阀控式密封铅酸蓄电池的运维系统和方法与流程

本发明属阀控式密封铅酸蓄电池运维的技术范畴；特指地铁信号系统阀控式密封铅酸蓄电池，采用非接触液位测量和lora通信技术的运维系统和方法。
背景技术：
：地铁运量大、占地少，快速、正点，拥有地面交通无可比拟的优点；现有技术条件下，是消除城市交通拥堵痼疾，提高公共交通出行分担率的首选。2012年10月，杭州地铁1号线一期运营，日均客流量23.24万人次/天；2013～2015年，1号线年客运量增至8483.1、14450.4、17629.5万人次；2017～2018年，2和4号线开通，三条线路组网运营。2018年9月，杭州公共交通日均客运量478万人次，公共交通出行分担率61.87％；其中，地铁日均客运量≥150万人次；若考虑地铁乘客的行程公里》公交乘客的行程公里，引入日均乘客行程总公里指标，则地铁至少贡献了公共交通出行分担率的半壁江山。鉴于地铁在公共交通、生产生活中的基础保障作用，地铁断电将导致政治经济蒙受重大损失，生产生活产生极大混乱；国家电网把地铁用电列入一级负荷--最高可靠性等级的双电源供电；此外，地铁还配备阀控式密封铅酸蓄电池为储能装置的应急ups，双电源供电小概率故障时，继续向重要负载供电。如广州地铁，市电故障时ups保证通信专业传输系统、公务电话系统、调度电话系统、站内及轨旁电话系统、无线通信系统供电4h，视频监控系统、票务系统、广播系统供电1h，杭铁ups类同。地铁运营实践表明：ups可靠可用性不尽人意，储能蓄电池是ups中的短板。1859年，gastonplante发明铅酸蓄电池，迄今已有160年历史。第1代开口式铅酸蓄电池，存在水分解生成氢气和氧气析出的现象，需加水维护；而气体携带酸雾溢出，污染环境，腐蚀设备，尚需加酸维护。上世纪70年代，第2代富液式铅酸蓄电池登场，铅钙合金极板使水分解速度变慢，减少了加水维护的工作量，但充电时仍有气体和酸雾溢出。1971年，美国gates公司发明吸液式超细玻璃棉隔板，即阀控式密封铅酸蓄电池(valve-regulatedleadacid，vrla)，解决了铅酸蓄电池氧气复合循环的难题；铅酸蓄电池由于开口带来的不密封、酸雾溢出等问题得以解决，vrla具有长寿命、少维护、低污染的特征。三代铅酸蓄电池的电化学机理一脉相承：随着技术的进步，第1、2代铅酸蓄电池不可逆转地被淘汰出局。中国是铅酸蓄电池第一生产大国、消费大国和出口大国，铅酸蓄电池产量约占世界总产量的1/3。上世纪90年代，我国启动vrla的研制；技术成熟于世纪交替之际。2015年，国产铅酸蓄电池21014.83万kvah，产值1700亿。镍镉、镍氢、锂离子等新型蓄电池层出不穷，铅酸蓄电池以其自身的价格优势、性能稳定等优点，在交通、电力、通信等领域中概莫能出其右。杭州地铁1号线设车站31座(集中站13座、非集中站18座)，附设停车场1座，车辆段1座；最短站间距：西湖文化站～武林广场站856.234m，最远站间距：客运中心站～下沙西站3242.121m。1号线信号系统vrla的设计容量49180vah，按需配置于各车站、停车场和车辆段。杭州地铁和国内其它vrla用户遭遇相似的困惑：vrla实际寿命＜厂家的标称值。业界认为vrla实际寿命偏离因素是，电池组单体电池不均衡、环境温度不合适、过充电、过放电、长期浮充。vrla材料、结构和制造工艺的持续改进，单体电池不均衡问题己从问题列表中剔除。环境温度就杭州地铁而言不是问题，5年运行统计的环境温度值为23.7±3℃，符合vrla使用的环境温度要求。vrla充电经历了恒压、恒流、两阶段、三阶段充电法(充电末期增加小恒压充电阶段补充充电、即浮充阶段)，以及正负幅度可调的脉冲充电；充电技术满足vrla的运维需求。vrla充放电时的电流、电压、温度检测和控制技术成熟可靠。针对性解决方案提高了vrla实际寿命，但离厂家标称值仍有很大的差距。目前，业界的研究重点围绕vrla内阻展开，依据内阻预估vrla健康状态(soh)和荷电状态(soc)。内阻测量方法有：密度、开路电压、瞬时直流放电和交流注入法；vrla性能劣化时，内阻值会降低，基于内阻值的变化可半定量预估vrla的soh。