一种富液式蓄电池组液位检测系统及方法与流程

1.本发明涉及轨道交通辅助供电系统领域，尤其涉及一种富液式蓄电池组液位检测系统及方法。


背景技术：

2.以镍镉蓄电池为代表的富液式二次电池在轨道交通行业有着广泛的应用，根据国内轨道交通车辆蓄电池应用情况的统计，80％以上的轨道交通车辆采用镍镉蓄电池作为车载二次电池，为车辆在没有外部供电的情况下提供紧急供电。
3.镍镉蓄电池主要由极板、极耳、极柱、隔膜、壳体、壳盖和注液栓七部分组成，根据镍镉蓄电池的应用环境和反应特性，其电解液存在自然蒸发、过充电电解的情况，在运营维修间隔周期时，需要对电池进行维护性补液。
4.随着公共交通防火安全标准的不断提高，电池壳体向防火阻燃方向发展，半透明或不透明的有机阻燃材料提升了富液电池的维护和保养的难度，对此，富液电池的维护和保养从原来的目视观测转为需要用液位管对电池液位进行测量等方法，提升了蓄电池维护维修的复杂度。
5.对于车辆电池系统的可用性而言，则需要快速可靠地从蓄电池组的众多电池中鉴别出缺液的电池单体，迄今为止，对于富液电池液位的检测，有电容检测鉴别、集中注液补液和目测检查等方式，但尚未有一种方法，可以便捷、迅速、经济地鉴别出所有以上所述的这些故障。
6.富液式蓄电池借鉴锂离子电池的充放电控制技术，提出蓄电池管理系统的概念，对蓄电池电压、电流和温度进行监控，并通过蓄电池充电状态(soc)和健康状态(soh)来评估和校对蓄电池的剩余容量和健康状态，但对于富液式蓄电池，尤其是镍镉蓄电池的补液周期并没有显著的指导意义。也有一些技术采用电容、超声技术实现的蓄电池液位检测，在此，提出一款基于重力感应的富液式蓄电池组液位检测方法。


技术实现要素：

7.蓄电池作为车辆的二次电池，其多被安装于车顶或者车底区域。其具有空间狭小，电池排布密集，检修工作量大的特点。很多时候，因结构限制，电池箱体需要尽可能的减小尺寸以满足集成结构的整体布局以及运维的经济性要求。
8.本发明的目的是减少电池的检修作业量，快速找到贫液故障的电池，给出定量化的补液建议。
9.为达到上述目的，本发明提供一种富液式蓄电池组液位检测系统，包括液位检测主机、蓄电池托盘、压力传感器和连接器；
10.液位检测主机，用于收集蓄电池下部的压力传感器的压力信号，并通过步骤算法进行比较、运算，并将蓄电池液位信息以串口通信的形式反馈给列车管理系统；
11.列车管理系统，用于与车辆各电气系统之间通讯，车辆电路状态的采集对车辆进
行检测和控制的车载系统，列车管理系统中设置的人机接口显示屏可以对车辆各系统和液位检测主机传回的车辆零部件状态数据和功能数据进行显示，以辅助司乘人员和维护人员完成车辆运营维护的相关工作；
12.所述的蓄电池托盘、压力传感器、连接器和液位检测主机均位于蓄电池箱内，蓄电池组排布在蓄电池托盘中，每个蓄电池下面均预设压力传感器，所述的连接器集成在蓄电池托盘的一侧，每个压力传感器的连接线均通过连接器与液位检测主机连接，液位检测主机与列车管理系统连接并将信息传递给列车管理系统。
13.一种富液式蓄电池组液位检测方法，具体的检测方法包括如下步骤：
14.(1)依据压力传感器测得一节蓄电池的在最低液位时的压力值，作为标准最小质量msm；
15.将该节蓄电池补液至标准液位，并记录液位信息，通过压力传感器测得标准液位的压力值，作为每节蓄电池的标准自由质量ms；
16.将该节蓄电池补液至最大液位刻度线，通过压力传感器记录最大液位的压力值，作为标准最大质量msx；
17.(2)对蓄电池组的所有蓄电池进行补液，补液至标准液位；
