Một tuyến đường sắt hiện đại là một máy tính phân tán gắn với an toàn, trải dài hàng trăm kilômét, và gần như mọi quyết định an toàn — một khu đoạn có bị chiếm hay không, đèn tín hiệu được hiển thị trạng thái nào, eurobalise điều khiển truyền cấp phép chạy tàu nào — đều do thiết bị điện tử dọc tuyến thực hiện; khi nguồn điện công cộng chập chờn, các thiết bị này không thể đơn giản dừng lại. Bài đầu tiên trong loạt bài về nguồn dự phòng pin nickel-kim loại hydride cho tín hiệu đường sắt này giải thích nguyên lý hoạt động và đặc tính phụ tải của những thiết bị mà một bộ pin dọc tuyến thực sự phải gánh. Trước hết là một phân biệt hay bị bỏ qua: eurobalise cố định là một bộ tiếp phát đáp thụ động không có pin, chỉ được cấp nguồn bởi ăng-ten BTM (Balise Transmission Module) trên đoàn tàu đi qua; còn eurobalise điều khiển (chuyển mạch) được một thiết bị điện tử dọc tuyến (Lineside Electronic Unit, LEU) điều khiển liên tục, LEU chuyển trạng thái tín hiệu thời gian thực thành các điện báo (telegram), vì vậy cần nguồn cấp thường trực và có dự phòng. Quanh LEU là các bộ đánh giá đếm trục xác định tình trạng chiếm chỗ của khu đoạn, hệ thống liên tỏa điện tử bắt buộc các lộ trình tàu, mạch phát hiện tàu và phát hiện vị trí ghi, cùng bộ điều khiển đường ngang. Bài viết đặt các phụ tải này trong kiến trúc an toàn châu Âu do EN 50126 (RAMS), EN 50128 (phần mềm) và EN 50129 (hệ thống điện tử liên quan an toàn cho tín hiệu) định nghĩa; giao diện eurobalise của ERTMS/ETCS được quy định trong UNISIG SUBSET-036 và bổ sung bởi đặc tả kỹ thuật tương hợp (TSI) của hệ con điều khiển-lệnh và tín hiệu. Sau đó bài triển khai chế độ dự phòng đặc trưng — chờ tải thấp kéo dài, xen lẫn các đỉnh dòng ngắn và xác định khi tàu đi qua, khi chuyển ghi hoặc khi kích hoạt đường ngang — và giải thích vì sao pin được chọn theo thời gian khôi phục điện mà nhà quản lý hạ tầng ghi nhận, chứ không theo một thời gian tự cấp chung chung: yêu cầu thời gian dự phòng cho liên tỏa và đường ngang thường ở mức vài giờ, các nút ở xa có thể lâu hơn; các con số này là thực tiễn kỹ thuật, không phải một quy định bắt buộc chung cho tất cả.
Thiết bị dọc tuyến chia rõ thành phần tử thụ động và phần tử được cấp nguồn. Eurobalise cố định mô tả trong SUBSET-036 là thụ động: lắp giữa các tà vẹt, nó không cần nguồn, vì ăng-ten BTM trên tàu cấp năng lượng bằng cảm ứng từ khi tàu chạy qua và nó trả lời bằng một điện báo đã lưu. Eurobalise điều khiển thì được đấu cáp với LEU, LEU liên tục cập nhật điện báo để phản ánh trạng thái tín hiệu, giới hạn tốc độ hay lộ trình hiện hành; nếu LEU mất nguồn, balise điều khiển không còn truyền được trạng thái thay đổi — chính vì vậy LEU và nguồn tín hiệu của nó mới là đối tượng cần dự phòng.
Ngoài LEU, họ thiết bị được cấp nguồn còn gồm bộ đánh giá đếm trục cùng các đầu dò bánh xe trên ray để xác định khu đoạn chiếm chỗ hay trống; bộ điều khiển liên tỏa điện tử giữ lộ trình và trạng thái tín hiệu; mạch ray hoặc các hệ thống phát hiện tàu khác; máy chuyển ghi và các tiếp điểm vị trí của nó; cùng bộ điều khiển đường ngang chủ động với đèn cảnh báo, cần chắn và chuông. Mỗi loại có dạng dòng khác nhau, và pin dự phòng phải duy trì 「tập con an toàn đã được định nghĩa」 trong các chức năng này suốt một cửa sổ thời gian dự phòng cụ thể.
