車輛電池安全監測系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種車輛電池安全監測系統。該車輛電池安全監測系統包括電池監測單元、通信單元、傳感監測單元、示警單元、通信線及列車線。電池監測單元用于測量車輛電池的工況參數發送至通信單元，由通信單元經通信線傳輸至示警單元。傳感監測單元用于檢測車輛電池所處工作環境的環境物理量并經由列車線傳輸至示警單元。示警單元根據接收到的環境物理量和工況參數生成并輸出示警信息。本發明的車輛電池安全監測系統，在采樣環節、數據傳輸環節和示警環節均設計了異種結構容錯機制，能夠可靠地監測到電池存在故障或故障風險的情況并及時報警，顯著提高電池安全監測的可靠性，保障了車輛及乘客在應急情況下的安全。
【專利說明】車輛電池安全監測系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種車輛電池安全監測系統。
【背景技術】
[0002] 現有的很多軌道交通車輛，其都裝有蓄電池，用于提供后備供電。設備正常運行 時，車輛從接觸網引入交流或直流電源，進而由牽引系統產生牽引動力，由輔助逆變系統產 生輔助電源，例如直流110V的輔助電源。當接觸網斷電或列車輔助逆變系統發生故障而無 法為列車提供直流供電時，蓄電池將為列車提供可靠的后備電源，用以支持車廂緊急照明、 空調應急通風、列車控制和通訊系統正常工作。因此，蓄電池的可靠工作已成為車輛尤其是 列車安全運營的基本保障，直接關系乘員人身安全和行車安全，需要可靠地保持高可用度。
[0003] 以城市軌道交通列車為例，列車蓄電池故障可能會使得輸出電壓偏低，提供電量 不足，進而導致列車受電弓無法升起，列車無法正常運行，直接影響線路運能。當列車在地 下隧道中行駛時，如果接觸網供電系統發生故障，列車失去外部電力輸入，只能依靠列車蓄 電池為車廂提供應急照明和通風。如果列車蓄電池存在失電故障，則應急照明和通風的持 續時間輕則縮短，重則直接喪失。在沒有應急照明的情況下，乘客難以有效快速疏散廂，而 繼續停留在車廂中，由于沒有足夠的通風，乘客還有窒息死亡的風險。從另一方面來看，若 列車蓄電池自身存在局部短路故障，會產生緩慢發熱的現象，熱量聚集到一定程度可能引 起列車起火燃燒，造成重大人員傷亡和財產損失。因此，需要有效提升車載蓄電池的可用 度，強化對其的安全監測水平，提高行車安全性，特別是在應急情況下的安全性。如果能夠 配備有效的蓄電池安全監測系統，將顯著改善這一問題。
[0004] 在現有技術中，在軌道交通車輛蓄電池領域已有若干涉及安全監測的專利。申請 號CN201310235495的發明描述了一種基于GPRS模塊的鋰電池組安全監控系統，該系統包 含：采樣模塊，其設置于電池組系統中；網關，其連接采樣模塊輸出端；GPRS模塊，其通過 CAN總線連接網關，并通過GPRS系統遠程輸出；電池組管理系統，其連接電池組進行實時監 測，并與網關通過CAN總線連接；監控中心服務器，其遠程通信連接GPRS模塊；顯示終端， 其連接網關的輸出端接收監控信息。該發明能夠使得維護管理人員實時了解電池組系統的 各參數及運行狀態，減少了工作量并提高了工作效率，提高了鋰電池組系統的安全可靠性。
[0005] 申請號CN201310429399的發明公開了一種高速列車蓄電池報警系統，包括數據 接口單元，所述數據接口單元的輸出端與控制處理單元的輸入端連接，所述控制處理單元 的輸出端分別與本地數據存儲單元，列車監控顯示單元和數據判斷模塊連接，所述數據判 斷模塊的輸出端分別與列車監控顯示單元和遠程報警數據處理單元的輸入端連接，所述遠 程報警數據處理單元的輸出端與GSM-R通信系統連接，所述GSM-R通信系統與地面控制中 心顯示終端連接。該發明的技術方案，有效的提高了蓄電池危險狀態的遠距離報警的實時 性、低帶寬性、經濟性，在占用較低資源的情況下，實現了危險的及時遠距離傳輸聯動。
