通过所述列车控制和管理系统与列车显示装置进行交互，指导司乘人员采取相应的故障处置措施。

进一步的，所述步骤s104)进一步包括：

所述数据处理单元中存储有包括蓄电池组实时状态数据在内的实时网络数据，该实时网络数据在列车进站或回库后通过所述无线传输模块采用包括wlan在内的方式传输至地面服务器。所述无线传输模块将地面服务器发送的数据请求指令传输至数据处理单元。

进一步的，所述步骤s104)进一步包括：

若蓄电池组实时状态数据经专家规则判定后发出故障预警信息，则所述故障预警单元将该故障预警信息发送至无线传输模块，再由所述无线传输模块采用包括gsm-r或lte-r在内的方式实时传输至地面服务器，以便于所述地面服务器分析原因并生成故障处置措施。

进一步的，所述无线通信模块接收的地面服务器信息包括但不限于：检查连接是否中断的心跳数据包、无线传输性能配置指令及蓄电池组故障处置指令。

进一步的，当所述系统包括两个蓄电池组，并分别为第一蓄电池组和第二蓄电池组时，若所述故障预警单元判断充电机无故障、蓄电池组无故障及蓄电池组处于恒流充电工况三个条件同时满足，则按照如下步骤进行计算和处理以实现故障预警：

s11)采集充电机处于待机工况下，第一蓄电池组的电压为第一蓄电池组的初始电压u1i，第二蓄电池组的电压为第二蓄电池组的初始电压u2i；

s12)将第一蓄电池组和第二蓄电池组的初始电压划分为[u11,u12)、[u12,u13)、[u13,u1m]三个区间，其中，u1m为充电机对蓄电池组充电的电压；当蓄电池组的实际初始电压处于这三个区间时，对应的充电超时阈值分别为t11、t12、t13；

s13)计算第一蓄电池组的实际恒流充电时间t1i，若u1i∈[u11，u12)且t1i>t11，或u1i∈[u12，u13)且t1i>t12，或u1i∈[u13，u1m]且t1i>t12，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第一蓄电池组(e1)充电超时故障预警信息。计算第二蓄电池组的实际恒流充电时间t2i，若u2i∈[u11，u12)且t2i>t11，或u2i∈[u12，u13)且t2i>t12，或u2i∈[u13，u1m]且t2i>t12，则向所述故障预警单元、列车显示装置及地面服务器发送第二蓄电池组充电超时故障预警信息。

进一步的，当所述系统包括两个蓄电池组，并分别为第一蓄电池组和第二蓄电池组时，若所述故障预警单元判断充电机无故障及蓄电池组无故障两个条件同时满足，则按照如下步骤进行计算和处理以实现故障预警：

s21)计算第一蓄电池组的温度tbat1与第二蓄电池组的温度tbat2的差值为tdiff，持续时间为ttime，设温度偏差预警阈值为ttemp，持续时间阈值为ttmax；

s22)若差值tdiff>ttemp，且持续时间ttime>ttmax，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器报蓄电池组温度信号异常故障预警信息；

s23)在蓄电池组温度信号异常的前提下，若第一蓄电池组的温度tbat1低于环境温度tenv超过设定的阈值，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第一蓄电池组的温度传感器异常。若第二蓄电池组的温度tbat2低于环境温度tenv超过设定的阈值，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第二蓄电池组的温度传感器异常。

进一步的，当所述系统包括两个蓄电池组，并分别为第一蓄电池组和第二蓄电池组时，若所述故障预警单元判断充电机限流输出、充电机输出过流及充电机充电过流三个条件中的任一项满足，

则按照如下步骤进行计算和处理以实现故障预警：

s31)若第一蓄电池组充电电流大于0，计算第一蓄电池组的电压u1bat实际下降速率为v1batv/min；若第二蓄电池组充电电流大于0，计算第二蓄电池组的电压u2bat实际下降速率为v2batv/min；设蓄电池电压下降速率的预警阈值为vmaxv/min；

s32)若第一蓄电池组的电压下降速率v1bat>vmax，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第一蓄电池组固定负载短路故障预警信息；若第二蓄电池组的电压下降速率v2bat>vmax，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第二蓄电池组固定负载短路故障预警信息。

