城市軌道交通車輛蓄電池虧電故障分析及改善措施

張 順 尹洪權(quán) 吉 敏

(南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，210031，南京∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通車輛正常運行時低壓直流電由充電機給出，蓄電池處在浮充狀態(tài)，并作為備用電源使用。在車輛運營期間出現(xiàn)重大故障等待救援時，若蓄電池也出現(xiàn)故障,輕則影響救援速度，重則危及乘客生命安全，因此蓄電池的重要性在緊急情況下作用凸現(xiàn)。本文以蓄電池虧電故障為例，對故障進行詳細分析，并提出解決措施，可為城市軌道交通的同類問題解決提供方向。

1 故障概述

深圳地鐵3號線0329列車在運用庫進行發(fā)車作業(yè)時，供電模式轉(zhuǎn)換完成后，司機合上輔助逆變器啟動開關(guān)、開啟照明后列車自動收車。重新激活列車，1車輔助逆變器(APS)啟動后，司機顯示單元(DDU)界面顯示1車蓄電池充電機電壓為100 V且底色為紅色，6車蓄電池充電機電壓為41 V，并報6車“APS蓄電池過溫(BTOT)”故障條目。列車起動后,1車蓄電池充電機電壓顯示為101 V，6車蓄電池充電機工作電壓顯示為106 V，兩端蓄電池充電機圖標都恢復(fù)藍色。

2 故障調(diào)查

經(jīng)過核對列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)故障數(shù)據(jù)記錄、安防錄像記錄、蓄電池“三充兩放”測量數(shù)據(jù)記錄以及現(xiàn)場檢查情況，綜合分析后確定導(dǎo)致03291、03296列車車輛蓄電池虧電的原因為03296列車車輛蓄電池溫度傳感器故障。排查過程詳細描述如下。

2.1 列車控制管理系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)

2.1.1 故障記錄儀(FDL)故障記錄

通過TCMS維護軟件下載FDL的相關(guān)故障記錄，見表1。

表1 FDL故障記錄表

2.1.2 事件記錄儀(EVR)數(shù)據(jù)記錄

0329列車在4月23日10：47至15：31兩端滑觸線持續(xù)供電，蓄電池接觸器QC1和QC2正常閉合，1車蓄電池溫度顯示為29 ℃，6車蓄電池溫度顯示為60 ℃，6車蓄電池充電器無電流輸出，1車蓄電池充電器工作正常。蓄電池充電器輸出如圖1所示。

注:BCOV——蓄電池輸出電壓；BCOC——蓄電池充電器輸出電流；QC——蓄電池接觸器

圖1 兩端APS工作情況下蓄電池充電器輸出

4月23日21：09至次日5：49，0329列車6車滑觸線送電，蓄電池接觸器QC1和QC2正常閉合，6車蓄電池溫度顯示為60 ℃，6車蓄電池充電器無電流輸出，1車由于無高壓輸入APS未工作，蓄電池充電器無輸出，1車蓄電池溫度顯示為29 ℃，持續(xù)時間為8 h 42 min。6車APS工作情況下蓄電池充電器輸出如圖2所示。

圖2 6車APS工作情況下蓄電池充電器輸出

4月24日5：51：08，轉(zhuǎn)換軌列車重新激活后，1車APS有高壓輸入后正常啟動，6車高壓母線斷路器(BHB)、高壓母線接觸器(BLB)未閉合，6車APS無高壓輸入未啟動，1車BCOV為100 V，6車BCOV為41 V。

2.2 安防錄像

下載CCTV(閉路電視監(jiān)控系統(tǒng))監(jiān)控視頻，視頻記錄4月23日21:08至4月24日5:51期間，列車一直處于激活狀態(tài)，4月24日5:18至5:51司機整備作業(yè)和牽引出庫作業(yè)正常。

2.3 列車維保

4月22日，維護人員進行了均衡修補修作業(yè)，對蓄電池進行了更換，安裝的蓄電池組“三充兩放”記錄正常。

3 故障分析

3.1 電氣原理圖分析

DC(直流電)110 V供電母線(線號1100)由蓄電池和蓄電池充電器共同供電。在兩端蓄電池充電器正常工作情況下，大多數(shù)時間輸出電壓高的一端蓄電池充電器主要為DC 110 V供電母線上所有用電設(shè)備供電，另一端蓄電池充電器維持本端蓄電池的涓流充電(充電電流約為0.2 A)。若DC 110 V母線瞬間出現(xiàn)大負載，兩端蓄電池優(yōu)先為DC 110 V母線上用電設(shè)備供電，然后兩端充電器再共同為DC 110 V母線上用電設(shè)備供電。