[0006] 申請號CN201110375403的發明描述一種城軌列車蓄電池溫度監測報警裝置及控 制方法，在蓄電池表面設置多處溫度采集點，在單片機軟件中設定超溫基準，采集各點溫度 信號，與超溫基準比較，同時判斷溫度信號是否正常，無溫度信號則判斷檢測系統或線路出 現故障并將故障記錄送入列車監控系統，溫度信號正常則進行數據轉換將各點實時溫度送 入列車監控系統顯示、存儲。將蓄電池溫度值進行記錄，如果超溫則通過列車監控系統報 警，并切斷蓄電池充放電電路，以保證蓄電池的正常工作，提高蓄電池使用壽命。
[0007] 申請號CN201320835396的發明公開了一種軌道交通列車電池管理系統，以對列 車上的電池組進行管理并將管理信息發送到列車控制器，包括多個從控單元，從控單元控 制電池組的其中一個電池，以采集單體電池的電壓和溫度；一主控單元，主控單元與從控單 元的任一個均連接，用以采集電池組的總電壓和總電流；CAN總線，用于將從控單元和主控 單元連接，還包括一硬線故障電路和一硬線。該電池管理系統不僅能對電池組進行實時監 控，而且當電池系統或列車其它部件出現嚴重故障需要緊急停車時，使用硬線故障是可靠 的方式。
[0008] 申請號CN200710118054的發明描述了一種車載電池監控系統，包括中央處理模 塊和若干檢測模塊，其直接連到中央處理模塊單片機的AD入口，溫度采集模塊輸出的數字 信號與中央處理模塊單片機的10 口直接相連進行通訊，實時時間模塊的輸出用I2C總線 與其他器件通信，實時時間模塊的輸出和單片機的I2C總線接口相連，CAN通訊模塊直接與 單片機的CAN接口相連。中央處理模塊檢測電池溫度、電壓、電流，對電池充放電電量進行 積分，估算電池剩余容量，當電池剩余容量估算值低于門限值時，中央處理模塊發出告警信 肩、。
[0009] 申請號CN201310370619的發明涉及一種動力電池安全監控裝置，其特征在于在 一個ECU上分別連接有溫度檢測、氧氣濃度檢測、氫氣濃度檢測、氣壓檢測、GPS/GPRS通信 等電路，其與已有的動力電池管理系統結合起來使用，作為電池管理系統的重要補充，可以 檢測到動力電池的重大安全故障隱患并作出預警，同時可以依據設定的故障處理標準進行 故障處理。
[0010] 申請號CN103633738A的發明公開了一種儲能系統的電池監控信息傳輸方法，對 電池監控信息進行分類、分級和分層的處理：將電池監控信息分兩類，即遙測信息和告警信 息；相對于遙測信息而言，給告警信息配置較高的優先等級，在傳輸和處理的工程中，告警 信息都較遙測信息得到優待；將電池監控信息劃分為電池單體、電池模塊和電池堆級信息； 將電池監控信息的傳輸路徑由下往上劃分為電池單體管理單元、電池模塊管理單元、電池 管理系統、儲能系統的后臺監控主機和上級主站監控系統這五層；該發明既能滿足容量需 求又能有效提高電池監控信息實時性。
[0011] 申請號CN201210256401的發明描述了一種電池監控及保護裝置及其系統與方 法，該電池監控及保護裝置與一個電池模塊配合使用，電池監控及保護裝置包含一個感測 模塊及一個電連接電池模塊及感測模塊的控制模塊。控制模塊根據其中至少一個感測單元 的感測結果控制電池模塊供電與否，并于發生異常時，及時切斷電池模塊的電力輸出的功 效。
[0012] 盡管上述現有技術均涉及對于電池的監控并在一定程度上保障運行狀態的正常， 然而應當注意的是，現有技術在對蓄電池進行安全監測時只要其中任意一個環節出現故障 就會導致整個監測系統失效。由于蓄電池本身的大部分作用就在于對于應急情況的保障， 在這些應急情況發生時，很難確保安全監測中每一個環節涉及的設備都能正常工作，這就 使得現有的蓄電池安全監測系統或者類似系統在實際使用中仍然難以保障蓄電池可靠地 能夠應對應急狀況的出現。