Tín hiệu đường sắt xây trên bộ ba tiêu chuẩn an toàn CENELEC. EN 50126 quy định độ tin cậy, độ sẵn sàng, tính bảo trì và an toàn (RAMS) cùng quy trình suy ra yêu cầu toàn vẹn an toàn; EN 50128 bao trùm phần mềm của hệ thống điều khiển và bảo vệ tàu; EN 50129 đặt yêu cầu cho hệ thống điện tử liên quan an toàn trong tín hiệu, gồm phần cứng, hành vi khi có lỗi và hồ sơ an toàn (safety case) cho phép một hệ thống mang mức SIL xác định. Chức năng balise/LEU và giao diện phát hiện tàu bằng đếm trục còn bị ràng buộc bởi TSI điều khiển-lệnh và tín hiệu (Quy định EU 2016/919).
Đối với nguồn điện, hệ luận là trực tiếp: mất điện lưới là một sự kiện bên ngoài đã được lường trước, và phản ứng của hệ thống phải tất định. Nguồn dự phòng không cần giữ mọi chức năng tiện ích, nhưng phải duy trì hoạt động của các chức năng liên quan an toàn — hoặc đưa thiết bị điều khiển về trạng thái an toàn — trong suốt thời gian dự phòng đã ghi nhận, và phải làm được sau thời gian dài không hoạt động, trong tủ ngoài trời không sưởi, không cần chuyến thăm bảo trì. Chính tổ hợp của tuổi thọ chờ dài, thời gian dự phòng hữu hạn nhưng được đảm bảo và khả năng truy vết của hồ sơ an toàn đã định hình việc chọn pin không kém gì bản thân phụ tải điện.
LEU là một bộ điều khiển công nghiệp công suất thấp: một bộ xử lý, giao diện truyền thông với liên tỏa, và mạch điện tử đường lên điều khiển balise điều khiển qua cáp dài (điện báo dữ liệu và tín hiệu cấp nguồn cùng tồn tại trên đường dây balise). Dòng của nó chủ yếu là tiêu thụ chờ gần như liên tục, với các cụm nhỏ đo lường từ xa và truyền thông chỉ tăng khi trạng thái đổi hoặc khi tàu đến gần. Một kênh LEU/balise đơn lẻ vì vậy ít đòi hỏi về oát, nhưng một điểm điển hình gộp nhiều kênh, một bộ đánh giá và truyền thông trong cùng một tủ: thanh cái có dự phòng cấp cho một cụm nhỏ nhưng luôn bật.
Hình động đầu tiên vẽ dòng dọc tuyến điển hình trong một giai đoạn dự phòng: đường nền chờ bằng phẳng cho LEU và bộ đánh giá, các đỉnh ngắn khi tàu qua và đọc balise, và một sự kiện lớn hơn nhưng ngắn nếu máy chuyển ghi hoặc đường ngang nằm trong phụ tải dự phòng. Đặc tính này cố ý đối lập với pin kéo: phần lớn thời gian gần như không có năng lượng dịch chuyển, do đó đề cao tự xả thấp và khả năng cấp một đỉnh không thường xuyên mà không sụt áp.
Hệ thống đếm trục ghép các đầu dò bánh xe ở biên khu đoạn với một bộ đánh giá đếm số trục vào và ra, chỉ tuyên bố khu đoạn trống khi các số đếm khớp nhau. Bộ đánh giá và đầu dò tiêu thụ ít dòng một chiều nhưng không được khởi động lại khi mất điện, vì khởi động lại buộc phải phục hồi khu đoạn một cách có chủ đích theo quy trình. Liên tỏa là thẩm quyền an toàn của khu vực, giữ logic lộ trình và trạng thái; ở nơi được dự phòng, nguồn của nó phải sạch và không gián đoạn để trạng thái an toàn được duy trì thay vì tính lại từ một lần khởi động nguội.