18.根据蓄电池组的排布形式，将压力传感器布置在蓄电池托盘中，并安装完好，将蓄电池放置于托盘中，并连接组装，形成蓄电池组，然后记录组装后的每节蓄电池下部电池的压力传感器的压力值，作为每节蓄电池的标准装配质量ma。
19.(3)采用步骤(2)中标准装配质量ma减步骤(1)中的单节蓄电池的标准自由质量ms得到修正系数δ；
20.通过修正系数算出每节蓄电池的最大装配质量max＝msx δ；
21.通过修正系数算出每节蓄电池的最小装配质量mam＝msm δ；
22.(4)通过对单节蓄电池的装配重量管理，判断其液位状态：
23.当测得蓄电池重量m在mam《m《110％mam区间内时，设置蓄电池溢液预警；
24.当测得蓄电池重量m在max》m》90％max区间内时设置蓄电池补液预警；
25.当测得蓄电池重量m在m《3％mam区间内时，设置蓄电池补液报警；
26.当测得蓄电池重量m在m》97％max区间内时，设置蓄电池溢液报警；
27.(5)针对于步骤(4)存在补液或溢液预警和报警的蓄电池单体，可通过所在蓄电池下部的压力传感器将位置信息通过连接器反馈给液位检测主机。
28.(6)液位检测主机收集每节蓄电池下部的压力传感器的压力信号，并通过上述步骤算法进行比较和运算，并将每节蓄电池液位信息以串口通信的形式反馈给列车管理系统人机接口显示屏上，从而确定故障蓄电池在蓄电池组中的位置。
29.为达到同样的目的，本发明提供一种富液式蓄电池组液位检测系统，包括液位检测主机、蓄电池托盘、压力传感器、连接器和上位机；
30.液位检测主机，用于收集蓄电池下部的压力传感器的压力信号，并通过步骤算法进行比较、运算，并将蓄电池液位信息以串口通信的形式反馈给上位机；
31.所述的蓄电池托盘、压力传感器和连接器均位于蓄电池箱内，蓄电池组排布在蓄电池托盘中，每个蓄电池下面均预设压力传感器，所述的连接器集成在蓄电池托盘的一侧，所述的液位检测主机设置在地面上，每个压力传感器的连接线均通过连接器与液位检测主
机连接，所述的上位机与液位检测主机通过串口通讯协议连接。
32.进一步的，所述的上位机为预装了液位检测维护软件的计算机。
33.一种富液式蓄电池组液位检测方法，具体的检测方法包括如下步骤：
34.(1)依据压力传感器测得一节蓄电池的在最低液位时的压力值，作为标准最小质量msm；
35.将该节蓄电池补液至标准液位，并记录液位信息，通过压力传感器测得标准液位的压力值，作为每节蓄电池的标准自由质量ms；
36.将该节蓄电池补液至最大液位刻度线，通过压力传感器记录最大液位的压力值，作为每节蓄电池标准最大质量msx；
37.(2)对蓄电池组的所有蓄电池进行补液，补液至标准液位；
38.根据蓄电池组的排布形式，将压力传感器布置在蓄电池托盘中，并安装完好，将蓄电池放置于托盘中，并连接组装，形成蓄电池组，然后记录组装后的每节蓄电池下部电池的压力传感器的压力值，作为每节蓄电池的标准装配质量ma。
39.(3)采用步骤(2)中标准装配质量ma减步骤(1)中的标准自由质量ms得到修正系数δ；
40.通过修正系数算出每节蓄电池的最大装配质量max＝msx δ；
41.通过修正系数算出每节蓄电池的最小装配质量mam＝msm δ；
42.(4)通过对单节蓄电池的装配重量管理，判断其液位状态：
43.当测得蓄电池重量m在mam《m《110％mam区间内时，设置蓄电池溢液预警；
44.当测得蓄电池重量m在max》m》90％max区间内时设置蓄电池补液预警；
45.当测得蓄电池重量m在m《3％mam区间内时，设置蓄电池补液报警；
46.当测得蓄电池重量m在m》97％max区间内时，设置蓄电池溢液报警；