虽无soc传感器，但soc可通过其它物理参数及数学模型推算；如开路电压、电解液密度、安时计量法；遗憾的是soc数学模型均存在局限，有待步完善。实时监测vrla的技术有核对性放电、不完全放电测试、阻抗测量、安时容量法，精度和可信度最高的是核对性放电法；实时监测vrla，美国艾伯公司推出bct-2000测试仪，国内专业厂家及产品则有：西安柯蓝公司cr-ac24/05测试仪，上海顺盟公司smitb915测试仪。围绕vrla内阻的研究，进一步提高了vrla实际寿命，但离厂家标称值仍有相当的差距。理论研究和工程技术人员注意到，失水、电解液密度、电解液液位与vrla实际寿命息息相关。例如，文献：[1]赵志荣.浅谈阀控式铅酸蓄电池的失水原因以及防治方法[j].数字通信世界，2018，(6)：92-94；[2]陈勇.自供电铅酸蓄电池液位传感器设计[j].传感器与微系统2018，37(2)：92-94；[3]曹训训.铅酸蓄电池密度测量传感器研究[j].船电技术2018，38(1)：92-94。上述文献指出，充电时电解水在蓄电池正极产生o2，o2通过隔板中的孔隙扩散到负极，与负极海绵状铅反应生成pbo；为加速o2的扩散速度，电解液采用贫液设计；pbo与电解液h2so4反应生成h2o和pbso4，pbso4再充电转为海绵状pb和h2o，因o2的再复合，避免了水损失；失水导致电解液密度增加，栅板腐蚀，活性物质减少，蓄电池容量降低：失水5.5％、容量降至75％，失水25％、容量基本消失；因此，文献研究得出结论：vrla老化的主要原因是电解液失水。必须指出，不存在理想化的100％氧再复合，而密封状态下的vrla使用时又无法添加蒸馏水；vrla的水损失事实是不可避免的。实时监测vrla液位的必要性成立！vrla运维方面较有代表性的知识产权成果综述如下：·发明专利“具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池”(zl2010105004119)，提出一种具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，纯水室内注有纯水或电解液，极群组与纯水室间设连通导管和连通毛细孔；vrla寿命期内不缺水，免维护。·发明专利“一种具有自动补水功能的铅酸蓄电池及安装铅酸蓄电池补水库的方法”(zl201510498022x)，提出蓄电池设补水库，包括多孔耐酸柔性材料构成的包，包内设吸水后呈凝胶状的树脂，补充蓄电池的失水。·发明专利“阀控式铅酸蓄电池的均衡充电方法”(zl2011100408214)，提出避免充电过程中大量失水的阀控式铅酸蓄电池的均衡充电方法，充电初期恒流充电方式对蓄电池充电；当蓄电池电压达理论析氧气电压时，停充数分钟降温后，恒压充电，控制充电电流以充5秒停2秒的方式充电。相关研究和知识产权成果的探索有参考价值，改造vrla密封结构是上述成果实施的前提，而且方法的有效性存在局限；因此，有必要在现有成果的基础上，结合地铁工况作进一步的创新设计。地铁作为电网的一级负荷，vrla浮充时间max，故应增加核对性放电试验；针对vrla失水的危害，有必要通过非接触液位测量，检测vrla失水状态；鉴于地铁vrla大范围分布的事实，引入物联网lora通信技术交换信息；同时，集成业界成熟技术也是必需的。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种阀控式密封铅酸蓄电池的运维系统和方法。阀控式密封铅酸蓄电池的运维系统，该系统由电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、非接触式液位测量模块、lora无线通信模块、充放电控制模块、主控数据处理模块组成，电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、非接触式液位测量模块、lora无线通信模块、充放电控制模块分别与主控数据处理模块相连；主控数据处理模块输入电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、非接触式液位测量模块采集的vrla电压、电流、温度数据，以及vrla电解液的液位数据，通过充放电控制模块控制vrla的充放电；主控数据处理模块评估vrla的soh、soc和电解液的失水状态，通过lora无线通信模块、lora网关上传至地铁监控中心。