鉛晶蓄電池在軌道交通車輛中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

岳 明

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥車輛段技術(shù)科， 江蘇徐州 221003)

隨著我國軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，軌道交通車輛用蓄電池的需求也隨之快速增長(zhǎng)。從目前我國軌道交通車輛用電池的現(xiàn)狀看來，產(chǎn)品種類較多，性能參差不齊。其中，應(yīng)用最多的蓄電池主要有鉛酸蓄電池(包括膠體蓄電池)和堿性鎳鎘蓄電池兩類。由于這兩類蓄電池存在各種的缺陷或不足，迫使人們研發(fā)和探索鋰離子電池等新型蓄電池產(chǎn)品代替老產(chǎn)品。在調(diào)研、測(cè)試和試用的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上一種鉛晶蓄電池構(gòu)成和性能適宜于軌道交通車輛使用。

1 鉛晶蓄電池構(gòu)成及其主要原理

鉛晶蓄電池是我國江南某電池制造公司基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，應(yīng)用獨(dú)創(chuàng)的硅晶復(fù)合鹽電解質(zhì)配制技術(shù)和鉛晶電池制造技術(shù)，積10多年之功研發(fā)而成。以電解質(zhì)組成、電極結(jié)構(gòu)、裝配和化成工藝等眾多獨(dú)到之處，使多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

所謂“鉛晶蓄電池”，其中“鉛”字表示用鉛作電極，“晶”包含兩方面的意思。一是正極表面鍍有單晶、多晶態(tài)PbO2的活性物質(zhì)；二是采用SiO2和多種復(fù)合鹽組成的晶態(tài)電解質(zhì)(如圖1為證)。采用獨(dú)特的制備技術(shù)，將多種無機(jī)鹽與有機(jī)物復(fù)配混合，利用多種復(fù)合鹽及添加劑的協(xié)同作用，優(yōu)化電解質(zhì)與電極活性物質(zhì)之間的反應(yīng)性能，避免活性物質(zhì)硫酸鹽化脫落，延長(zhǎng)使用壽命。經(jīng)數(shù)個(gè)充放電循環(huán)后，使原來灌入時(shí)呈液態(tài)的電解質(zhì)逐步轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)狀的晶體狀態(tài)，消除漏液危險(xiǎn)，提高安全性能，優(yōu)化導(dǎo)電功能。采用自創(chuàng)的電極制備、電極鑄焊、真空灌液、電池化成、端子連接和氣液分流閥等一系列專利技術(shù)，使蓄電池產(chǎn)品性能更優(yōu)、效率更高。

圖1 鉛晶、膠體鉛酸蓄電池電極表面晶態(tài)電解質(zhì)X-射線衍射圖

(1)

鉛晶蓄電池專用電解液的組成中除了少量的稀硫酸(H2SO4)以外，還含有若干種無機(jī)弱酸和有機(jī)弱酸。在電池停運(yùn)狀態(tài)下，這些無機(jī)弱酸和有機(jī)弱酸在電池中只能部分電離。隨著蓄電池中放電反應(yīng)的發(fā)生，就會(huì)奪取弱酸分子電離出來的H+。并且，隨著放電反應(yīng)的不斷進(jìn)行，弱酸電離平衡就會(huì)不斷地向電離方向移動(dòng)，逐步地、源源不斷地放出H+來保證放電反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。相反，當(dāng)電池發(fā)生充電反應(yīng)時(shí)，由水的電解產(chǎn)生的H+又可促使弱酸電離平衡向左移動(dòng)，從而恢復(fù)成弱酸分子。如此循環(huán)往復(fù)、周而復(fù)始地維持電池的正常工作。

2 鉛晶蓄電池應(yīng)用于軌道車輛的主要優(yōu)勢(shì)

鉛晶蓄電池以獨(dú)特的電解液組成和電池結(jié)構(gòu)，賦予產(chǎn)品“安全、環(huán)保、高效、長(zhǎng)壽”4大特點(diǎn)。不但革新了傳統(tǒng)、單一的硫酸液為電解液，而且使電池的結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的改變。隨著電解質(zhì)與電極之間電化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行，電池內(nèi)部溶液狀態(tài)的電解質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)狀的晶體狀態(tài)，不僅能固定極板上活性物質(zhì)，并且為離子的遷移留出通道，有效地克服了傳統(tǒng)鉛酸蓄電池極板硫酸鹽化、活性物質(zhì)脫落和容量衰減“三大頑疾”。