47.(5)针对于步骤(4)存在补液或溢液预警和报警的蓄电池单体，可通过所在蓄电池下部的压力传感器将位置信息通过连接器反馈给液位检测主机。
48.(6)在须要维护检测时，将连接器接到液位检测主机上，并将液位检测主机与上位机相连接，液位检测主机收集每节蓄电池下部的压力传感器的压力信号，并通过上述步骤算法进行比较和运算，并将每节蓄电池液位信息以串口通信的形式反馈给上位机，将测得的每一节蓄电池的信息显示在人机接口界面中，从而确定故障蓄电池在蓄电池组中的位置。
49.本发明可以高效准确地检测出电池组中缺液电池在电池组中的位置，其主要原理为根据电池组中液位变化引起重量变化的关系，根据最大液位设置电池最大液位和溢出报警，根据最小液位设置建议补液液位和低液位报警，相较于电容型和超声型液位检测技术，本发明具有可实现性高，操作、维护简单，价格经济等优点，具备更强的可行性。
附图说明
50.图1为车载型液位检测方法拓扑图；
51.图2为地面型液位检测方法拓扑图；
52.图3为蓄电池排布图；
53.图4为压力传感器与连接器接线图；
54.图5为蓄电池、传感器和蓄电池箱的位置关系图；
55.图6为液位检测主机结构示意图。
56.图中：1-蓄电池；2-压力传感器；3-液位检测主机；4-上位机；5-连接器；6-蓄电池箱；7-蓄电池托盘；8-列车管理系统；9-车辆。
具体实施方式
57.目前，液位检测技术还未在轨道交通车辆蓄电池产品中得到普及，多采用目测观察法和液位管法对蓄电池液位进行测量，其它方法有一些采用集中注水系统对蓄电池进行补液的方法，但该方法尚不能判断蓄电池是否贫液，只能按照维修间隔采用注水机对蓄电池进行补液。
58.参照图1和图2，根据液位检测主机3所集成的位置，分为车载型和地面型两种检测方法：
59.方法一：车载型液位检测方法中，包括蓄电池箱6、蓄电池组、蓄电池托盘7、压力传感器2和连接器5；
60.液位检测主机3，用于收集蓄电池1下部的压力传感器的压力信号，并通过步骤算法进行比较、运算，并将蓄电池1液位信息以串口通信的形式反馈给列车管理系统；
61.列车管理系统8，用于与车辆9各电气系统之间通讯，车辆9电路状态的采集对车辆9进行检测和控制的车载系统，列车管理系统中设置的人机接口显示屏可以对车辆9各系统和液位检测主机传回的车辆零部件状态数据和功能数据进行显示，以辅助司乘人员和维护人员完成车辆9运营维护的相关工作；
62.所述的蓄电池组、蓄电池托盘7、压力传感器2、连接器5和液位检测主机3均位于蓄电池箱6内，蓄电池组排布在蓄电池托盘7中，每个蓄电池1下面均预设压力传感器2，所述的连接器5集成在蓄电池托盘7的一侧，每个压力传感器2的连接线均与连接器5连接，连接器5与液位检测主机3连接，液位检测主机3与列车管理系统8连接并将信息传递给列车管理系统，考虑到车辆9运行过程中的振动带来的因素，仅在车辆9停止(车辆具备零速信号时)进行采样测量。
63.方法二：地面型液位检测方法，包括蓄电池箱6、蓄电池组、蓄电池托盘7、压力传感器2、连接器5和上位机4；
64.液位检测主机3，用于收集蓄电池下部的压力传感器的压力信号，并通过步骤算法进行比较、运算，并将蓄电池液位信息以串口通信的形式反馈给上位机4；所述的上位机4为预装了液位检测维护软件的计算机。
65.所述的蓄电池组、蓄电池托盘7、压力传感器2和连接器5均位于蓄电池箱6内，蓄电池组排布在蓄电池托盘7中，每个蓄电池1下面均预设压力传感器2，所述的连接器5集成在蓄电池托盘7的一侧，每个压力传感器2的连接线均与连接器5连接，所述的液位检测主机3设置在地面上，连接器5与液位检测主机3连接，所述的上位机4与液位检测主机3连接.在地面设置上位机4和液位检测主机3具有装车质量轻、成本低的优点。
