车辆电池安全监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种车辆电池安全监测系统。该车辆电池安全监测系统包括电池监测单元、通信单元、传感监测单元、示警单元、通信线及列车线。电池监测单元用于测量车辆电池的工况参数发送至通信单元，由通信单元经通信线传输至示警单元。传感监测单元用于检测车辆电池所处工作环境的环境物理量并经由列车线传输至示警单元。示警单元根据接收到的环境物理量和工况参数生成并输出示警信息。本发明的车辆电池安全监测系统，在采样环节、数据传输环节和示警环节均设计了异种结构容错机制，能够可靠地监测到电池存在故障或故障风险的情况并及时报警，显著提高电池安全监测的可靠性，保障了车辆及乘客在应急情况下的安全。
【专利说明】车辆电池安全监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种车辆电池安全监测系统。
【背景技术】
[0002] 现有的很多轨道交通车辆，其都装有蓄电池，用于提供后备供电。设备正常运行 时，车辆从接触网引入交流或直流电源，进而由牵引系统产生牵引动力，由辅助逆变系统产 生辅助电源，例如直流110V的辅助电源。当接触网断电或列车辅助逆变系统发生故障而无 法为列车提供直流供电时，蓄电池将为列车提供可靠的后备电源，用以支持车厢紧急照明、 空调应急通风、列车控制和通讯系统正常工作。因此，蓄电池的可靠工作已成为车辆尤其是 列车安全运营的基本保障，直接关系乘员人身安全和行车安全，需要可靠地保持高可用度。
[0003] 以城市轨道交通列车为例，列车蓄电池故障可能会使得输出电压偏低，提供电量 不足，进而导致列车受电弓无法升起，列车无法正常运行，直接影响线路运能。当列车在地 下隧道中行驶时，如果接触网供电系统发生故障，列车失去外部电力输入，只能依靠列车蓄 电池为车厢提供应急照明和通风。如果列车蓄电池存在失电故障，则应急照明和通风的持 续时间轻则缩短，重则直接丧失。在没有应急照明的情况下，乘客难以有效快速疏散厢，而 继续停留在车厢中，由于没有足够的通风，乘客还有窒息死亡的风险。从另一方面来看，若 列车蓄电池自身存在局部短路故障，会产生缓慢发热的现象，热量聚集到一定程度可能引 起列车起火燃烧，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，需要有效提升车载蓄电池的可用 度，强化对其的安全监测水平，提高行车安全性，特别是在应急情况下的安全性。如果能够 配备有效的蓄电池安全监测系统，将显著改善这一问题。
[0004] 在现有技术中，在轨道交通车辆蓄电池领域已有若干涉及安全监测的专利。申请 号CN201310235495的发明描述了一种基于GPRS�？榈娘绯刈榘踩嗫叵低常孟低嘲� 含：采样模块，其设置于电池组系统中；网关，其连接采样�？槭涑龆耍籊PRS�？椋渫ü� CAN总线连接网关，并通过GPRS系统远程输出；电池组管理系统，其连接电池组进行实时监 测，并与网关通过CAN总线连接；监控中心服务器，其远程通信连接GPRS�？椋幌允局斩耍� 其连接网关的输出端接收监控信息。该发明能够使得维护管理人员实时了解电池组系统的 各参数及运行状态，减少了工作量并提高了工作效率，提高了锂电池组系统的安全可靠性。
[0005] 申请号CN201310429399的发明公开了一种高速列车蓄电池报警系统，包括数据 接口单元，所述数据接口单元的输出端与控制处理单元的输入端连接，所述控制处理单元 的输出端分别与本地数据存储单元，列车监控显示单元和数据判断�？榱樱鍪菖� 断�？榈氖涑龆朔直鹩肓谐导嗫叵允镜ピ驮冻瘫ň荽淼ピ氖淙攵肆樱鲈� 程报警数据处理单元的输出端与GSM-R通信系统连接，所述GSM-R通信系统与地面控制中 心显示终端连接。该发明的技术方案，有效的提高了蓄电池危险状态的远距离报警的实时 性、低带宽性、经济性，在占用较低资源的情况下，实现了危险的及时远距离传输联动。
[0006] 申请号CN201110375403的发明描述一种城轨列车蓄电池温度监测报警装置及控 制方法，在蓄电池表面设置多处温度采集点，在单片机软件中设定超温基准，采集各点温度 信号，与超温基准比较，同时判断温度信号是否正常，无温度信号则判断检测系统或线路出 现故障并将故障记录送入列车监控系统，温度信号正常则进行数据转换将各点实时温度送 入列车监控系统显示、存储。将蓄电池温度值进行记录，如果超温则通过列车监控系统报 警，并切断蓄电池充放电电路，以保证蓄电池的正常工作，提高蓄电池使用寿命。