进一步的，当所述系统包括两个蓄电池组，并分别为第一蓄电池组和第二蓄电池组时，若所述故障预警单元判断充电机无故障、蓄电池组无故障及蓄电池组处于恒压充电工况三个条件同时满足，则按照如下步骤进行计算和处理以实现故障预警：

s41)恒压充电阶段第一蓄电池组的充电电流为icv1，第二蓄电池组的充电电流为icv2，第一蓄电池组的恒压充电起始时刻为tstart1，终止时刻为tend1，第二蓄电池组的恒压充电起始时刻为tstart2，终止时刻为tend2；

s42)将第一蓄电池组和第二蓄电池组在恒压充电持续阶段的平均温度划分为[tbat11，tbat12)、[tbat12，tbat13)、[tbat13，tbat1m]三个区间，其中，tbat1m为蓄电池组对应的温度报警阈值；当蓄电池组的实际温度处于这三个区间时，对应的充电电量阈值分别为q11、q12、q13；

s43)计算整个恒压充电持续阶段第一蓄电池组的平均温度t1bat_ave和充电电量若t1bat_ave∈[tbat11，tbat12)且q1<q11，或t1bat_ave∈[tbat12，tbat13)且q1<q12，或t1bat_ave∈[tbat13，tbat1m]且q1<q13，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第一蓄电池组容量退化故障预警信息；计算整个恒压充电持续阶段第二蓄电池组的平均温度t2bat_ave和充电电量若t2bat_ave∈[tbat11，tbat12)且q2<q11，或t2bat_ave∈[tbat12，tbat13)且q2<q12，或t2bat_ave∈[tbat13，tbat1m]且q2<q13，则所述故障预警单元向列车显示装置及地面服务器发送第二蓄电池组容量退化故障预警信息。

通过实施上述本发明提供的列车蓄电池组故障预警系统及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明列车蓄电池组故障预警系统及方法，在不新增传感器及其它设备的情况下，实现了列车蓄电池组故障预警，通过构建数据处理单元及故障预警单元对列车现有网络数据中蓄电池相关的状态参数进行处理与分析，仅利用现有实时网络数据实现蓄电池组实时故障预警功能，无需加装任何传感器，也无需对原有设备进行任何改动；

(2)本发明列车蓄电池组故障预警系统及方法，提出了基于专家规则的车载蓄电池故障预警方法，通过对蓄电池组的实时状态数据与正常状态数据的偏离程度进行评估，完成蓄电池组恒流充电超时、温度信号异常、固定负载短路及容量退化多种故障的预警，能够实现蓄电池组的预测性维护，大幅提升列车运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是本发明列车蓄电池组故障预警系统一种具体实施例中的蓄电池组在列车上的配置结构示意图；

图2是本发明列车蓄电池组故障预警系统一种具体实施例中蓄电池组充电电路的电气连接拓扑结构示意图；

图3是本发明列车蓄电池组故障预警系统一种具体实施例的系统结构框图；

图4是本发明列车蓄电池组故障预警系统一种具体实施例中的蓄电池组状态数据采集电路的原理示意图；

图5是本发明列车蓄电池组故障预警方法一种具体实施例的主程序流程图；

图6是本发明列车蓄电池组故障预警方法一种具体实施例的详细程序流程图；

图中：1-列车实时网络数据传输模块，2-车载云平台，3-地面服务器，10-蓄电池组，11-充电机，12-tcms，13-列车显示装置，14-电压传感器，15-电流传感器，16-温度传感器，21-数据处理单元，22-故障预警单元，23-无线传输模块，100-列车。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

tcms：traincontrolandmanagementsystem，列车控制与管理系统的简称；

ocs：onboardcloudsystem，车载云平台的简称；

mvb：multifunctionvehiclebus，多功能车辆总线的简称；

can：controllerareanetwork，控制器局域网络的简称；

gsm-r：globalsystemformobilecommunications–railway，一种用于铁路通信及应用的国际无线通信标准；

lte-r：longtermevolutionforrailway，一种应用于铁路领域的通用移动通信技术的长期演进；

wlan：wirelesslocalareanetworks，无线局域网的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图6所示，给出了本发明列车蓄电池组故障预警系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，每列列车100为6节车辆单元编组，其中，tc代表带司机室的拖车，mp代表带受电弓的动车，m代表不带受电弓的动车。处于头部和尾部的两节车辆配置有充电机(分别为第一充电机c1和第二充电机c2)1台，每列车共配置充电机两台。充电机11的负载为控制电源、照明等负载(即附图2中所示的l1-l6)及蓄电池组10，处于头部和尾部的两节车辆各配置有一台dc110v的蓄电池组10。根据列车具体车型的不同，每列车还可以配置有三台以上的蓄电池组10。