上述技术方案中的各模块可以采用如下具体方式实现。所述的电压检测模块包括运放lm324、线性光耦hcnr201，vrla的“+”极与电压检测模块的vin端子相连，vrla的“－”极接地；电阻r112的一端、vin端子和运放lm324的脚2相连，电阻r112的另一端接地，运放lm324的脚4接+15v；电阻r111和电容c111的一端、运放lm324的脚3、线性光耦hcnr201的脚4相连，电阻r111的另一端接地，线性光耦hcnr201的脚3接+18v；电容c111的另一端、电阻r113的一端和运放lm324的脚1相连，电阻r113的另一端接线性光耦hcnr201的脚2，线性光耦hcnr201的脚1接地；电阻r121的一端、vout端子和线性光耦hcnr201的脚5相连，电阻r121的另一端接地，线性光耦hcnr201的脚6接+15v；vout＝r121/r111×vin，vout端子与主控数据处理模块的stm32f103脚15相连。所述的电流检测模块包括基于霍尔效应的线性电流传感器acs712、电压跟随器ad861；线性电流传感器acs712的脚3、脚4与vrla的“+”极相连，vrla的“－”极与负载的一端、vrla充电电源的“－”极相连，负载的另一端、vrla充电电源的“+”极分别接入单刀双掷开关的两个不动端，单刀双掷开关的动端与线性电流传感器acs712的脚1、脚2相连；线性电流传感器acs712的脚8接vcc，电容c211和电阻r212的一端、acs712脚5相连接地，电容c211的另一端接线性电流传感器acs712的脚6，电阻r212的另一端、电阻r211的一端接电压跟随器ad861的脚3，电阻r211的另一端接线性电流传感器acs712的脚7；电压跟随器ad861的脚2接地、脚5接5v，电阻r221并接在电压跟随器ad861的脚4、脚1之间；电压跟随器ad861的脚1与u0端子相连，u0端子与主控数据处理模块的stm32f103脚16相连；vrla的充放电电流从线性电流传感器acs712通过，线性电流传感器acs712的脚7输出的电压经过电阻r211和电阻r212分压、电压跟随器ad861调理后，供主控数据处理模块采样。所述的温度检测模块以温度传感器ds18b20为核心，ds18b20的脚1接地、脚3接入vcc，电阻r301的两端并接在ds18b20的脚2、脚3之间；ds18b20的脚2与v0端子相连，v0端子与主控数据处理模块的stm32f103脚14相连；温度检测模块粘贴固定在vrla盒壁上。所述的非接触式液位测量模块包括第1非接触式液位传感器探头、第2非接触式液位传感器探头、信号处理rs485单元、rs232转485单元，非接触式液位测量模块基于电解液感应电容检测电解液的液位，其型号为xkc-y25-rs485，rs232转485型号为帝特rs232转485；第1非接触式液位传感器探头、第2非接触式液位传感器探头高度定位于vrla电解液的最高、最低液位处，用胶粘贴固定于vrla容器外壁；第1非接触式液位传感器探头、第2非接触式液位传感器探头分别与信号处理rs485单元相连，信号处理rs485单元经rs232转485单元与主控数据处理模块相连：信号处理rs485单元的vcc、gnd端口分别接vcc、地，信号处理rs485单元的rs485-b、rs485-a端口分别与rs232转485单元的rs485-b、rs485-a端口相连，rs232转485单元的rs232-rx、rs232-tx端口分别接入rx1端子、tx1端子；rx1端子、tx1端子分别与主控数据处理模块的stm32f103脚30、脚31相连。