當只有一端蓄電池充電器正常工作時，工作的蓄電池充電器為DC 110 V母線上的用電設(shè)備供電。若母線上瞬間出現(xiàn)大負載，兩端蓄電池優(yōu)先為母線上用電設(shè)備供電，然后蓄電池充電器和蓄電池組再共同為母線上用電設(shè)備供電。充電器與蓄電池電氣連接及控制圖如圖3所示。

當兩端蓄電池充電器都未工作時，此時由兩端蓄電池共同為DC 110 V母線上用電設(shè)備供電，直到蓄電池組放電達到終止放電電壓87 V為止。

3.2 蓄電池充電分析

車載蓄電池充電器為蓄電池組充電的方式有快速充電和浮充電兩種?？焖俪潆婋妷悍秶鸀?.30～2.35 V，浮充電電壓范圍為 2.23～2.27 V，根據(jù)環(huán)境溫度變化，對快速充電和浮充電電壓進行相應(yīng)調(diào)整。額定充電電壓是對環(huán)境25 ℃而言，當環(huán)境溫度變化時，需按溫度系數(shù)進行補償，并調(diào)整充電電壓。由圖4可知，蓄電池快速充電電壓范圍為110.5～121.0 V，浮充電電壓范圍為108.5～118.0 V。

注：OBTS——斷蓄電池按鈕；CBTS——合蓄電池按鈕；SD——司控器鑰匙；BATT——蓄電池；KC1——低壓檢測繼電器；BATR——斷蓄電池的繼電器；VD——二極管；QF28——蓄電池保護斷路器；QF29——蓄電池控制回路保護斷路器

圖3 充電器與蓄電池電氣連接及控制圖

圖4 6車蓄電池溫度補償曲線

蓄電池充電器輸出電壓的調(diào)節(jié)受到蓄電池組溫度的影響，當蓄電池的溫度在-5～60 ℃時，蓄電池組的浮充溫度補償系數(shù)為 3 mV/℃；當溫度低于-5 ℃時，蓄電池的浮充電壓將不再隨溫度進行補償，蓄電池充電器輸出電壓保持在118.0～121.0 V 之間；當溫度達到 60 ℃時，蓄電池充電器輸出電壓降低到108.5 V，此時蓄電池組與蓄電池充電器無電勢差，蓄電池充電器和蓄電池之間無電流流過，同時啟動蓄電池充電器過溫保護，斷開蓄電池充電機輸出接觸器(BCK)。待溫度降低到55 ℃時再恢復(fù)工作。

3.3 綜合分析

4月23日21：08至4月24日5：51期間，0329列車在只有6車滑觸線供電情況下，由于該車蓄電池溫度傳感器故障，傳輸?shù)紸PS控制單元充電機控制板(BCU)的溫度值持續(xù)超過60 ℃，蓄電池充電器啟動過溫保護，斷開BCK，蓄電池充電器無電流輸出。此時列車DC 110 V用電設(shè)備供電全部由兩端蓄電池提供，供電8 h 42 min，導(dǎo)致蓄電池嚴重虧電，從而列車自動收車。司機在接觸軌將列車重新激活后，1車充電器由于蓄電池虧電初期輸出為100 V，輸出電壓不在101.0～119.0 V范圍內(nèi)，DDU屏蓄電池充電器圖標顯示紅色；當電壓恢復(fù)至101.0 V時，蓄電池充電器圖標顯示藍色。

4 改善措施

為避免上述類似故障的發(fā)生而影響運營，需從以下幾方面進行改善：

1)檢修改善?，F(xiàn)有雙日檢、均衡修、特別修規(guī)程有電作業(yè)中，均未涉及到對蓄電池溫度的檢查。故障發(fā)生后，已在所有均衡修規(guī)程有電作業(yè)中，增加兩端DDU屏輔助系統(tǒng)界面蓄電池溫度檢查。由于蓄電池的使用溫度為-15～60 ℃，但在5～30 ℃范圍內(nèi)蓄電池使用壽命會更長?？紤]到深圳夏季的氣溫較高，因此將蓄電池溫度的正常范圍設(shè)定為-5～45 ℃。

2)設(shè)計改善。蓄電池溫度傳感器故障后，BCU對蓄電池充電器的保護存在缺陷，蓄電池充電器雖無輸出電流，但仍有輸出電壓，檢修人員和司機無法判斷蓄電池充電器工作狀態(tài)，或者過壓充電造成蓄電池組損壞，蓄電池充電器非正常溫度范圍內(nèi)工作保護有待完善。TCMS數(shù)據(jù)中未添加BCK狀態(tài)條目，不利于檢修人員故障數(shù)據(jù)的分析和判斷，目前已在TCMS軟件中增加BCK狀態(tài)檢測條目。

5 結(jié)語

深圳地鐵采用上述改善措施后，列車運營兩年來再也沒有出現(xiàn)過由于BCK斷開導(dǎo)致的蓄電池虧電。經(jīng)過長期驗證后，上述解決措施已經(jīng)大大改善并提升了列車的可靠性。