[0007] 申请号CN201320835396的发明公开了一种轨道交通列车电池管理系统，以对列 车上的电池组进行管理并将管理信息发送到列车控制器，包括多个从控单元，从控单元控 制电池组的其中一个电池，以采集单体电池的电压和温度；一主控单元，主控单元与从控单 元的任一个均连接，用以采集电池组的总电压和总电流；CAN总线，用于将从控单元和主控 单元连接，还包括一硬线故障电路和一硬线。该电池管理系统不仅能对电池组进行实时监 控，而且当电池系统或列车其它部件出现严重故障需要紧急停车时，使用硬线故障是可靠 的方式。
[0008] 申请号CN200710118054的发明描述了一种车载电池监控系统，包括中央处理模 块和若干检测�？椋渲苯恿街醒氪砟？榈テ腁D入口，温度采集�？槭涑龅氖� 信号与中央处理�？榈テ�10 口直接相连进行通讯，实时时间�？榈氖涑鲇肐2C总线 与其他器件通信，实时时间�？榈氖涑龊偷テ腎2C总线接口相连，CAN通讯�？橹苯佑� 单片机的CAN接口相连。中央处理�？榧觳獾绯匚露�、电压、电流，对电池充放电电量进行 积分，估算电池剩余容量，当电池剩余容量估算值低于门限值时，中央处理�？榉⒊龈婢� 肩、。
[0009] 申请号CN201310370619的发明涉及一种动力电池安全监控装置，其特征在于在 一个ECU上分别连接有温度检测、氧气浓度检测、氢气浓度检测、气压检测、GPS/GPRS通信 等电路，其与已有的动力电池管理系统结合起来使用，作为电池管理系统的重要补充，可以 检测到动力电池的重大安全故障隐患并作出预警，同时可以依据设定的故障处理标准进行 故障处理。
[0010] 申请号CN103633738A的发明公开了一种储能系统的电池监控信息传输方法，对 电池监控信息进行分类、分级和分层的处理：将电池监控信息分两类，即遥测信息和告警信 息；相对于遥测信息而言，给告警信息配置较高的优先等级，在传输和处理的工程中，告警 信息都较遥测信息得到优待；将电池监控信息划分为电池单体、电池�？楹偷绯囟鸭缎畔ⅲ� 将电池监控信息的传输路径由下往上划分为电池单体管理单元、电池模块管理单元、电池 管理系统、储能系统的后台监控主机和上级主站监控系统这五层；该发明既能满足容量需 求又能有效提高电池监控信息实时性。
[0011] 申请号CN201210256401的发明描述了一种电池监控及保护装置及其系统与方 法，该电池监控及保护装置与一个电池�？榕浜鲜褂茫绯丶嗫丶氨；ぷ爸冒桓龈胁� �？榧耙桓龅缌拥绯啬？榧案胁饽？榈目刂颇？椤？刂颇？楦萜渲兄辽僖桓龈胁獾ピ� 的感测结果控制电池�？楣┑缬敕瘢⒂诜⑸斐Ｊ保笆鼻卸系绯啬？榈牡缌κ涑龅墓� 效。
[0012] 尽管上述现有技术均涉及对于电池的监控并在一定程度上保障运行状态的正常， 然而应当注意的是，现有技术在对蓄电池进行安全监测时只要其中任意一个环节出现故障 就会导致整个监测系统失效。由于蓄电池本身的大部分作用就在于对于应急情况的保障， 在这些应急情况发生时，很难确保安全监测中每一个环节涉及的设备都能正常工作，这就 使得现有的蓄电池安全监测系统或者类似系统在实际使用中仍然难以保障蓄电池可靠地 能够应对应急状况的出现。
【发明内容】
[0013] 本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术对于蓄电池状态的监控在一些情 况下有可能失效，监控的可靠性仍然不够高，因而轨道车辆在紧急情况下需使用蓄电池时 仍存在较大故障风险和安全隐患的缺陷，提出一种车辆电池安全监测系统。
[0014] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
[0015] 本发明提供了一种车辆电池安全监测系统，其特点在于，包括：一电池监测单元、 一通信单元、一传感监测单元、一示警单元、通信线及列车线。
[0016] 该电池监测单元用于测量车辆电池的工况参数并将测得的工况参数发送至该通 信单元，工况参数包括以下参数中的至少一种：车辆电池的单体电压、总电压、电流、剩余电 量、绝缘电阻和温度。
[0017] 该通信单元用于将接收到的工况参数通过通信线传输至该示警单元。
[0018] 该传感监测单元用于检测车辆电池所处工作环境的环境物理量，并将检测到的环 境物理量通过列车线传输至该示警单元，环境物理量包括以下参数中的至少一种：烟雾浓 度、温度、电路中预设节点处的电流。
[0019] 该示警单元用于根据接收到的环境物理量和电池的工况参数生成示警信息，并输 出示警信息。