【發明內容】
[0013] 本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術對于蓄電池狀態的監控在一些情 況下有可能失效，監控的可靠性仍然不夠高，因而軌道車輛在緊急情況下需使用蓄電池時 仍存在較大故障風險和安全隱患的缺陷，提出一種車輛電池安全監測系統。
[0014] 本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：
[0015] 本發明提供了一種車輛電池安全監測系統，其特點在于，包括：一電池監測單元、 一通信單元、一傳感監測單元、一示警單元、通信線及列車線。
[0016] 該電池監測單元用于測量車輛電池的工況參數并將測得的工況參數發送至該通 信單元，工況參數包括以下參數中的至少一種：車輛電池的單體電壓、總電壓、電流、剩余電 量、絕緣電阻和溫度。
[0017] 該通信單元用于將接收到的工況參數通過通信線傳輸至該示警單元。
[0018] 該傳感監測單元用于檢測車輛電池所處工作環境的環境物理量，并將檢測到的環 境物理量通過列車線傳輸至該示警單元，環境物理量包括以下參數中的至少一種：煙霧濃 度、溫度、電路中預設節點處的電流。
[0019] 該示警單元用于根據接收到的環境物理量和電池的工況參數生成示警信息，并輸 出示警信息。
[0020] 其中，列車線為現有的列車中的用于傳遞相關電氣指令或信息的線路，列車線從 其功能來說只需要是導線即可，在此可以理解為列車中用于以電流的形式傳遞相關電氣控 制指令的特定導線。而通信線則允許采用某種現有的通信協議以數據的通信傳輸的方式傳 輸信號或數據。通信線和列車線為獨立的兩類導線，并且其傳輸信號或數據的原理也存在 很大不同，這二者即構成異構冗余，這使得二者由于某些故障或某種環境的影響同時癱瘓 或失靈的可能性極小。舉例來說，可以采用串行數據通信的形式經通信線將工況參數發送 至示警終端。在數據通信的具體實施上，本發明可以采用符合相關國際標準或國家標準的 安全通信協議，從而能夠有效防御丟幀、錯碼、幀序錯等傳輸錯誤，實現數據的可信傳輸。該 電池監測單元可以是設于列車的電池附近，采集和電池工作狀態相關的參數。而傳感監測 單元用于檢測車輛電池所處工作環境的環境物理量，具體來說，針對各個不同的物理量可 以設置不同的傳感器。
[0021] 在最理想的情況下，示警終端能夠獲得檢測得到的所有工況參數和所有環境物理 量，這樣就能夠全面掌握列車電池的狀態。但應當注意的是，基于這些參數或物理量中的一 個或者多個就能夠在一定程度上判斷列車電池能否正常工作。本發明能夠在數據通信發生 故障而喪失信息傳輸功能的情況下，仍能夠通過列車線將檢測得到的部分參數傳輸至示警 終端，基于這部分參數，仍然足以獲知列車電池的狀態是否正常或者說是否可用。因此，即 使在安全監測系統的部分組件失靈或故障時，仍然能夠大體上正常工作實現對于電池的可 靠監控。這樣的異構容錯機制的設計，能夠基本完全杜絕在任何緊急情況下對于電池的安 全監控出現失效狀況，因而對于保障列車的安全而言可靠性得到了大幅提高。
[0022] 較佳地，該電池監測單元采用對電路模擬量的數值測量以得到工況參數，該傳感 監測單元采用傳感技術檢測得到環境物理量。
[0023] 這樣，就在采樣環節同樣采用了異構容錯機制，即由電池監測單元實現模擬量采 集，可以監測蓄電池的運行，而傳感監測單元實現例如煙霧、過熱、過流等客觀環境的傳感 測量。只要這兩類檢測不同時失效，本發明就能夠可靠地監控列車電池。
