城軌車輛蓄電池供電及常見故障分析

（江蘇省徐州技師學院 江蘇 徐州 221000）

引言

對城軌車輛常用的鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池兩種蓄電池進行性能對比和論證選型，確定了蓄電池類型。對城軌車輛所有的緊急負載功率進行統(tǒng)計，計算出蓄電池需要提供的總容量，通過已經確定的單體電池參數(shù)，對蓄電池單體數(shù)量、電壓和容量進行計算，進而確定蓄電池組的標稱放電電流、推薦充電電流和短路電流參數(shù)。通過模擬運行試驗，得到了充電電壓與溫度曲線，驗證了參數(shù)選型的正確性。

1.蓄電池潰電問題概述

在城軌車輛日常檢修維護過程中，經常發(fā)生因蓄電池潰電而導致車輛斷電甚至無法激活啟動的問題。該問題大致可分為兩類：①車輛處于激活狀態(tài)但無網壓，車輛常規(guī)負載持續(xù)耗電導致蓄電池潰電，該類潰電處于輕度潰電，即蓄電池電壓低于欠壓保護值，蓄電池與車輛負載的連接則會自動斷開。②車輛處于斷激活狀態(tài)下，蓄電池回路存在的非常規(guī)負載（如永久負載，充電機負載）使得蓄電池持續(xù)放電，該情況下因蓄電池無任何保護，往往能導致蓄電池深度潰電，影響蓄電池壽命。本文主要針對AMGLRV項目車輛斷激活狀態(tài)下，蓄電池潰電問題進行分析并探討其解決方法。

2.蓄電池選型原則

滿足城軌車輛緊急情況下直流負載的總功率要求（緊急情況下地鐵車輛在運行過程中最大的110V直流負載完全由蓄電池供電，一般要求供電維持時間大于45min）；依據(jù)當?shù)貧夂驐l件及使用條件確定蓄電池種類；充分考慮所選蓄電池的溫度補償系數(shù)、老化效率、充電效率及使用壽命等性能參數(shù)；充分考慮蓄電池對車輛運用環(huán)境的適應性，考慮蓄電池的可維護性、環(huán)境保護、人身安全防護性能，考慮蓄電池是否滿足地鐵車輛對體積和質量的要求；根據(jù)以上內容及蓄電池容量冗余設計確定電池型號和電池容量。

3.蓄電池的常見故障與排查

3.1 鼓包以及漏液?，F(xiàn)場對回庫車輛檢查時發(fā)現(xiàn)四個蓄電池箱發(fā)熱嚴重，高達47.8度。次日再次檢查時，四個蓄電池箱體內的單體全部出現(xiàn)鼓包，并有漏液現(xiàn)象。蓄電池出現(xiàn)鼓包并因此而導致的漏液現(xiàn)象往往是由于過充而引起的。蓄電池為了實現(xiàn)密封需要實現(xiàn)內部氣體循環(huán)，設計正、負極板活物質在充電過程中的異步復原反應，即當正極板活物質完全充電恢復后，負極板活物質還未完全轉變?yōu)楹＞d狀鉛。這樣，充電末期當正極開始產生氧氣時，負極板還未變成完全充電狀態(tài)，可以最大限度抑制氫氣的產生，同時又能消耗所產生氧氣。在氧氣循環(huán)的過程中，蓄電池容量不會發(fā)生變化，電能全部轉化為熱能釋放。所以，氧循環(huán)的好處是減少了水損失，壞處是蓄電池會發(fā)熱。當蓄電池長期工作在這種狀態(tài)時，蓄電池產生熱量并不斷積累，直到蓄電池外殼發(fā)生熱軟化變形。而蓄電池熱變形時，由于內部氣壓高，所以蓄電池出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，出現(xiàn)漏酸和漏氣問題，從而使蓄電池急性失效。

3.2 短路。短路是蓄電池使用過程中重點防范的問題，車輛電路中自帶熔斷器和MCB開關防止短路造成的過流現(xiàn)象。即使具有保護裝置，有時因保護裝置的靈敏性以及人為的過失，故障偶有發(fā)生，短路會瞬間產生很大的電流，具有很強的破壞性，2012年伊茲密爾項目蓄電池發(fā)生短路起火事故。

