基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测方法及系统

本发明属于列车故障检测，具体是涉及到一种基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测方法及系统。

背景技术：

1、高速列车蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂电池。其中镉镍蓄电池应用最为广泛。镉镍蓄电池组作为高速列车中直流辅助回路的电源，在高速列车架线停电或apu出现故障时，将为照明、通信及紧急换气等系统提供电源。高速列车蓄电池无时无刻不因受到电池老化等影响而退化,这类退化的特征在退化初期是极其微小的,以致很难察觉,但是,如若放任不管,各类故障或失效会相继发生,更有甚者,还会引发重大灾难性事故,造成人员伤亡及财产损失。

2、随着运营里程及时间的增加，镍镉蓄电池在高速列车中运用时的故障率明显上升，故障类型包括蓄电池异常缺液、烧损、温度异常、充电预警误报等等，为保障高速列车运行的安全性及可靠性,提高车辆上线利用率，降低轨道交通运维成本，同时保持其可持续发展，对蓄电池检修、维护等技术的研究显得尤为重要。

3、在常规应用场景中，通常采用单体电池检测的方式判断蓄电池组是否发生故障，即单独采集蓄电池组中所有单体电池的电压、温度等数据，再进行数据分析，从而实现故障诊断。但由于镍镉蓄电池组在高速列车应用中无本体管理系统，其充电及保护均只能通过充电机实现，因此无法对蓄电池组中单体电池的电压、温度参数进行采集，使得当蓄电池组发生故障时无法准确高效的进行诊断故障，从而影响高速列车的运行安全。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测方法及系统，以解决高速列车蓄电池组中单个电池或部分电池发生故障时无法准确高效的进行诊断故障的问题。

2、第一方面，本发明提供一种基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测方法，该方法包括如下步骤：

3、获取蓄电池组的电池数据；

4、基于公平统计方法截取所述电池数据，并根据截取的所述电池数据绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线；

5、识别并计算所述容量增量分析曲线中的特征值；

6、根据预设的特征阈值比对所述特征值，得到比对结果，并基于所述比对结果分析所述蓄电池组的故障情况。

7、可选的，所述基于公平统计方法截取所述电池数据，并根据截取的所述电池数据绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线包括如下步骤：

8、基于公平统计方法和预设的电压分辨率δr截取所述电池数据，得到电压区间宽度δv，使得δv＝k·δr，k∈n*；

9、结合所述电压分辨率δr和电压区间宽度δv并通过差分计算方法计算得到微分值；

10、根据所述微分值绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线。

11、可选的，所述特征值包括：峰值电压、峰值区间、峰面积、所述峰值区间内的放电时间、所述峰值区间两端的端电压、两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率。

12、可选的，所述识别并计算所述容量增量分析曲线中的特征值包括如下步骤：

13、识别所述容量增量分析曲线中的所述峰值电压vpeak；

14、结合所述峰值电压vpeak和预设的电压范围确定峰值区间δvreg；

15、结合所述峰值电压vpeak和所述峰值区间δvreg计算所述峰值区间δvreg两端的端电压，所述端电压计算公式如下：

16、

17、

18、式中：v1(t1)为t1时刻位于所述峰值区间δvreg其中一端的所述端电压，v2(t2)为t2时刻位于所述峰值区间δvreg另一端的所述端电压；

19、基于所述容量增量分析曲线确定t1时刻端电压v1(t1)处的放电容量q1(t1)，以及t2时刻端电压v2(t2)处的放电容量q2(t2)；

20、结合所述放电容量q1(t1)和所述放电容量q2(t2)计算所述峰面积qreg，所述峰面积qreg的计算公式为：qreg＝q2t2-q1t1；

21、计算得到所述峰值区间δvreg内的放电时间treg，所述放电时间treg的计算公式为：treg＝t2-t1；

22、计算得到所述端电压v1(t1)与所述峰值电压vpeak之间曲线的第一曲线斜率k1，所述第一曲线斜率k1的计算公式为：

23、

24、式中：为所述峰值电压vpeak所对应的容量增量，y1为端电压v1(t1)所对应的容量增量；

25、计算得到所述端电压v2(t2)与所述峰值电压vpeak之间曲线的第二曲线斜率k2，所述第二曲线斜率k2的计算公式为：

26、

27、式中：y2为端电压v2(t2)所对应的容量增量。

28、可选的，所述根据预设的特征阈值比对所述特征值，得到比对结果，并基于所述比对结果分析所述蓄电池组的故障情况包括如下步骤：

29、判断所述峰值电压、所述峰面积、所述峰值区间两端的端电压是否超出对应的预设特征阈值；

30、若所述峰值电压、所述峰面积、所述峰值区间两端的端电压均超出对应的所述特征阈值，则继续判断两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率是否超出对应的所述特征阈值；