[0024] 較佳地，該通信線用于利用數據通信傳輸工況參數，該傳感監測單元包括傳感設 備和一處理單元，傳感設備用于檢測環境物理量并發送至該處理單元，該處理單元用于根 據預設的轉換規則將收到的環境物理量轉換為頻率電流脈沖、然后將頻率電流脈沖通過列 車線傳輸至該示警單元。該示警單元用于解析接收到的頻率電流脈沖的頻率特征，并根據 接收到的頻率電流脈沖和工況參數生成示警信息，并輸出示警信息。
[0025] 將環境物理量轉換為頻率電流脈沖不僅有利于列車線的傳輸，降低了對于列車線 的要求，還保證了較高的傳輸效率，對于示警單元而言，也能夠通過較為簡單的處理根據頻 率電流脈沖生成示警信息。同時該方式具有故障導向安全的能力，即傳感監測單元故障時， 往往表現為輸出固定電流，沒有電流脈沖變化。因此，示警終端若接收到的列車線電流為固 定值而沒有脈沖變化，則能夠判斷出傳感監測單元或列車線出現故障，即設備故障，發出設 備故障報警，以提醒司機或其他操作人員。如此，就避免了由于設備發生故障而操控人員又 難以知曉，導致故障未被及時排除從而發生電池過熱起火等事件，而危及人員安全。此外， 容易理解地，此處的轉換規則可以由本領域技術人員根據實際情況進行設置。
[0026] 較佳地，該處理單元存儲有各個環境物理量的取值范圍，該處理單元用于判斷收 到的環境物理量是否超出對應的取值范圍，并根據預設的第一轉換規則將超出對應數值 范圍的環境物理量轉換為頻率電流脈沖、然后將頻率電流脈沖通過列車線傳輸至該示警單 J Li 〇
[0027] 較佳地，該轉換規則或該第一轉換規則規定，每一環境物理量對應頻率電流脈沖 的一個頻率。
[0028] 當然，舉例來說，另一種設置方式也可以將不同的參數對應于頻率電流脈沖的不 同幅度。此外，也可以將環境物理量和頻率電流脈沖的頻率之間的對應關系或者說轉換規 則設置為以多個環境物理量的組合對應于不同的頻率電流脈沖的頻率。
[0029] 較佳地，傳感設備包括煙霧傳感器、電流傳感器和感溫電纜，煙霧傳感器和電流傳 感器采用常閉接點和該處理單元相連。
[0030] 其中，煙霧傳感器、感溫電纜和電流傳感器均可設置為開關量輸出型傳感器的形 式。煙霧傳感器正常狀態下，輸出報警接點閉合。當蓄電池產生煙霧濃度達到報警閾值時， 煙霧傳感器輸出報警接點斷開。感溫電纜正常狀態下，其中的兩根芯線處于斷開狀態。當 蓄電池某處溫度達到報警閾值時，感溫電纜兩根芯線閉合。當蓄電池總電流處于未超過報 警閾值時，電流傳感器輸出報警接點閉合。蓄電池總電流達到報警閾值時，電流傳感器輸出 報警接點斷開。這樣的具體設置，能夠避免在故障實際發生時，由于報警線路或信號傳輸線 路的斷開，致使報警單元一側或這側的人員誤以為電池一切正常，帶來安全隱患。
[0031] 較佳地，該示警單元還用于在一預設時長未接收到環境物理量或未接收到工況參 數的情況下輸出設備故障報警。
[0032] 較佳地，該示警單元包括用于輸出示警信息的一視覺報警器和一聽覺報警器。
[0033] 在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實 例。
[0034] 本發明的積極進步效果在于：
[0035] 本發明的車輛電池安全監測系統，在采樣環節、數據傳輸環節和示警環節設計了 異種結構容錯機制，在安全監測中的各個環節可能出現的單一設備故障均不會導致本發明 的系統的安全監測失效，在能夠可靠地監測到電池存在故障或故障風險的情況并及時發出 報警，顯著提高列車電池安全監測的可靠性，能夠有效地監控軌道交通車輛蓄電池的運行 安全，防止發生蓄電池過熱、燃燒、無法供電等多種類型的事故，保障了車輛及乘客在應急 情況下的安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明一較佳實施例的車輛電池安全監測系統的結構示意圖。