每个充电机11的输出功率总容量为30kw，两台充电机11向列车100提供的最大总功率为60kw。正常运行时(即2个充电机11供电)，它们一起向六辆编组列车的负载l1-l6供电。同时，充电机11为本车的蓄电池组10进行充电。如果某台充电机11发生故障，这个充电机11的输出会被封锁，其它车的充电机11可通过dc110v干线为故障车辆的基本负载供电，由于本节车辆的dc110v蓄电池组10通过隔离二极管(如附图2中所示的d1或d2)与干线相连，所以其它车辆的dc110v电源不会为本节车辆的dc110v蓄电池组10充电。

充电机11的列车通讯网络由两个mvb通信模块组成，每台充电机11分配一个mvb通信模块，则每节车辆配置一个mvb通信模块，用于充电机11的通信、显示器数据及故障信息显示等。以下实施例1和2提出了一种在不加装传感器的情况下，利用现有列车实时网络数据实现蓄电池故障预警的系统及方法，若蓄电池状态指标偏差较大且持续时间较长时，则进行故障预警。

实施例1

如附图3所示，一种本发明列车蓄电池组故障预警系统的实施例，具体包括：列车实时网络数据传输模块1和车载云平台2。列车实时网络数据传输模块1进一步包括蓄电池组10和充电机11，车载云平台2进一步包括列车控制与管理系统12、数据处理单元21及故障预警单元22。充电机11将蓄电池组实时状态数据上传至列车控制和管理系统12。列车控制和管理系统12将实时网络数据发送至数据处理单元21。数据处理单元21对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据。故障预警单元22对提取到的蓄电池组实时状态数据进行分析，得到蓄电池组10的状态并输出故障预警提示信息。因此，本发明具体实施例提出了一种在不加装传感器的情况下，利用现有列车实时网络数据进行蓄电池故障预警的系统及方法，若蓄电池状态指标偏差较大且持续时间较长时，进行故障预警。

列车蓄电池组故障预警系统进一步包括无线传输模块23和地面服务器3，数据处理单元21、故障预警单元22和无线传输模块23基于车载云平台(ocs)2。无线传输模块23与地面服务器3通过车地通信协议进行无线数据传输，无线传输模块23分别与数据处理单元21、故障预警单元22及地面服务器3进行通信。蓄电池实时状态数据和故障预警信息分别从数据处理单元21和故障预警单元22传输至无线传输模块23，再由无线传输模块23传输至地面服务器3。列车蓄电池组故障预警系统还包括列车显示装置13，无线传输模块23接收地面服务器3传输的信息，再通过列车控制和管理系统12与列车显示装置13进行交互，指导司乘人员采取相应的故障处置措施。

充电机11将蓄电池实时状态数据通过列车总线(如：mvb、can或以太网等)上传至列车控制和管理系统12。数据处理单元21通过列车总线(如：mvb或以太网等)接收并存储列车控制和管理系统12中的实时网络数据。实时网络数据包括但不限于：列车运行信息、全车设备状态信息及全车实时故障信息，全车设备状态信息中包括蓄电池组相关状态数据。

数据处理单元21按照数据通信协议对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据。蓄电池组实时状态数据包括但不限于：环境温度、蓄电池组温度、蓄电池组电压、蓄电池组充电电流、充电机输出电流、充电机充电过流标志位、充电机输出过流标志位。

如附图4所示，充电机11分别通过既有的电压传感器14、电流传感器15及温度传感器16采集得到蓄电池组10的电压、充电电流及温度信息，结合充电机11的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位，并通过列车总线上传至列车控制和管理系统12。列车控制和管理系统12按照设定好的报文格式将包括列车运行信息、全车设备状态信息(包含蓄电池组实时状态数据)及全车实时故障信息在内的实时网络数据打包后再通过列车总线传输至数据处理单元21。

当接收到列车控制和管理系统12传输的实时网络数据后，数据处理单元21对实时网络数据进行存储，采用车地通信的报文格式进行格式化，按照车地通信协议等待无线传输。数据处理单元21按照设定好的报文格式对实时网络数据进行解析，读取并缓存其中的车号、时间、环境温度数据，蓄电池组10的电压、充电电流及温度数据，以及充电机11的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位数据，并将解析数据按需求以规定格式传输至故障预警单元22。