31、若两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率均超出对应的所述特征阈值，则判断所述蓄电池组出现故障。

32、第二方面，本发明还提供一种基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测系统，所述系统包括：

33、数据获取模块，用于获取蓄电池组的电池数据；

34、曲线绘制模块，用于根据公平统计方法截取所述电池数据，并根据截取的所述电池数据绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线；

35、特征计算模块，用于识别并计算所述容量增量分析曲线中的特征值；

36、故障分析模块，用于根据预设的特征阈值比对所述特征值，得到比对结果，并基于所述比对结果分析所述蓄电池组的故障情况。

37、可选的，所述曲线绘制模块包括：

38、数据截取单元，用于根据公平统计方法和预设的电压分辨率δr截取所述电池数据，得到电压区间宽度δv，使得δv＝k·δr，k∈n*；

39、差分计算单元，用于结合所述电压分辨率δr和电压区间宽度δv并通过差分计算方法计算得到微分值；

40、曲线绘制单元，用于根据所述微分值绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线。

41、可选的，所述特征值包括：峰值电压、峰值区间、峰面积、所述峰值区间内的放电时间、所述峰值区间两端的端电压、两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率。

42、可选的，所述特征计算模块包括：

43、识别单元，用于识别所述容量增量分析曲线中的所述峰值电压vpeak；

44、计算单元，用于结合所述峰值电压vpeak和预设的电压范围确定峰值区间δvreg；

45、结合所述峰值电压vpeak和所述峰值区间δvreg计算所述峰值区间δvreg两端的端电压，所述端电压计算公式如下：

46、

47、

48、式中：v1(t1)为t1时刻位于所述峰值区间δvreg其中一端的所述端电压，v2(t2)为t2时刻位于所述峰值区间δvreg另一端的所述端电压；

49、基于所述容量增量分析曲线确定t1时刻端电压v1(t1)处的放电容量q1(t1)，以及t2时刻端电压v2(t2)处的放电容量q2(t2)；

50、结合所述放电容量q1(t1)和所述放电容量q2(t2)计算所述峰面积qreg，所述峰面积qreg的计算公式为：qreg＝q2t2-q1t1；

51、计算得到所述峰值区间δvreg内的放电时间treg，所述放电时间treg的计算公式为：treg＝t2-t1；

52、计算得到所述端电压v1(t1)与所述峰值电压vpeak之间曲线的第一曲线斜率k1，所述第一曲线斜率k1的计算公式为：

53、

54、式中：为所述峰值电压vpeak所对应的容量增量，y1为端电压v1(t1)所对应的容量增量；

55、计算得到所述端电压v2(t2)与所述峰值电压vpeak之间曲线的第二曲线斜率k2，所述第二曲线斜率k2的计算公式为：

56、

57、式中：y2为端电压v2(t2)所对应的容量增量。

58、可选的，所述故障分析模块包括：

59、第一分析单元，用于判断所述峰值电压、所述峰面积、所述峰值区间两端的端电压是否超出对应的预设特征阈值；

60、第二分析单元，用于当所述第一分析单元的判断结果为所述峰值电压、所述峰面积、所述峰值区间两端的端电压均超出对应的所述特征阈值时，继续判断两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率是否超出对应的所述特征阈值；

61、若所述第二分析单元判断结果为两所述端电压与所述峰值电压之间曲线的曲线斜率均超出对应的所述特征阈值，则所述第二分析单元输出蓄电池组故障信息。

62、本发明的有益效果是：

63、基于容量增量分析的高速列车蓄电池故障检测方法包括如下步骤：可以通过获取蓄电池组整体的电池数据；再基于公平统计方法截取所述电池数据，并根据截取的所述电池数据绘制所述蓄电池组的容量增量分析曲线；识别并计算所述容量增量分析曲线中的特征值；根据预设的特征阈值比对所述特征值，得到比对结果，并基于所述比对结果分析所述蓄电池组的故障情况。通过获取高速列车蓄电池组的整体电池数据，再通过容量增量分析曲线以及特征值分析，可以实现较为快速准确地对高速列车中蓄电池组的故障进行诊断。