[0037] 圖2為本發明一較佳實施例的車輛電池安全監測系統中傳感數據采集單元的示 意圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案，但并不因 此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。
[0039] 參考圖1所示，本發明一較佳實施例的車輛電池安全監測系統包括2個電池箱以 及位于兩端的兩個司機室，兩個示警終端分別位于兩個司機室內，每個電池箱均設有一組 蓄電池。由于針對各個電池箱的電池安全監測完全相同，因此以下僅針對一個電池箱的電 池安全監測所涉及的設備進行說明。該車輛電池安全監測系統還包括電池監測單元101、通 信單元102、傳感監測單元、一路通信線401及兩路列車線402、403。其中，傳感監測單元包 括傳感數據采集單元103、煙霧傳感器104、感溫電纜105和電流傳感器106。
[0040] 如圖1所示，在電池箱1內，電池監測單元101和通信單元102相連，煙霧傳感器 104、感溫電纜105、電流傳感器106分別和傳感數據采集單元103相連。示警終端301安裝 在列車前端司機室，另一示警終端安裝在列車后端司機室，傳感數據采集單元103通過列 車線402、403和示警終端相連。通信單元102則通過通信線401和示警終端相連。
[0041] 在電池箱內，電池監測單元101完成對蓄電池詳細的運行參數的測量，本實施例 中，運行參數包括單體電池電壓、蓄電池總電壓、蓄電池總電流、剩余電量、絕緣電阻和電池 溫度等。
[0042] 煙霧傳感器104裝于蓄電池上方，位置上對準蓄電池的泄放閥或安全閥，用于探 測蓄電池產生的煙霧。煙霧傳感器104的輸出為開關量，設置為繼電器常閉接點，若蓄電池 過熱或陰燃而產生煙霧，從蓄電池泄放閥或安全閥或其他部位逸出，進入煙霧傳感器104。 當煙霧濃度達到煙霧傳感器104的報警閾值，則煙霧傳感器104的輸出報警接點斷開，向傳 感數據采集單元103發出煙霧報警信號。
[0043] 感溫電纜105纏繞于蓄電池外殼和輸出端子，完成蓄電池過熱檢測。感溫電纜105 是一類溫度敏感型的特制傳感器，當電纜各處溫度均低于報警閾值時，其兩根芯線呈現開 路狀態；當電纜某處受熱，溫度上升至報警閾值時，破壞芯線之間的絕緣材料，兩根芯線呈 現短路狀態。感溫電纜105纏繞于蓄電池外殼和輸出端子，可以監測蓄電池本體是否過熱， 同時還可以監測輸出端子是否過熱。由于蓄電池端子和導線連接，多采用螺栓固定。在列 車車載的頻繁振動環境下，螺栓容易松動。若螺栓松動，導致導線和端子接觸不良，接觸電 阻增大。在蓄電池總電流不變的情況下，根據電流做功的公式W= I2R可知，接觸面產生的 熱量增加，溫度上升，而溫度上升導致端子的電阻進一步增大，發熱更加嚴重，形成正反饋。 這最終就會導致接觸面迅速發熱，甚至端子熔化。因此，感溫電纜105能夠有效監測端子是 否發熱，在發熱早期即探測出此種故障隱患。
[0044] 電流傳感器106和傳感數據采集單元103連接，其電流測量端串聯在蓄電池主回 路，監測流過的蓄電池的總電流，防止蓄電池過流損壞，并預防由于過流發熱引發蓄電池燃 燒等嚴重事故。電流傳感器106采用帶電流超限報警功能的電流傳感器，當總電流過流時， 傳感器輸出報警常閉接點斷開，向傳感數據采集單元103發出過流報警信號。
[0045] 所述傳感數據采集單元103連接煙霧傳感器104、感溫電纜105和電流傳感器 106,感知蓄電池工況是否異常，并實時檢測煙霧傳感器104、電流傳感器105的連線是否完 好。傳感數據采集單元經過所述列車線402和所述示警終端相連。