故障预警单元22利用专家规则对提取出的蓄电池组实时状态数据进行分析。经过解析的蓄电池组实时状态数据传输至故障预警单元22后，按照需求分别进入到不同的蓄电池组故障预警项点，并通过代码化的专家规则对蓄电池组实时状态数据与正常状态数据之间的偏离程度进行评估，若偏离程度超过经统计分析得到的预设阈值则发出故障预警信息。

与数据处理单元21通信：数据处理单元21中存储有包括蓄电池组实时状态数据在内的实时网络数据，由于数据量较大且无实时传输需求，该实时网络数据在列车进站或回库后通过无线传输模块23采用包括wlan在内的方式传输至地面服务器3。另外，无线传输模块23可将地面服务器3发送的数据请求指令传输至数据处理单元21。

与故障预警单元22通信：若蓄电池组实时状态数据经专家规则判定后发出故障预警信息，则故障预警单元22将该故障预警信息发送至无线传输模块23，再由无线传输模块23采用包括gsm-r或lte-r在内的方式实时传输至地面服务器3，以便于地面服务器3分析原因并生成故障处置措施。

与地面服务器3通信：根据数据类型的不同采用不同通信方式，若数据为列车网络数据，则采用wlan在列车进站或回库后传输至地面服务器。若数据为蓄电池组故障预警信息，则采用gsm-r或lte-r等方式实时传输至地面服务器3。无线通信模块23接收的地面服务器信息包括但不限于：检查连接是否中断的心跳数据包、无线传输性能配置指令及蓄电池组故障处置指令。

故障预警单元22根据时间、列车号、蓄电池组充电电压、蓄电池组充电电流判断蓄电池组10是否恒流充电超时。若恒流充电持续时间超过设定的阈值，则将蓄电池组恒流充电超时信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，以提示检修人员回库检查电流传感器15是否正常，蓄电池组10是否正常。

当列车蓄电池组故障预警系统包括两个蓄电池组10，并分别为第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2时，故障预警单元22根据时间、列车号、环境温度、第一蓄电池组温度和第二蓄电池组温度判断蓄电池组温度信号是否异常，通过比较同一列车上处于相同工况的第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2之间的温度偏差进行判定。若第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2之间的温度偏差超过设定阈值，则将蓄电池组温度信号异常信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，以提示检修人员回库检查温度传感器16是否正常，蓄电池组10是否正常。

故障预警单元22根据时间、列车号、充电机输出电流、充电机充电过流标志位、充电机输出过流标志位、蓄电池组电压、蓄电池组充电电流判断蓄电池组固定负载是否短路，通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析。若充电机11处于限流输出或过流保护工况，且蓄电池组电压在短时间内下降速率超过设定阈值，则将蓄电池组固定负载短路信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，以提示检修人员回库检查电压传感器14是否正常，电流传感器15是否正常，蓄电池组10是否正常。

故障预警单元22根据时间、列车号、蓄电池组充电电压、蓄电池组充电电流、蓄电池组温度判断蓄电池组容量是否退化，通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析。设蓄电池组恒流充电转换成恒压充电的时刻为初始时刻，设蓄电池组恒压充电转为浮充的时刻为终止时刻，若恒压充电持续阶段，蓄电池组10所获取的电量少于设定阈值，则将蓄电池组容量退化信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，以提示检修人员回库检查蓄电池组10是否正常。

上述实施例1给出了一种基于车载实时网络数据的电力机车蓄电池组故障预警系统，可应用于装备了车载云平台(onboardcloudsystem，ocs)的列车100中，以解决在不新增传感器，不额外对列车进行设备改造的前提下，仅利用现有实时网络数据进行蓄电池组故障预警的技术问题，实现了蓄电池组预测性维护的问题。