2.1 鉛晶蓄電池的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1) 使用壽命長(zhǎng)。鉛晶電池十多種復(fù)合鹽添加后的固態(tài)結(jié)構(gòu)，極大地避免了極板硫化現(xiàn)象，改善了蓄電池在PSOC下的壽命衰減情況。使得鉛晶蓄電池的使用壽命是傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的2～3倍。

(2) 使用成本較低。鉛晶蓄電池的比鎳鎘蓄電池的直接成本低15%左右。鉛晶蓄電池在段修檢查和運(yùn)用檢修時(shí)，十分方便，不需要補(bǔ)液、擦洗，浪費(fèi)人力、物力。同時(shí)還節(jié)省檢修過程中的人工、材料和管理費(fèi)用。

(3) 高低溫范圍寬。鉛晶電池能在-40℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)和6 000 m及以上高海拔環(huán)境下正常工作，能很好地適應(yīng)于軌道車輛行駛從南方到北方地域跨度大、冬天夏天溫度差距大的環(huán)境變化。-40℃容量比鉛酸高20%，40℃循環(huán)壽命是鉛酸2.5倍。

(4) 自放電較小、長(zhǎng)期庫存后容量恢復(fù)能力強(qiáng)。電解質(zhì)中添加了能抑制氧氣和氫氣析出的鹽類，且固態(tài)晶體電解質(zhì)在化成后形成有規(guī)律的龜裂，為氧氣和氫氣的復(fù)合提供了通道。使自放電系數(shù)很小，自然存放1年剩余容量大于85%。長(zhǎng)期儲(chǔ)存后正常充放，容量即可恢復(fù)至97%以上。

(5) 環(huán)保性能好。生產(chǎn)和使用中無酸液、酸霧和其他危險(xiǎn)廢物放出，不會(huì)造成對(duì)土地、河流、空氣等環(huán)境污染，更不會(huì)對(duì)機(jī)車上任何元器件造成腐蝕和損傷，環(huán)保安全性能更好。因形成晶態(tài)電解質(zhì)而使電池在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中根本不用擔(dān)心漏液。產(chǎn)品由國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局化學(xué)品登記中心鑒定為“非危險(xiǎn)品”，而鉛酸蓄電池列為“危險(xiǎn)品”。

(6) 深放電性能好，鉛蓄電池深放電之后，其吸附式隔板中易出現(xiàn)鉛絨或彌散型沉淀，導(dǎo)致極板微短路，造成蓄電池壽命迅速衰減。鉛晶蓄電池電解質(zhì)中的復(fù)合鹽，徹底解決了電池枝晶短路。過放至0 V壽命是鉛酸的8～10倍。

(7) 安全性高 鐵路安全責(zé)任任重道遠(yuǎn)，一定要杜絕即使充電設(shè)備故障，充電電壓無法限制的情況下，蓄電池可損壞但不能出現(xiàn)爆裂等安全性事故發(fā)生。根據(jù)這一要求，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：提高整組電池充電電壓至132 V，使電池溫度上升至65 ℃，繼續(xù)充電至臌脹，再繼續(xù)充電24 h，未出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。

2.2 鉛晶蓄電池與鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池的性能比較

鉛晶蓄電池的優(yōu)勢(shì)可以從與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池的性能比較中明顯展示出來(表1 鉛晶電池與鉛酸電池、鎳鎘電池的主要性能比較)。

表1 鉛晶電池與鉛酸電池、鎳鎘電池的主要性能比較

3 鉛晶蓄電池在軌道交通車輛的成功應(yīng)用舉例

鉛晶蓄電池作為一種鉛酸蓄電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能/風(fēng)能儲(chǔ)能、UPS/EPS電源、電力電站、通信基站、鐵路客車、城軌交通、氣象雷達(dá)、電動(dòng)車輛、銀行、廣電、油氣田和氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，市場(chǎng)應(yīng)用十分廣闊。