[0046] 如圖2所示，本實施例的傳感數據采集單元103主要由頻率可編程脈沖發生器、電 子開關和直流電源組成。頻率可編程脈沖發生器具有3個控制輸入，分別為控制輸入51、控 制輸入52和控制輸入53。控制輸入51連接煙霧傳感器，控制輸入52連接感溫電纜，控制 輸入53連接電流傳感器。其中的頻率可編程脈沖發生器特性如表1所示。
[0047] 表1頻率可編程脈沖發生器功能示意表
[0048]
【權利要求】
1. 一種車輛電池安全監測系統，其特征在于，包括：一電池監測單元、一通信單元、一 傳感監測單元、一示警單元、通信線及列車線； 該電池監測單元用于測量車輛電池的工況參數并將測得的工況參數發送至該通信單 元，工況參數包括以下參數中的至少一種：車輛電池的單體電壓、總電壓、電流、剩余電量、 絕緣電阻和溫度； 該通信單元用于將接收到的工況參數通過通信線傳輸至該示警單元； 該傳感監測單元用于檢測車輛電池所處工作環境的環境物理量，并將檢測到的環境物 理量通過列車線傳輸至該示警單元，環境物理量包括以下參數中的至少一種：煙霧濃度、溫 度、電路中預設節點處的電流； 該示警單元用于根據接收到的環境物理量和工況參數生成示警信息，并輸出示警信 息。
2. 如權利要求1所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該電池監測單元采用對 電路模擬量的數值測量以得到工況參數，該傳感監測單元采用傳感技術檢測得到環境物理 量。
3. 如權利要求1所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該通信線用于利用數據 通信傳輸工況參數，該傳感監測單元包括傳感設備和一處理單元，傳感設備用于檢測環境 物理量并發送至該處理單元，該處理單元用于根據預設的轉換規則將收到的環境物理量轉 換為頻率電流脈沖、然后將頻率電流脈沖通過列車線傳輸至該示警單元； 該示警單元用于解析接收到的頻率電流脈沖的頻率特征，并根據接收到的頻率電流脈 沖和工況參數生成示警信息，并輸出示警信息。
4. 如權利要求3所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該處理單元存儲有各個 環境物理量的取值范圍，該處理單元用于判斷收到的環境物理量是否超出對應的取值范 圍，并根據預設的第一轉換規則將超出對應數值范圍的環境物理量轉換為頻率電流脈沖、 然后將頻率電流脈沖通過列車線傳輸至該示警單元。
5. 如權利要求3或4所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該轉換規則或該第一 轉換規則規定，每一環境物理量對應頻率電流脈沖的一個頻率。
6. 如權利要求3或4所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，傳感設備包括煙霧傳 感器、電流傳感器和感溫電纜，煙霧傳感器和電流傳感器采用常閉接點和該處理單元相連。
7. 如權利要求1所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該示警單元還用于在一 預設時長未接收到環境物理量或未接收到工況參數的情況下輸出設備故障報警。
8. 如權利要求1所述的車輛電池安全監測系統，其特征在于，該示警單元包括用于輸 出示警信息的一視覺報警器和一聽覺報警器。
【文檔編號】G01R19/165GK104215823SQ201410394911
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】周巧蓮, 沈拓, 畢艷祥, 金碧筠, 鄧奇, 韋樂香 申請人:上海申通地鐵集團有限公司, 上海申通軌道交通研究咨詢有限公司
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