实施例2

如附图5和附图6所示，一种本发明列车蓄电池组故障预警方法的实施例，具体包括以下步骤：

s101)列车实时网络数据传输步骤：充电机11将蓄电池组实时状态数据上传至列车控制和管理系统12，车载云平台2获取并存储列车控制与管理系统12中的实时网络数据；

s102)列车实时网络数据处理步骤：车载云平台2对接收到的实时网络数据进行解析，并从中提取出蓄电池组实时状态数据；

s103)列车蓄电池组故障预警步骤：车载云平台2对提取到的蓄电池组实时状态数据进行分析，得到蓄电池组10的状态并进行故障预警提示。

车载云平台2包括数据处理单元21，步骤s101)进一步包括：

充电机11分别通过既有的电压传感器14、电流传感器15及温度传感器16采集得到蓄电池组10的电压、充电电流及温度信息，结合充电机11的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位，并通过mvb/can/以太网等列车总线上传至列车控制和管理系统12。列车控制和管理系统12按照设定好的报文格式将包括列车运行信息、全车设备状态信息(包含蓄电池组实时状态数据)及全车实时故障信息在内的实时网络数据打包后再通过mvb/以太网等列车总线传输至数据处理单元21。

车载云平台2还包括故障预警单元22，步骤s102)进一步包括：

当车载云平台2接收到列车控制和管理系统12传输的实时网络数据后，一方面，车载云平台2的数据处理单元21对实时网络数据进行存储，采用车地通信的报文格式进行格式化，按照车地通信协议等待无线传输。另一方面，数据处理单元21按照设定好的报文格式对实时网络数据进行解析，读取并缓存其中的车号、时间、环境温度数据，蓄电池组10的电压、充电电流及温度数据，以及充电机11的输出电流、充电过流标志位、输出过流标志位数据，并将解析数据按需求以规定格式传输至故障预警单元22。

步骤s103)进一步包括：

车载云平台2中的故障预警单元22是实现蓄电池组故障预警功能的载体，经过解析的蓄电池组实时状态数据传输至故障预警单元22后，按照需求分别进入到不同的蓄电池组故障预警项点，并利用代码化的专家规则对蓄电池组实时状态数据与正常状态数据之间的偏离程度进行评估，若偏离程度超过经统计分析得到的预设阈值则发出故障预警信息。

列车蓄电池组故障预警系统还包括列车显示装置13，车载云平台2还包括无线传输模块23，列车蓄电池组故障预警方法进一步包括：

s104)车地无线数据传输步骤：无线传输模块23通过车地通信协议与地面服务器3进行无线数据传输，传输方式包括但不限于gsm-r、lte-r及wlan等。无线传输模块23分别与数据处理单元21、故障预警单元22及地面服务器3进行通信。其工作流程一方面为：蓄电池组实时状态数据和故障预警信息分别从数据处理单元21和故障预警单元22传输至无线传输模块23，再由无线传输模块23传输至地面服务器3。另一方面为：无线传输模块23接收地面服务器3传输的信息，再通过列车控制和管理系统12与列车显示装置13进行交互，指导司乘人员采取相应的故障处置措施。

步骤s104)进一步包括：

数据处理单元21中存储有包括蓄电池组实时状态数据在内的实时网络数据，由于数据量较大且无实时传输需求，该实时网络数据在列车进站或回库后通过无线传输模块23采用包括wlan在内的方式传输至地面服务器3。另外，无线传输模块23可将地面服务器3发送的数据请求指令传输至数据处理单元21。

步骤s104)进一步包括：

若蓄电池组实时状态数据经专家规则判定后发出故障预警信息，则故障预警单元22将该故障预警信息发送至无线传输模块23，再由无线传输模块23采用包括gsm-r或lte-r在内的方式实时传输至地面服务器3，以便于地面服务器3分析原因并生成故障处置措施。

无线通信模块23接收的地面服务器3信息包括但不限于：检查连接是否中断的心跳数据包、无线传输性能配置指令及蓄电池组故障处置指令。

在车载云平台2中的故障预警模块22接收到蓄电池组实时状态数据，根据不同的故障预警项点需求，分别利用不同专家规则对其偏离正常状态的程度进行评估。本实施例提出的故障预警专家规则，包括蓄电池组恒流充电超时、蓄电池组温度信号异常、蓄电池组固定负载短路及蓄电池组容量退化，下面将以每列列车100包括两组蓄电池组10为例对此方案进行详细的阐述。但是，需要特别说明的是，本发明具体实施例根据列车具体车型的不同，每列车还可以配置有三台以上的蓄电池组10，此时，对每一组蓄电池组10都进行类似的关联数据计算即可。

1)蓄电池组恒流充电超时故障预警

在本实施例中，列车蓄电池组故障预警系统包括两个蓄电池组10，并分别为第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2。蓄电池组10是否恒流充电超时，可通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析，相关联的蓄电池组实时(运行)状态数据如下表1所示。若恒流充电持续较长时间，超过设定阈值(根据蓄电池组初始电压，设定不同的阈值)，则将蓄电池组恒流充电超时信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，提醒检修人员回库检查蓄电池组10的电流传感器15是否正常，蓄电池组10是否正常。