下面是鉛晶蓄電池應(yīng)用于鐵路客車車輛的成功案例。

2009年由上海鐵路局車輛處協(xié)作公司合作開發(fā)了鐵路客車用鉛晶蓄電池組，2009年3月2日～2009年8月6日鐵路客車用閥控密封式鉛晶蓄電池組系列中的“6-TM-120型”產(chǎn)品，經(jīng)原鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站檢驗(yàn)合格，于2009年10月至2010年3月底在杭州至泰州的T7785/6編組6輛客車上裝車運(yùn)行試用，在編組運(yùn)行中與鎘鎳蓄電池組客車混編，在充電容量、故障率及維護(hù)保養(yǎng)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，達(dá)到預(yù)期效果。于2010年3月11日，通過了由上海鐵路局總師室組織召開科技成果驗(yàn)收(上鐵局技驗(yàn)字〔2010〕第004號(hào))，上海鐵路局車輛處于2010年申請(qǐng)了“鉛晶蓄電池組在青藏客車上的推廣應(yīng)用”的立項(xiàng)，在上海至拉薩的T163/4次編組6輛客車上裝車運(yùn)行試用，進(jìn)一步收鉛晶集電池組在高海拔、低溫、低氣壓等惡劣氣候條件下運(yùn)用的技術(shù)數(shù)據(jù)資料，進(jìn)一步完善鉛晶蓄電池制造工藝，至2011年1月進(jìn)一步擴(kuò)大裝車。

裝車車次：上海-拉薩T164次，每列編組15輛客車。

上海動(dòng)車客車段配屬的青藏客車為中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司在裝車前，進(jìn)行了高原低氣壓模擬試驗(yàn)，及高原自然環(huán)境下充電、放電試驗(yàn)。

第1步在平原地區(qū)對(duì)鉛晶電池組進(jìn)行高原環(huán)境模擬試驗(yàn)：先將鉛晶電池單體放在一個(gè)封閉的容器內(nèi)，然后抽空使容器內(nèi)的壓力為0.05個(gè)大氣壓。保持8 h后打開容器檢查電池，外形未發(fā)現(xiàn)異常后，再對(duì)電池單體在0.05個(gè)大氣壓進(jìn)行充放電試驗(yàn)。幾個(gè)循環(huán)，電池充放電數(shù)據(jù)全部符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

第2步在上海至拉薩的編組上運(yùn)行試驗(yàn)。把充滿電的電池放入防爆容器內(nèi)，放在上海至拉薩運(yùn)行的車輛上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。幾個(gè)往返運(yùn)行后，在上海動(dòng)車客車段技術(shù)支持下，在確?？蛙囓囕v運(yùn)行安全的前提下開始進(jìn)行充放電試驗(yàn)。運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

第3步再把鉛晶蓄電池組安裝在青藏客車上YW25T 679768，編入上海至拉薩的T163/4次編組進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)(不載旅客)。往返途中充電放電數(shù)據(jù)全部符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

第4步把安裝鉛晶蓄電池組的YW25T679768等6輛客車編入上海至拉薩的T163/4次的其中同一個(gè)編組上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)30天。期間，未發(fā)現(xiàn)電解液爬極現(xiàn)象和正負(fù)極柱硫化現(xiàn)象，由于鉛晶蓄電池本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在高原4 500 m及以上海拔下不存在冒泡冒液的可能，充放電容量明顯優(yōu)于同編組的鎘鎳蓄電池。對(duì)鉛晶蓄電池組進(jìn)行性能測(cè)試，主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)全部符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。

第5步擴(kuò)大裝車試驗(yàn)。

從試裝6輛開始到整列15輛整列編組進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，再分散與原廠設(shè)計(jì)安裝的鎘鎳(燒結(jié))蓄電池組混合編組運(yùn)行試驗(yàn)，考察鉛晶蓄電池組與鎘鎳蓄電池組在混編狀態(tài)下的相互影響。

在2011年11月對(duì)第1階段裝車的6輛編組鉛晶蓄電池組進(jìn)行性能測(cè)試，在原車充電機(jī)雙曲線充電模式轉(zhuǎn)為浮充電壓后，用放電機(jī)實(shí)行30 A恒流放電3 h，全部主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。第2階段：擴(kuò)裝至T164次全列車(后續(xù)11輛車號(hào))