4.蓄電池的常見故障排查

4.1 蓄電池饋電解決方案。由于蓄電池潰電甚至嚴重過放，給車輛正常使用帶來極大不便，同時影響蓄電池性能并縮短其使用壽命。因此在設計及日常維護中避免蓄電池頻繁出現(xiàn)饋電情況非常重要。建議在新項目車輛設計時，重點分析蓄電池回路設計，減小車輛斷激活后蓄電池回路存在的非常規(guī)負載。另外，在日常使用過程中，建議通過段永久負載微型斷路器來減小蓄電池的放電速度。若車輛需要長期停放時，則需斷開蓄電池保險來避免蓄電池深度放電。

4.2 蓄電池選型結論和建議。通過比較與分析，鎘鎳堿性蓄電池具有以下主要優(yōu)點，建議選用。（1）充放電特性平穩(wěn)。鎘鎳堿性蓄電池的額定電壓為1.2V。充放電特性平穩(wěn)，僅在充放電開始和結束時電壓變化較大，充電一般平穩(wěn)上升至1.4～1.5V。放電終止電壓一般規(guī)定為1.0V。平均工作電壓1.2～1.25V。最高浮充電壓可達1.75V。該電池也適用于高倍率放電特性要求的場合，放電深度可達100%。（2）自放電小。自放電大小與溫度有關。例如在+20℃經720h容量損失15%，而在+40℃同樣情況下?lián)p失23.4%。（3）低溫性能好。低溫時放電容量大，例如在-20℃時5h放電容量75%，-40℃時以0.1C10A可放額定容量的45%以上。使用環(huán)境溫度-50～55℃。（4）耐過充放能力強。兩種蓄電池性能比較鎘鎳堿性蓄電池1.2V/節(jié)恒流恒壓均可最高1C5A8～12h可達100%較高，可達12C5A1.42～1.49V/節(jié)-40℃時以0.1C10A可放額定容量的45%以上-50～55℃無熱失控效應強無相對較低高相對體積較大、質量略輕鉛酸蓄電池2V/節(jié)恒流限壓最高0.3C10A一般20h以上一般80%左右較低，最高3C10A2.25V/節(jié)左右-40℃時以0.1C10A可放額定容量的35%-40～40℃充電時內部氧復合產生熱量，易做成熱失控一般電解液對極柱和板柵有腐蝕性相對較高較高相對體積較小、質量略重比較項目標稱電壓充電方式快充能力初充電時間放電深度許可放電倍率浮充電壓溫度影響適用環(huán)境溫度充電熱失控機械強度腐蝕性比能量可靠性整體體積和質量到電壓為0也能恢復至正常使用。（5）壽命長。循環(huán)壽命可達3000～4000周。若在電解液中加入氫氧化鋰，壽命可更長。同時，其機械強度高，易制成密封電池。

4.3 充電機充電方案分析。充電機最大輸出電壓限定值為137.5V，充電機在正常情況下，按照先恒流后恒壓，然后再浮充降壓充電方式，具體過程如下：先按照90A充電10分鐘，如果10分鐘內電壓上升到快充曲線，則會按照快充曲線充電，10分鐘后，如果電流高于36A，則限流36A充電，如果低于36A，則直接進入浮充模式，對于40℃以上，按照40℃來處理，先限流90A，10分鐘后，轉浮充。充電機過充原因：（1）PT100測溫探頭靈敏度不夠，延遲5分鐘，隨溫度升高未能及時進行補償從而導致過充；（2）10分鐘90A的大電流充電導致過充的風險較大，特別是在蓄電池本身溫度偶然出現(xiàn)較高的情況時。

結語

鎘鎳電池和鋰電池的工作原理和特性進行了分析比較，為蓄電池的故障分析工作奠定了基礎。歸納了蓄電池供電模塊常見的故障，對各種故障從原理上進行了分析并提出了解決方案，具備一定的借鑒意義。