作者：朱英波 梁普 卢奎刚 金耀辉
摘 要：针对铁路罐车需加装安全监测系统但无电源的现状，从环境温度、安装方式和供电方式等方面对阀控式铅酸蓄电池、锂亚硫酰氯电池和太阳能发电三种电源应用于铁路罐车安全监测系统的可行性进行了探讨。
关键词：铁路罐车；监测系统；电源
随着铁路罐车载重增加，速度提升，以及铁路信息化的发展，为了提高危险品运输的安全性，加强危险品的运营管理，铁路罐车需加装安全监测系统。然而，铁路罐车无供电设施，为了使安全监测系统能够运行，铁路罐车须配备合适的电源。
1 概述
铁路罐车安全监测系统是利用传感技术、数据采集及处理技术、无线数据传输技术、GPS定位技术以及后台信息系统的融合技术等技术手段，采用车载设备对罐车运行中的相关参数进行检测，并通过无线的方式传送到地面监测系统，以实现危险品装卸运营全过程的监控。给这套系统供电，最常用的电源是电池，特种铁路罐车已采用阀控式铅酸蓄电池为测量显示系统供电，而锂亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池是目前实际应用电池系列中比能量最高的一种电池。除了电池，也可以利用自然能源的能量转换为监测系统供电，如太阳能，这种能源因具有无污染、资源普遍和永不枯竭等特点，近几年发展迅速。因此，本文对阀控式铅酸蓄电池、锂亚硫酰氯电池和太阳能发电三种电源应用于铁路罐车安全监测系统的可行性进行了探讨。
2 铁路罐车安全监测系统电源的要求
为了给安全监测系统供电，所配备的电源应能提供12V可靠稳定的直流电。由于铁路罐车运输范围广、温度变化大，电源应能满足铁路罐车运营环境温度的要求，即-40℃～+50℃。并且，铁路罐车的最短检修周期为1年，在此期间，一般无专人维护，因而，电源的供电时间应不小于1年。
3 三种电源应用于铁路罐车安全监测系统的分析
根据铁路罐车安全监测系统电源的要求，从环境温度、安装方式和供电方式等方面分别对阀控式铅酸蓄电池、锂亚硫酰氯电池和太阳能发电三种电源进行分析、对比。
3.1阀控式铅酸蓄电池
阀控式铅酸蓄电池因结构密封，充、放电过程中不会漏液，也不需要定期加水或加酸液，并且，电池内部设置了可以调节气压的安全阀，因此，这种电池也被称为“免维护”阀控密封式铅酸蓄电池，为二次电池。这种电池因具有电压稳、充放电可逆性好、使用温度范围广、安全性高、免维护、环保等特点，广泛地应用于国防、交通、电力、通讯、冶金、石油化工以及城市轨道交通的通信系统、信号系统、供电系统等[1]。
阀控式铅酸蓄电池在-40℃～+60℃范围内可正常使用，使用寿命为5年，能够满足铁路罐车运营环境温度和检修的要求。然而，由于结构原因，散热困难，其寿命和容量受温度影响较大。这种电池在25℃的环境下兼具使用寿命长和容量高的最佳综合性能。长期运行温度若升高10℃，使用寿命约降低一半[2]；当温度降低至-40℃时，蓄电池的容量减少到原来的1/ 3 左右[3]。
为了延长使用寿命，蓄电池应避免阳光直射，并进行适当的通风。并且，由于蓄电池的体积和重量较大，如容量为38Ah的阀控式铅酸蓄电池外形尺寸为200mm×169mm×176mm，重量约19kg。因此，蓄电池在铁路罐车上的安装采用独立式设计，并在保护壳上设置通风孔，可与安全监测系统的其他部件一起固定在罐顶，或悬挂于罐车的底架上以便于临时检修。在确定蓄电池的容量时，需综合考虑用电负载功耗、蓄电池的放电深度（一般取75%）、自放电（25℃时，每天自放电率小于额定容量的0.1%）和温度对蓄电池容量的影响等因素。
由于蓄电池在一次充电后给负载的供电时间应不低于1年，因此，采用阀控式铅酸蓄电池给监测系统供电时，只能进行间歇式供电，不能实现实时监控的目的。并且，根据用电负载的功耗，在考虑蓄电池体积和重量的基础上，选择适当的容量，从而确定供电的间隔时间。
3.2锂亚硫酰氯电池
锂亚硫酰氯电池因具有比能量高（实际比能量为405Wh/kg[4]）、工作电压高且平稳（在90%容量范围内，电压变化小于0.2V[5]）、储存寿命长（15年）、体积小、重量轻、耐振动和冲击等优点，已广泛地应用于电子计量、检测仪表、监控报警系统、电子医疗设备、GPS定位追踪设备等。目前工业化生产的电池为一次电池，国产38Ah锂亚硫酰氯电池的价格大约为每节75元。
锂亚硫酰氯电池的工作温度范围在-55℃～85℃之间，满足铁路罐车的运营工况。然而，环境温度对这种电池的容量和寿命也有一定的影响，当温度从25℃降低到-40℃时，电池容量降低约30%，高温（＞70℃）对电池的寿命有不利的影响。
由于锂亚硫酰氯电池的开路电压为3.6V，采用这种电池给12V的直流负载供电时，须串联4节电池才能达到所需的电压。该电池因比能量大而具有体积小、重量轻的优点，目前工业化生产的锂亚硫酰氯电池最大容量为38Ah，外形尺寸为φ34.2mm×124.5mm，重量约0.2kg。因而，采用这种电池给安全监测系统供电时，不需单独设计安装结构，可与其他部件一起安装在保护壳内，并固定于罐顶。