[0020] 其中，列车线为现有的列车中的用于传递相关电气指令或信息的线路，列车线从 其功能来说只需要是导线即可，在此可以理解为列车中用于以电流的形式传递相关电气控 制指令的特定导线。而通信线则允许采用某种现有的通信协议以数据的通信传输的方式传 输信号或数据。通信线和列车线为独立的两类导线，并且其传输信号或数据的原理也存在 很大不同，这二者即构成异构冗余，这使得二者由于某些故障或某种环境的影响同时瘫痪 或失灵的可能性极小。举例来说，可以采用串行数据通信的形式经通信线将工况参数发送 至示警终端。在数据通信的具体实施上，本发明可以采用符合相关国际标准或国家标准的 安全通信协议，从而能够有效防御丢帧、错码、帧序错等传输错误，实现数据的可信传输。该 电池监测单元可以是设于列车的电池附近，采集和电池工作状态相关的参数。而传感监测 单元用于检测车辆电池所处工作环境的环境物理量，具体来说，针对各个不同的物理量可 以设置不同的传感器。
[0021] 在最理想的情况下，示警终端能够获得检测得到的所有工况参数和所有环境物理 量，这样就能够全面掌握列车电池的状态。但应当注意的是，基于这些参数或物理量中的一 个或者多个就能够在一定程度上判断列车电池能否正常工作。本发明能够在数据通信发生 故障而丧失信息传输功能的情况下，仍能够通过列车线将检测得到的部分参数传输至示警 终端，基于这部分参数，仍然足以获知列车电池的状态是否正常或者说是否可用。因此，即 使在安全监测系统的部分组件失灵或故障时，仍然能够大体上正常工作实现对于电池的可 靠监控。这样的异构容错机制的设计，能够基本完全杜绝在任何紧急情况下对于电池的安 全监控出现失效状况，因而对于保障列车的安全而言可靠性得到了大幅提高。
[0022] 较佳地，该电池监测单元采用对电路模拟量的数值测量以得到工况参数，该传感 监测单元采用传感技术检测得到环境物理量。
[0023] 这样，就在采样环节同样采用了异构容错机制，即由电池监测单元实现模拟量采 集，可以监测蓄电池的运行，而传感监测单元实现例如烟雾、过热、过流等客观环境的传感 测量。只要这两类检测不同时失效，本发明就能够可靠地监控列车电池。
[0024] 较佳地，该通信线用于利用数据通信传输工况参数，该传感监测单元包括传感设 备和一处理单元，传感设备用于检测环境物理量并发送至该处理单元，该处理单元用于根 据预设的转换规则将收到的环境物理量转换为频率电流脉冲、然后将频率电流脉冲通过列 车线传输至该示警单元。该示警单元用于解析接收到的频率电流脉冲的频率特征，并根据 接收到的频率电流脉冲和工况参数生成示警信息，并输出示警信息。
[0025] 将环境物理量转换为频率电流脉冲不仅有利于列车线的传输，降低了对于列车线 的要求，还保证了较高的传输效率，对于示警单元而言，也能够通过较为简单的处理根据频 率电流脉冲生成示警信息。同时该方式具有故障导向安全的能力，即传感监测单元故障时， 往往表现为输出固定电流，没有电流脉冲变化。因此，示警终端若接收到的列车线电流为固 定值而没有脉冲变化，则能够判断出传感监测单元或列车线出现故障，即设备故障，发出设 备故障报警，以提醒司机或其他操作人员。如此，就避免了由于设备发生故障而操控人员又 难以知晓，导致故障未被及时排除从而发生电池过热起火等事件，而危及人员安全。此外， 容易理解地，此处的转换规则可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置。
[0026] 较佳地，该处理单元存储有各个环境物理量的取值范围，该处理单元用于判断收 到的环境物理量是否超出对应的取值范围，并根据预设的第一转换规则将超出对应数值 范围的环境物理量转换为频率电流脉冲、然后将频率电流脉冲通过列车线传输至该示警单 J Li 〇
[0027] 较佳地，该转换规则或该第一转换规则规定，每一环境物理量对应频率电流脉冲 的一个频率。
[0028] 当然，举例来说，另一种设置方式也可以将不同的参数对应于频率电流脉冲的不 同幅度。此外，也可以将环境物理量和频率电流脉冲的频率之间的对应关系或者说转换规 则设置为以多个环境物理量的组合对应于不同的频率电流脉冲的频率。
[0029] 较佳地，传感设备包括烟雾传感器、电流传感器和感温电缆，烟雾传感器和电流传 感器采用常闭接点和该处理单元相连。