裝車運(yùn)用考驗(yàn)時(shí)間：2011年1月至2012年12月，為期2年。

充電機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)置及充電曲線仍然使用原廠設(shè)計(jì)所有參數(shù)及雙曲線充電模式。

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司生產(chǎn)的青藏客車原設(shè)計(jì)鎘鎳蓄電池為GNC120，限充電流(20±2)A，當(dāng)蓄電池箱內(nèi)溫度為20 ℃時(shí)，最大充電電壓為116.7 V，當(dāng)充電電流低于5 A時(shí)，充電電壓降低為111.2 V浮充狀態(tài)。

鉛晶蓄電池完全適應(yīng)這種充電模式，為期2年的運(yùn)用考驗(yàn)中主要性能指標(biāo)完全符合正常的壽命周期規(guī)律。

2012年12月對(duì)第2階段裝車的11輛編組鉛晶蓄電池組進(jìn)行性能測(cè)試，在原車充電機(jī)雙曲線充電模式轉(zhuǎn)為浮充電壓后，用放電機(jī)實(shí)行30 A恒流放電3 h，以查看鉛晶蓄電池組在高海拔、低溫、低氣壓等惡劣氣候條件下運(yùn)用時(shí)的鉛晶蓄電池組主要技術(shù)參數(shù)的變化情況。全部編組數(shù)據(jù)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。在運(yùn)用試驗(yàn)的2年中，17輛鉛晶蓄電池組在上海至拉薩T163/4次5個(gè)編組上與原廠設(shè)計(jì)安裝的鎘鎳蓄電池組(燒結(jié)工藝)混編，在日常庫檢、蓄電池組專項(xiàng)修及A2修、A3修過程未發(fā)生任何技術(shù)問題及故障，也沒有發(fā)生同編組裝車運(yùn)行的鎘鎳蓄電池組外殼裂損、格拉段(4 500 m及以上海拔)電解液冒泡冒液等故障現(xiàn)象。

擴(kuò)大裝車的17輛客車鉛晶蓄電池組又從2013年1月正常使用至2015年12月，這批安裝鉛晶蓄電池組的青藏客車，再從上海車輛段轉(zhuǎn)屬至青藏公司運(yùn)行。

2011年8月經(jīng)上海鐵路局車輛處又安排將鉛晶蓄電池組安裝到Y(jié)W25G679841，編掛在K529/530次上，考慮原設(shè)計(jì)安裝的鎘鎳蓄電池組GZN-120型限充電壓比鉛晶蓄電池相對(duì)較高，在6TM-120 12 V、8節(jié)基礎(chǔ)上，串聯(lián)3TM-120 6 V、1節(jié)，從而相對(duì)降低每個(gè)電池單元的充電電壓，符合鉛晶蓄電池充電壓要求；又考慮鉛晶蓄電池組整組電壓較同編組安裝鎘鎳蓄電池組相對(duì)較高，為避免鉛晶蓄電池組在斷開全列車停止供電的瞬間放電不致過高，在鉛晶蓄電池組中串聯(lián)了二極管限壓器(4個(gè)二極管串聯(lián)與1個(gè)二極管并聯(lián)，4個(gè)二極管與放電電流正向串聯(lián)，1個(gè)二極管與充電電流正向串聯(lián))。在經(jīng)過為期2年的考驗(yàn)運(yùn)行，取得預(yù)期效果后，從2014年9月起在上海鐵路局范圍逐年擴(kuò)大裝車使用。

鉛晶蓄電池組在25G型客車上使用，既不用補(bǔ)充離子水，也不存在電解液“爬極”、電極“硫化”等通病，更不存在因電解滲漏導(dǎo)致蓄電池箱體腐蝕，從而大大節(jié)省了庫檢車電職工維護(hù)工作量。鉛晶蓄電池組備用存放時(shí)自放電極小，在運(yùn)行過程中性能穩(wěn)定電量充沛。

4 結(jié) 論

通過對(duì)鉛晶蓄電池的使用壽命、高低溫測(cè)試、安全性檢測(cè)、簡(jiǎn)化檢修、成本分析及裝車使用過程中跟蹤測(cè)試。證明鉛晶蓄電池在軌道交通車輛中完全可行。鉛晶蓄電池定會(huì)為軌道交通事業(yè)提供便捷、安全的可靠電源。