Đường ngang là phụ tải hỗn hợp khắt khe nhất: dòng điều khiển và hiển thị ổn định, cộng với các sự kiện dòng lớn định kỳ cho động cơ cần chắn, đèn cảnh báo và chuông. Vì vậy thời gian dự phòng của đường ngang được quy định quanh số chu kỳ kích hoạt thực tế trong lần mất điện bất lợi nhất, chứ không chỉ theo dòng chờ. Trên tất cả các phụ tải này, pin trải qua chế độ chủ yếu là nổi (float)/chờ với một số ít xung xác định — một đặc tính rất hợp với hóa học có điện áp phóng bằng phẳng, khả năng xung tốt và tổn thất chờ rất thấp.
Thời gian dự phòng là một yêu cầu kỹ thuật do kế hoạch khôi phục của nhà khai thác và rủi ro chạy tàu của tuyến quyết định. Thực tiễn công nghiệp trong tín hiệu dọc tuyến thường đặt dự phòng cho liên tỏa và đường ngang ở mức vài giờ, còn các nút xa trên khu đoạn dài đôi khi được quy định lâu hơn đáng kể; các con số này là dải lập kế hoạch từ nhà cung cấp và nhà khai thác, không phải một điều khoản đơn nhất, và giá trị đúng luôn là thời gian khôi phục mà nhà quản lý hạ tầng ghi nhận cộng với biên an toàn. Sau đó pin được hạ định mức (derating) theo khí hậu thực của tủ — có thể dao động từ sâu dưới điểm đóng băng vào mùa đông đến mức cao bị nắng nung vào mùa hè — và theo lão hóa đến cuối tuổi thọ danh định.
Các cell nickel-kim loại hydride kín phù hợp ở đây vì kết hợp điện áp phóng danh định bằng phẳng 1,2 V, khả năng cấp dòng ở nhiệt độ thấp tốt so với dung lượng, không có điện giải lỏng phải châm thêm hay đổ ra trong tủ ngoài trời kín, và không chứa cadmi (kim loại nặng); bài thứ hai sẽ triển khai tính toán dung lượng bộ pin và so sánh thẳng thắn NiMH với nickel-cadmi hở (hóa học truyền thống của đường sắt), ắc-quy axit-chì điều áp bằng van (VRLA) và lithium-ion.
Phân tích dẫn tới một yêu cầu cụ thể: một dãy pin kín ít bảo trì cùng bộ sạc, được bố trí để giữ thanh cái liên quan an toàn trong toàn bộ thời gian dự phòng đã ghi nhận, vào cuối tuổi thọ và ở các cực trị nhiệt độ của tủ; đủ dòng đỉnh cho các sự kiện đường ngang hoặc chuyển ghi đã định mà không tụt dưới ngưỡng cắt của điện tử; giám sát ghi lại tình trạng mất lưới, điện áp pin và thời gian dự phòng đã dùng; và kết cấu chịu được rung, ẩm cùng chế độ nổi/chờ kéo dài. Bộ pin và các cell phải truy vết được tới các tiêu chuẩn pin được công nhận và được hậu thuẫn bằng tài liệu an toàn mà hồ sơ EN 50129 đòi hỏi.
Hai bài kế tiếp biến yêu cầu này thành phần cứng: bài thứ hai tính toán một bộ pin NiMH kín dọc tuyến và đối chiếu với các phương án NiCd, chì và lithium; bài thứ ba phác thảo chiến dịch kiểm định: thử môi trường, tương thích điện từ theo EN 50121, tiêu chuẩn pin và các bằng chứng mà nhà tích hợp tín hiệu phải đưa vào hồ sơ an toàn.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất các cell nickel-kim loại hydride kín cùng bộ pin công nghiệp tùy chỉnh cho thiết bị ở xa, ngoài lưới và liên quan an toàn, đồng hành cùng đối tác OEM bằng bảng dữ liệu hiệu năng IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-2, đặc tính hóa phụ tải xung, thử nghiệm dải nhiệt rộng và đồng kiểm chứng bộ sạc/bộ pin. Hãy cho chúng tôi biết chu trình làm việc, dòng đỉnh, dải nhiệt, mục tiêu thời gian dự phòng và các tiêu chuẩn sản phẩm của quý vị phải đáp ứng; kỹ sư của chúng tôi sẽ định ra tổ hợp cell/bộ pin bảo vệ thời gian hoạt động, độ tin cậy và tuổi thọ. Xem toàn bộ dòng sản phẩm tại trang sản phẩm.