所述的lora无线通信模块的型号为e32-ttl-100，e32-ttl-100是基于sx1278射频芯片的无线模块；e32-ttl-100的脚1、脚2、脚3、脚4、脚5分别接入m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子，m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子分别与主控数据处理模块的stm32f103脚9、脚10、脚12、脚13、脚11相连；e32-ttl-100的脚6、脚7分别接vcc、地；lora无线通信模块通过lora网关与地铁监控中心交换信息；e32-ttl-100遵循lora无线通信协议，lora的mac帧由mac头部域(mhdr)、mac负载域(macpayload)和信息完整性编码域(mic)组成，mhdr包括数据帧类型(mtype)、保留字段(rfu)、终端版本号(major)，macpayload包括帧头(fhdr)、可配置端口号(fport)、可配置负载字段(frmpayload)。所述的主控数据处理模块以stm32f103芯片为核心，stm32f103芯片的脚15、脚16、脚14分别与vout端子、uo端子、vo端子相连，stm32f103芯片的脚30、脚31分别与rx1端子、tx1端子相连；stm32f103芯片的脚9、脚10、脚12、脚13、脚11分别与m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子相连。一种使用上述运维系统的运维方法，该vrla运维方法流程包括vrla运维方法的离线流程和vrla运维方法的在线流程；vrla运维方法的离线流程如下：①输入25±7℃温度范围内不同温度对应的vrla电解液密度的表格；②巡视vrla，观察壳体膨胀、开裂，极柱电液渗漏液故障征兆；③每季度一次核对性放电试验：放电40分评估电压降；每年一次假负载容量试验：放电深度80％，记录电压/流与内阻值，评判vrla性能；vrla运维方法的在线流程如下：①采集vrla的电压、电流、温度、液位数据；②评估vrla的soh；评估vrla的soc；③vrla浮充阶段，以1小时为液位的记录周期；将液位数据折合成25℃的标准液位；计算小时液位变化值δh；统计记录24小时、星期、月液位变化值δh24、δhw、δhm；④调整浮充电压：按厂家手册，25℃时12v的vrla浮充电压13.5v；实测温度t；浮充电压v＝13.5+[25－int(t+0.5)]×(6×0.005)。本发明与
背景技术：
相比，具有的有益效果是：电网一级负荷地铁的vrla浮充时间max，核对性放电试验增至每季一次，提高了vrla的可靠性；因地铁vrla安装地点易达，即运维中增加试验可行。在vrla密封结构基础上，实施非接触式液位测量，预防消除失水的危害性。vrla运维系统采用lora物联网通信技术，满足地铁vrla大范围分布条件下的实时监测要求，排除了对cbtc(communicationbasedtraincontrol)的干扰，降低了tco。附图说明图1是vrla运维系统的原理框图；图2是电压检测模块的电路图；图3是电流检测模块的电路图；图4是温度检测模块的电路图；图5是非接触式液位测量模块的电路图；图6是lora无线通信模块的电路图；图7是主控和数据处理模块的电路图；图8(a)是vrla运维方法的流程图；图8(b)是vrla运维方法的离线流程图；图8(c)是vrla运维方法的在线流程图。具体实施方式如图1所示，阀控式密封铅酸蓄电池的运维系统由电压检测模块100、电流检测模块200、温度检测模块300、非接触式液位测量模块400、lora无线通信模块500、充放电控制模块600、主控数据处理模块900组成，电压检测模块100、电流检测模块200、温度检测模块300、非接触式液位测量模块400、lora无线通信模块500、充放电控制模块600分别与主控数据处理模块900相连；主控数据处理模块900输入电压检测模块100、电流检测模块200、温度检测模块300、非接触式液位测量模块400采集的vrla电压、电流、温度数据，以及vrla电解液的液位数据，通过充放电控制模块600控制vrla的充放电；主控数据处理模块900评估vrla的soh、soc和电解液的失水状态，通过lora无线通信模块500、lora网关上传至地铁监控中心。