[0030] 其中，烟雾传感器、感温电缆和电流传感器均可设置为开关量输出型传感器的形 式。烟雾传感器正常状态下，输出报警接点闭合。当蓄电池产生烟雾浓度达到报警阈值时， 烟雾传感器输出报警接点断开。感温电缆正常状态下，其中的两根芯线处于断开状态。当 蓄电池某处温度达到报警阈值时，感温电缆两根芯线闭合。当蓄电池总电流处于未超过报 警阈值时，电流传感器输出报警接点闭合。蓄电池总电流达到报警阈值时，电流传感器输出 报警接点断开。这样的具体设置，能够避免在故障实际发生时，由于报警线路或信号传输线 路的断开，致使报警单元一侧或这侧的人员误以为电池一切正常，带来安全隐患。
[0031] 较佳地，该示警单元还用于在一预设时长未接收到环境物理量或未接收到工况参 数的情况下输出设备故障报警。
[0032] 较佳地，该示警单元包括用于输出示警信息的一视觉报警器和一听觉报警器。
[0033] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 例。
[0034] 本发明的积极进步效果在于：
[0035] 本发明的车辆电池安全监测系统，在采样环节、数据传输环节和示警环节设计了 异种结构容错机制，在安全监测中的各个环节可能出现的单一设备故障均不会导致本发明 的系统的安全监测失效，在能够可靠地监测到电池存在故障或故障风险的情况并及时发出 报警，显著提高列车电池安全监测的可靠性，能够有效地监控轨道交通车辆蓄电池的运行 安全，防止发生蓄电池过热、燃烧、无法供电等多种类型的事故，保障了车辆及乘客在应急 情况下的安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1为本发明一较佳实施例的车辆电池安全监测系统的结构示意图。
[0037] 图2为本发明一较佳实施例的车辆电池安全监测系统中传感数据采集单元的示 意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因 此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0039] 参考图1所示，本发明一较佳实施例的车辆电池安全监测系统包括2个电池箱以 及位于两端的两个司机室，两个示警终端分别位于两个司机室内，每个电池箱均设有一组 蓄电池。由于针对各个电池箱的电池安全监测完全相同，因此以下仅针对一个电池箱的电 池安全监测所涉及的设备进行说明。该车辆电池安全监测系统还包括电池监测单元101、通 信单元102、传感监测单元、一路通信线401及两路列车线402、403。其中，传感监测单元包 括传感数据采集单元103、烟雾传感器104、感温电缆105和电流传感器106。
[0040] 如图1所示，在电池箱1内，电池监测单元101和通信单元102相连，烟雾传感器 104、感温电缆105、电流传感器106分别和传感数据采集单元103相连。示警终端301安装 在列车前端司机室，另一示警终端安装在列车后端司机室，传感数据采集单元103通过列 车线402、403和示警终端相连。通信单元102则通过通信线401和示警终端相连。
[0041] 在电池箱内，电池监测单元101完成对蓄电池详细的运行参数的测量，本实施例 中，运行参数包括单体电池电压、蓄电池总电压、蓄电池总电流、剩余电量、绝缘电阻和电池 温度等。
[0042] 烟雾传感器104装于蓄电池上方，位置上对准蓄电池的泄放阀或安全阀，用于探 测蓄电池产生的烟雾。烟雾传感器104的输出为开关量，设置为继电器常闭接点，若蓄电池 过热或阴燃而产生烟雾，从蓄电池泄放阀或安全阀或其他部位逸出，进入烟雾传感器104。 当烟雾浓度达到烟雾传感器104的报警阈值，则烟雾传感器104的输出报警接点断开，向传 感数据采集单元103发出烟雾报警信号。
[0043] 感温电缆105缠绕于蓄电池外壳和输出端子，完成蓄电池过热检测。感温电缆105 是一类温度敏感型的特制传感器，当电缆各处温度均低于报警阈值时，其两根芯线呈现开 路状态；当电缆某处受热，温度上升至报警阈值时，破坏芯线之间的绝缘材料，两根芯线呈 现短路状态。感温电缆105缠绕于蓄电池外壳和输出端子，可以监测蓄电池本体是否过热， 同时还可以监测输出端子是否过热。由于蓄电池端子和导线连接，多采用螺栓固定。在列 车车载的频繁振动环境下，螺栓容易松动。若螺栓松动，导致导线和端子接触不良，接触电 阻增大。在蓄电池总电流不变的情况下，根据电流做功的公式W= I2R可知，接触面产生的 热量增加，温度上升，而温度上升导致端子的电阻进一步增大，发热更加严重，形成正反馈。 这最终就会导致接触面迅速发热，甚至端子熔化。因此，感温电缆105能够有效监测端子是 否发热，在发热早期即探测出此种故障隐患。