66.上述两种方法均可实现蓄电池液位检测功能，具体步骤如下：
67.(1)依据压力传感器2测得一节蓄电池1的在最低液位时的压力值，作为标准最小质量msm；
68.将该节蓄电池1补液至标准液位，并记录液位信息，通过压力传感器2测得标准液位的压力值，作为每节蓄电池1的标准自由质量ms；
69.将该节蓄电池1补液至最大液位刻度线，通过压力传感器2记录最大液位的压力值，作为每节蓄电池1标准最大质量msx；
70.(2)对蓄电池组的所有蓄电池1进行补液，补液至标准液位；
71.根据蓄电池组的排布形式，将压力传感器2布置在蓄电池托盘7中，并安装完好，将蓄电池1放置于托盘中，并连接组装，形成蓄电池组，然后记录组装后的每节蓄电池1下部的压力传感器2的压力值，作为每节蓄电池1的标准装配质量ma。
72.(3)采用步骤(2)中标准装配质量ma减步骤(1)中的标准自由质量ms得到修正系数δ；
73.通过修正系数算出最大装配质量max＝msx δ；
74.通过修正系数算出最小装配质量mam＝msm δ；
75.(4)通过对单节蓄电池1的装配重量管理，判断其液位状态：
76.当测得蓄电池1重量m在mam《m《110％mam区间内时，设置蓄电池1溢液预警；
77.当测得蓄电池1重量m在max》m》90％max区间内时设置蓄电池1补液预警；
78.当测得蓄电池1重量m在m《3％mam区间内时，设置蓄电池1补液报警；
79.当测得蓄电池1重量m在m》97％max区间内时，设置蓄电池1溢液报警；
80.(5)针对于步骤(4)存在补液或溢液预警和报警的蓄电池1单体，可通过所在蓄电池1下部的压力传感器2将位置信息通过连接器5反馈给液位检测主机3。
81.在针对车载型液位检测方法中，液位检测主机3收集每节蓄电池1下部的压力传感器2的压力信号，并通过上述步骤算法进行比较和运算，并将每节蓄电池1液位信息以串口通信的形式反馈给列车管理系统8的人机接口显示屏上，从而确定故障蓄电池1在蓄电池组中的位置。
82.在针对地面型液位检测方法中，在须要维护检测时，将连接器5接到液位检测主机3上，并将液位检测主机3与上位机4相连接，液位检测主机3收集每节蓄电池1下部的压力传感器2的压力信号，并通过上述步骤算法进行比较和运算，并将每节蓄电池1液位信息以串口通信的形式反馈给上位机4，将测得的每一节蓄电池1的信息显示在人机接口界面中，从而确定故障蓄电池1在蓄电池组中的位置。
83.溢液预警或报警的蓄电池1单体须要抽出部分电解液从而达到液位线的合理区间，或倒出后重新注液，具体依据蓄电池工艺而定。
84.补液预警或报警的蓄电池1单体须要根据测得质量m和标准装配质量ma之间的差值计算出补液量，从而形成维护维修指导建议，通过定量的补液枪可对缺液的蓄电池单体进行补液。
85.参照图3至图5，蓄电池液位检测方法主要是针对蓄电池1的液位高度和重量的关系设计一种检测方法，采用压力传感器2和连接器5集成好蓄电池托盘7内，将蓄电池1放在检测盘中，通过测量蓄电池1液位变化引起的重量变化，测算蓄电池1液位状态，通过对补液量的判断，可以便捷的给出加液建议，配合定量加液工具，可实现富液蓄电池的精准注液。
86.参照图6，液位检测主机3主要功能是收集蓄电池1下部的压力传感器2的压力信号，并通过步骤算法进行比较、运算，并将蓄电池1液位信息以串口通信的形式反馈给上位
机4或列车管理系统8。
87.针对于长期使用的压力传感器2，执行定期标定，调整液位检测主机3中的软件修正。