说明1：鉴于vrla的充放电技术属公知知识，vrla的soh、soc评估存在不同的学术观点，故文中只提及不展开论述。如图2所示，电压检测模块100包括运放lm324110、线性光耦hcnr201120，vrla的“+”极与电压检测模块100的vin端子相连，vrla的“－”极接地；电阻r112的一端、vin端子和运放lm324110的脚2相连，电阻r112的另一端接地，运放lm324110的脚4接+15v；电阻r111和电容c111的一端、运放lm324110的脚3、线性光耦hcnr201120的脚4相连，电阻r111的另一端接地，线性光耦hcnr201120的脚3接+18v；电容c111的另一端、电阻r113的一端和运放lm324110的脚1相连，电阻r113的另一端接线性光耦hcnr201120的脚2，线性光耦hcnr201120的脚1接地；电阻r121的一端、vout端子和线性光耦hcnr201120的脚5相连，电阻r121的另一端接地，线性光耦hcnr201120的脚6接+15v；vout＝r121/r111×vin，vout端子与主控数据处理模块900的stm32f103脚15相连。如图3所示，电流检测模块200包括基于霍尔效应的线性电流传感器acs712210、电压跟随器ad861220；线性电流传感器acs712210的脚3、脚4与vrla的“+”极相连，vrla的“－”极与负载的一端、vrla充电电源的“－”极相连，负载的另一端、vrla充电电源的“+”极分别接入单刀双掷开关的两个不动端，单刀双掷开关的动端与线性电流传感器acs712210的脚1、脚2相连；线性电流传感器acs712210的脚8接vcc，电容c211和电阻r212的一端、acs712脚5相连接地，电容c211的另一端接线性电流传感器acs712210的脚6，电阻r212的另一端、电阻r211的一端接电压跟随器ad861220的脚3，电阻r211的另一端接线性电流传感器acs712210的脚7；电压跟随器ad861220的脚2接地、脚5接5v，电阻r221并接在电压跟随器ad861220的脚4、脚1之间；电压跟随器ad861220的脚1与u0端子相连，u0端子与主控数据处理模块900的stm32f103脚16相连；vrla的充放电电流从线性电流传感器acs712210通过，线性电流传感器acs712210的脚7输出的电压经过电阻r211和电阻r212分压、电压跟随器ad861220调理后，供主控数据处理模块900采样。如图4所示，温度检测模块300以温度传感器ds18b20为核心，ds18b20的脚1接地、脚3接入vcc，电阻r301的两端并接在ds18b20的脚2、脚3之间；ds18b20的脚2与v0端子相连，v0端子与主控数据处理模块900的stm32f103脚14相连；温度检测模块300粘贴固定在vrla盒壁上。如图5所示，非接触式液位测量模块400包括第1非接触式液位传感器探头410、第2非接触式液位传感器探头420、信号处理rs485单元430、rs232转485单元440，非接触式液位测量模块400基于电解液感应电容检测电解液的液位，其型号为xkc-y25-rs485，rs232转485型号为帝特rs232转485；第1非接触式液位传感器探头410、第2非接触式液位传感器探头420高度定位于vrla电解液的最高、最低液位处，用胶粘贴固定于vrla容器外壁；第1非接触式液位传感器探头410、第2非接触式液位传感器探头420分别与信号处理rs485单元430相连，信号处理rs485单元430经rs232转485单元440与主控数据处理模块900相连：信号处理rs485单元430的vcc、gnd端口分别接vcc、地，信号处理rs485单元430的rs485-b、rs485-a端口分别与rs232转485单元440的rs485-b、rs485-a端口相连，rs232转485单元440的rs232-rx、rs232-tx端口分别接入rx1端子、tx1端子；rx1端子、tx1端子分别与主控数据处理模块900的stm32f103脚30、脚31相连。