[0044] 电流传感器106和传感数据采集单元103连接，其电流测量端串联在蓄电池主回 路，监测流过的蓄电池的总电流，防止蓄电池过流损坏，并预防由于过流发热引发蓄电池燃 烧等严重事故。电流传感器106采用带电流超限报警功能的电流传感器，当总电流过流时， 传感器输出报警常闭接点断开，向传感数据采集单元103发出过流报警信号。
[0045] 所述传感数据采集单元103连接烟雾传感器104、感温电缆105和电流传感器 106,感知蓄电池工况是否异常，并实时检测烟雾传感器104、电流传感器105的连线是否完 好。传感数据采集单元经过所述列车线402和所述示警终端相连。
[0046] 如图2所示，本实施例的传感数据采集单元103主要由频率可编程脉冲发生器、电 子开关和直流电源组成。频率可编程脉冲发生器具有3个控制输入，分别为控制输入51、控 制输入52和控制输入53。控制输入51连接烟雾传感器，控制输入52连接感温电缆，控制 输入53连接电流传感器。其中的频率可编程脉冲发生器特性如表1所示。
[0047] 表1频率可编程脉冲发生器功能示意表
[0048]
【权利要求】
1. 一种车辆电池安全监测系统，其特征在于，包括：一电池监测单元、一通信单元、一 传感监测单元、一示警单元、通信线及列车线； 该电池监测单元用于测量车辆电池的工况参数并将测得的工况参数发送至该通信单 元，工况参数包括以下参数中的至少一种：车辆电池的单体电压、总电压、电流、剩余电量、 绝缘电阻和温度； 该通信单元用于将接收到的工况参数通过通信线传输至该示警单元； 该传感监测单元用于检测车辆电池所处工作环境的环境物理量，并将检测到的环境物 理量通过列车线传输至该示警单元，环境物理量包括以下参数中的至少一种：烟雾浓度、温 度、电路中预设节点处的电流； 该示警单元用于根据接收到的环境物理量和工况参数生成示警信息，并输出示警信 息。
2. 如权利要求1所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该电池监测单元采用对 电路模拟量的数值测量以得到工况参数，该传感监测单元采用传感技术检测得到环境物理 量。
3. 如权利要求1所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该通信线用于利用数据 通信传输工况参数，该传感监测单元包括传感设备和一处理单元，传感设备用于检测环境 物理量并发送至该处理单元，该处理单元用于根据预设的转换规则将收到的环境物理量转 换为频率电流脉冲、然后将频率电流脉冲通过列车线传输至该示警单元； 该示警单元用于解析接收到的频率电流脉冲的频率特征，并根据接收到的频率电流脉 冲和工况参数生成示警信息，并输出示警信息。
4. 如权利要求3所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该处理单元存储有各个 环境物理量的取值范围，该处理单元用于判断收到的环境物理量是否超出对应的取值范 围，并根据预设的第一转换规则将超出对应数值范围的环境物理量转换为频率电流脉冲、 然后将频率电流脉冲通过列车线传输至该示警单元。
5. 如权利要求3或4所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该转换规则或该第一 转换规则规定，每一环境物理量对应频率电流脉冲的一个频率。
6. 如权利要求3或4所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，传感设备包括烟雾传 感器、电流传感器和感温电缆，烟雾传感器和电流传感器采用常闭接点和该处理单元相连。
7. 如权利要求1所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该示警单元还用于在一 预设时长未接收到环境物理量或未接收到工况参数的情况下输出设备故障报警。
8. 如权利要求1所述的车辆电池安全监测系统，其特征在于，该示警单元包括用于输 出示警信息的一视觉报警器和一听觉报警器。
【文档编号】G01R19/165GK104215823SQ201410394911
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】周巧莲, 沈拓, 毕艳祥, 金碧筠, 邓奇, 韦乐香 申请人:上海申通地铁集团有限公司, 上海申通轨道交通研究咨询有限公司
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