表1蓄电池组恒流充电超时关联数据信息

约束条件1：充电机11无故障；

约束条件2：蓄电池组10无故障；

约束条件3：蓄电池组10处于恒流充电工况。

若故障预警单元22判断同时满足以上三个约束条件，则按照如下步骤进行关联数据的计算和处理以实现故障预警：

s11)采集充电机11处于待机工况下，第一蓄电池组e1的电压为第一蓄电池组e1的初始电压u1i，第二蓄电池组e2的电压为第二蓄电池组e2的初始电压u2i；

s12)将第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2的初始电压划分为[u11,u12)、[u12,u13)、[u13,u1m]三个区间，其中，u1m为充电机11对蓄电池组10充电的电压；当蓄电池组10的实际初始电压处于这三个区间时，对应的充电超时阈值分别为t11、t12、t13；

初始电压的区间划分可以结合实际采集数据，进行统计分析后再具体确定，区间的划分越多越好，但区间越多越容易发生误报。作为本发明一种较佳的具体实施例，初始电压可以划分三个区间，即：蓄电池最低电压u11(电压报警值)到恒压充电电压u1m之间分成三段，第一段为电压快速上升阶段，第二段为电压缓变上升阶段，第三段为近恒压阶段，这样划分能够尽可能准确地模拟蓄电池的充电曲线，同时区间划分不至于过多，三个区间是较为合理的划分。

s13)计算第一蓄电池组e1的实际恒流充电时间t1i，若u1i∈[u11，u12)且t1i>t11，或u1i∈[u12，u13)且t1i>t12，或u1i∈[u13，u1m]且t1i>t12，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第一蓄电池组充电超时故障预警信息；计算第二蓄电池组e2的实际恒流充电时间t2i，若u2i∈[u11，u12)且t2i>t11，或u2i∈[u12，u13)且t2i>t12，或u2i∈[u13，u1m]且t2i>t12，则向故障预警单元22、列车显示装置13及地面服务器3发送第二蓄电池组充电超时故障预警信息。

2)蓄电池组温度信号异常故障预警

在本实施例中，列车蓄电池组故障预警系统包括两个蓄电池组10，并分别为第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2。蓄电池组温度信号是否异常，可通过比较同一列车上处于相同工况的第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2之间的温度偏差进行判定。若第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2之间的温度偏差过大，超过设定阈值，则将蓄电池组温度信号异常信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，提醒检修人员回库检查蓄电池组10的温度传感器16是否正常，蓄电池组10是否正常。与温度信号异常判定相关联的蓄电池组实时(运行)状态数据如下表2所示。

表2蓄电池组温度信号异常关联数据信息

约束条件1：充电机11无故障；

约束条件2；蓄电池组10无故障。

若同时满足以上两个约束条件，则对关联数据进行如下计算：

若故障预警单元22判断以上两个约束条件同时满足，则按照如下步骤对关联数据进行计算和处理以实现故障预警：

s21)计算第一蓄电池组e1的温度tbat1与第二蓄电池组e2的温度tbat2的差值为tdiff，持续时间为ttime，设温度偏差预警阈值为ttemp，持续时间阈值为ttmax；

s22)若差值tdiff>ttemp，且持续时间ttime>ttmax，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3报蓄电池组温度信号异常故障预警信息；

s23)在蓄电池组10温度信号异常的前提下，若第一蓄电池组e1的温度tbat1低于环境温度tenv超过设定的阈值(如：10℃)，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第一蓄电池组e1的温度传感器16异常；若第二蓄电池组e2的温度tbat2低于环境温度tenv超过设定的阈值(如：10℃)，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第二蓄电池组e2的温度传感器16异常。

3)蓄电池组固定负载短路故障预警

在本实施例中，列车蓄电池组故障预警系统包括两个蓄电池组10，并分别为第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2。蓄电池组固定负载是否短路，可通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析，相关联的蓄电池组实时(运行)状态数据如下表3所示。若充电机11处于限流输出或过流保护工况，若蓄电池组电压在短时间内的下降速率超过设定阈值，则将蓄电池组固定负载短路信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，提醒检修人员回库检查蓄电池组10的电压传感器14是否正常，蓄电池组10的电流传感器15是否正常，蓄电池组10是否正常。