为了达到铁路罐车在最短1年检修周期内的供电要求，采用锂亚硫酰氯电池作为安全监测系统的电源时，也只能进行间歇式供电，可采用并联的方式增加电池的容量。这种电池由于自放电率很低（每年约0.1%），电池的容量仅与用电负载的功耗和温度有关。在综合考虑电池的容量和体积的情况下，确定危险品运输过程中监测的时间间隔。
3.3太阳能发电
太阳能发电是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光的辐射能转换为电能的一种新型发电系统，又称光伏系统，这是一种对环境无污染的可再生能源，其应用覆盖航海、航天、电力、交通、民用等领域，尤其是无电网的地区。
太阳能光伏发电系统由太阳能电池方阵、阻塞二极管、调节控制器和蓄电池组成[6]，其结构示意图见图1。目前，工业化生产的太阳能电池是晶体硅太阳能电池，主要包括单晶硅和多晶硅。单晶硅太阳能电池的转换效率约15%，多晶硅太阳能电池的转换效率在10%左右[7]。由于材料容易制取，多晶硅太阳能电池的成本较低。现阶段，市场上晶体硅太阳能电池组件的价格大约为15元/瓦，预期使用寿命25年。与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。
太阳能电池的正常工作温度是-65℃～+125℃，在给定的光强下，工作温度升高会降低转换效率，导致输出功率减小、使用寿命降低。研究表明相对于电池的额定工作温度25℃，温度每升高1℃功率会降低0.3%[8]。
由于铁路罐车属于移动式设备，运输范围遍及全国，为了使车辆运输途中太阳能电池组件能够最大限度地获得太阳能，提高发电效率，太阳能电池组件的安装须选取合适的倾斜角（太阳能电池组件平面与水平地面的夹角）。鉴于最佳倾斜角与地理纬度有关，通过调研1998年～2005年全国主要城市的日辐射量，成都和贵阳的日辐射量均较低，因此，铁路罐车太阳能电池组件安装倾斜角的确定以这两个地区作为参考，分别为32°和34°。同时，考虑到倾斜角大于30°时有利于组件表面的积雪滑落，因而，太阳能电池组件在铁路罐车顶部安装的倾斜角可选在30°～35°之间。
采用太阳能发电可以提供源源不断的能量，为铁路罐车的安全监测系统连续供电，不仅可以满足铁路罐车的检修要求，而且能够达到实时监控的目的。
3.4 三种电源的对比
阀控式铅酸蓄电池在铁路罐车上已有成熟的应用经验，可悬挂于铁路罐车的底架上，便于临时检修或更换电池。这种电池存在体积和重量大的缺点。采用该电池给安全监测系统供电时，只能进行间歇式供电。
锂亚硫酰氯电池因具有体积小、重量轻的优点，应用于铁路罐车可以实现安全监测系统的小型化和轻量化。然而，该电池存在低温放电电压滞后、短路和重负载条件下存在安全隐患等缺点。这种电池作为安全监测系统的电源时，危险品运输过程中的监测也只能是间歇式的。
采用太阳能发电的方式给铁路罐车安全监测系统供电时，可以达到在1年的检修期内给系统持续供电的目的，实现危险品装卸运营全过程的实时监测。太阳能电池组件存在体积大、产业链不完整、标准不完善、价格高等缺点。
4 结论
通过对阀控式铅酸蓄电池、锂亚硫酰氯电池和太阳能发电三种电源应用于铁路罐车安全监测系统的对比分析，可以得出以下结论：在间歇式供电的情况下，可以选用阀控式铅酸蓄电池或锂亚硫酰氯电池。阀控式铅酸蓄电池因属于二次电池长期使用经济性更高（38Ah电池的价格约600元），而锂亚硫酰氯电池明显具有自放电率低、体积小、重量轻的优点。铁路罐车危险品在运输过程中需实时监测时，可采用太阳能发电给安全监测系统供电。因此，在实际应用中，可根据用户的具体需求为铁路罐车安全监测系统选择合适的电源。
参考文献：
[1] 梁明晖. 阀控式铅酸蓄电池在城市轨道交通中的应用[J]. 蓄电池，2012，49（5）：237-240.
[2] 曾建华，李勇. 阀控式密封铅酸蓄电池最佳性能的实现[J]. 蓄电池，2006（2）：63-65.
[3] 张磊，魏晓斌，张光. 阀控式密封铅酸蓄电池的容量与温度关系分析[J]. 内燃机车，2007（9）：19-20、26.
[4] 王圣平. 油田用高温锂亚硫酰氯电池的性能分析[J]. 国外测井技术，2005，20（3）：67-70.
[5] 李连清. 锂亚硫酰氯高能电池[J]. 宇航材料工艺，2003（5）：39.
[6] 高彪，林善法，何剑峰等. 家用太阳能光伏发电系统设计[J]. 科技创新与应用，2011（21）：12-13.
[7] 罗雪莲，吴麟章，江小涛等. 太阳能电池及其应用[J]. 武汉科技学院学报，2005，18（10）：36-38.
[8] 闫红梅，温廷敦. 太阳能电池的最新研究进展[J]. 硅谷，2011（21）：31.