如图6所示，lora无线通信模块500的型号为e32-ttl-100，e32-ttl-100是基于sx1278射频芯片的无线模块；e32-ttl-100的脚1、脚2、脚3、脚4、脚5分别接入m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子，m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子分别与主控数据处理模块900的stm32f103脚9、脚10、脚12、脚13、脚11相连；e32-ttl-100的脚6、脚7分别接vcc、地；lora无线通信模块500通过lora网关与地铁监控中心交换信息；e32-ttl-100遵循lora无线通信协议，lora的mac帧由mac头部域(mhdr)、mac负载域(macpayload)和信息完整性编码域(mic)组成，mhdr包括数据帧类型(mtype)、保留字段(rfu)、终端版本号(major)，macpayload包括帧头(fhdr)、可配置端口号(fport)、可配置负载字段(frmpayload)。说明2：从信息系统的分层结构而言，lora网关归属地铁监控中心的接收端，vrla运维系统只是地铁监控中心的一个下层子系统，故文中只提及lora网关，未展开论述。如图7所示，主控数据处理模块900以stm32f103芯片为核心，stm32f103芯片的脚15、脚16、脚14分别与vout端子、uo端子、vo端子相连，stm32f103芯片的脚30、脚31分别与rx1端子、tx1端子相连；stm32f103芯片的脚9、脚10、脚12、脚13、脚11分别与m0端子、m1端子、rx2端子、tx2端子、aux端子相连。如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示，基于上述运维系统的阀控式密封铅酸蓄电池vrla的运维方法流程包括vrla运维方法的离线流程以及vrla运维方法的在线流程；vrla运维方法的离线流程如下：①输入(25±7℃)～vrla电解液密度的表格，每个温度分别对应其相应的vrla电解液密度，本实施例中表格形式如下：温度℃18……242526……32密度g/cm3x18……x241.26x26……x32②巡视vrla，观察壳体膨胀、开裂，极柱电液渗漏液故障征兆；③每季度一次核对性放电试验：放电40分评估电压降；每年一次假负载容量试验：放电深度80％，记录电压/流与内阻值，评判vrla性能；vrla运维方法的在线流程如下：①采集vrla的电压、电流、温度、液位数据；②评估vrla的soh；评估vrla的soc；③vrla浮充阶段，以1小时为液位的记录周期；将液位数据折合成25℃的标准液位；计算小时液位变化值δh；统计记录24小时、星期、月液位变化值δh24、δhw、δhm；④调整浮充电压：按厂家手册，25℃时12v的vrla浮充电压13.5v实测温度t；浮充电压调整为v＝13.5+[25－int(t+0.5)]×(6×0.005)。说明3：液位数据采用线性插值祘法折合成25℃的标准液位。例如，19℃的密度为x19，18℃的密度为x18，25℃的密度为1.26g/cm3；实测温度t＝18.2℃，液位值记为h18.2；h18.2折合成25℃的标准液位h25.0--18.2，h25.0--18.2＝h18.2×{(x18/1.26)－[(x18－x19)/1.26]×(18.2－18)}；vrla浮充阶段测量液位时，调节i浮充≈i0，i0为厂家推荐的浮充电流值，排除浮充电流对液位的影响。出于商业方面的考量，厂家要求不公开非25℃的电解液密度值。25℃时，12v的vrla厂家指导浮充电压为13.5v；每上升或下降1℃，浮充电压下降或上升6×0.005v；调整浮充电压的温度灵敏度取1℃，既跟踪温度变化，调节又不至过于频繁。电网一级负荷下的地铁vrla浮充时间max，虽存在多种监测vrla的方法，但精度和可信度最高的仍是核对性放电法和负载容量试验；因地铁vrla安装地点易达，核对性放电试验从惯例的一年一次增至每季一次，提高vrla的可靠性，运维增加量有限。当前第1页12