表3蓄电池组固定负载短路关联数据信息

约束条件1：充电机11限流输出；

约束条件2：充电机11输出过流；

约束条件3：充电机11充电过流。

若故障预警单元22判断以上三个约束条件中的任一项满足，则按照如下步骤对关联数据进行计算和处理以实现故障预警：

s31)若第一蓄电池组e1充电电流大于0，计算第一蓄电池组e1的电压u1bat实际下降速率为v1batv/min；若第二蓄电池组e2充电电流大于0，计算第二蓄电池组e2的电压u2bat实际下降速率为v2batv/min；设蓄电池10电压下降速率的预警阈值为vmaxv/min；

s32)若第一蓄电池组e1的电压下降速率v1bat>vmax，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第一蓄电池组固定负载短路故障预警信息；若第二蓄电池组e2的电压下降速率v2bat>vmax，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第二蓄电池组固定负载短路故障预警信息。

4)蓄电池组容量退化故障预警

在本实施例中，列车蓄电池组故障预警系统包括两个蓄电池组10，并分别为第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2。蓄电池组容量是否退化，可通过对接收到的蓄电池组实时状态数据进行分析，相关联的蓄电池组实时(运行)状态数据如下表4所示。设恒流充电转换成恒压充电的时刻为初始时刻，设恒压充电转为浮充的时刻为终止时刻，若恒压充电持续阶段，蓄电池组所获取的电量少于设定阈值，表明蓄电池组容量可能发生了退化，则将蓄电池容量退化信息传输至列车显示装置13，并同时传输至地面服务器3，提醒检修人员回库检查蓄电池组10是否正常。

表4蓄电池组容量退化关联数据信息

约束条件1：充电机11无故障；

约束条件2：蓄电池组10无故障；

约束条件3：蓄电池组10处于恒压充电工况。

若故障预警单元22判断以上三个约束条件同时满足，则按照如下步骤对关联数据进行计算和处理以实现故障预警：

s41)恒压充电阶段第一蓄电池组e1的充电电流为icv1，第二蓄电池组e2的充电电流为icv2，第一蓄电池组e1的恒压充电起始时刻为tstart1，终止时刻为tend1，第二蓄电池组e2的恒压充电起始时刻为tstart2，终止时刻为tend2；

s42)将第一蓄电池组e1和第二蓄电池组e2在恒压充电持续阶段的平均温度划分为[tbat11，tbat12)、[tbat12，tbat13)、[tbat13，tbat1m]三个区间，其中，tbat1m为蓄电池组10对应的温度报警阈值；当蓄电池组10的实际温度处于这三个区间时，对应的充电电量阈值分别为q11、q12、q13；

s43)计算整个恒压充电持续阶段第一蓄电池组e1的平均温度t1bat_ave和充电电量若t1bat_ave∈[tbat11，tbat12)且q1<q11，或t1bat_ave∈[tbat12，tbat13)且q1<q12，或t1bat_ave∈[tbat13，tbat1m]且q1<q13，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第一蓄电池组容量退化故障预警信息；计算整个恒压充电持续阶段第二蓄电池组e2的平均温度t2bat_ave和充电电量若t2bat_ave∈[tbat11，tbat12)且q2<q11，或t2bat_ave∈[tbat12，tbat13)且q2<q12，或t2bat_ave∈[tbat13，tbat1m]且q2<q13，则故障预警单元22向列车显示装置13及地面服务器3发送第二蓄电池组容量退化故障预警信息。

通过实施本发明具体实施例描述的列车蓄电池组故障预警系统及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的列车蓄电池组故障预警系统及方法，在不新增传感器及其它设备的情况下，实现了列车蓄电池组故障预警，通过构建数据处理单元及故障预警单元对列车现有网络数据中蓄电池相关的状态参数进行处理与分析，仅利用现有实时网络数据实现蓄电池组实时故障预警功能，无需加装任何传感器，也无需对原有设备进行任何改动；

(2)本发明具体实施例描述的列车蓄电池组故障预警系统及方法，提出了基于专家规则的车载蓄电池故障预警方法，通过对蓄电池组的实时状态数据与正常状态数据的偏离程度进行评估，完成蓄电池组恒流充电超时、温度信号异常、固定负载短路及容量退化多种故障的预警，能够实现蓄电池组的预测性维护，大幅提升列车运行的安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。