城軌車(chē)輛蓄電池供電及常見(jiàn)故障分析

羅魁

摘要：本文對(duì)目前城軌車(chē)輛普遍使用的各種蓄電池進(jìn)行了性能分析與比較;對(duì)一些比較常見(jiàn)的故障進(jìn)行了歸類(lèi)分析，并給出了相應(yīng)解決方案。

關(guān)鍵詞：城軌車(chē)輛;鎘鎳電池;鉛蓄電池;鋰電池

1 概述

蓄電池在城軌車(chē)輛中作為應(yīng)急直流電源系統(tǒng)，在列車(chē)無(wú)網(wǎng)壓時(shí)，為車(chē)輛緊急負(fù)載進(jìn)行供電。蓄電池充滿(mǎn)電的狀態(tài)下，一般要求能為緊急負(fù)載供電45分鐘以上，供電45分鐘后，蓄電池的電量足以使列車(chē)再次激活。目前城軌車(chē)輛常用的蓄電池種類(lèi)包括鉛蓄電池、鎘鎳電池，未來(lái)發(fā)展前景比較大的有鋰電池。

2 常見(jiàn)蓄電池的種類(lèi)及選型

2.1 鉛蓄電池

2.1.1 鉛蓄電池的工作原理

鉛蓄電池內(nèi)的陽(yáng)極為二氧化鉛（PbO2），陰極為鉛金屬（Pb），浸到電解液稀硫酸（H2SO4）中，兩極間會(huì)產(chǎn)生2V的電壓，當(dāng)形成回路后就會(huì)形成電流，并作為一個(gè)可逆反應(yīng)可以進(jìn)行充放電。

放電反應(yīng)：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

充電反應(yīng)：PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb

2.1.2 鉛蓄電池的輸出特性

下面以昆明項(xiàng)目為例，對(duì)鉛蓄電池的主要特性進(jìn)行分析，昆明項(xiàng)目選用的是DTM型密封鉛酸蓄電池，每列車(chē)2組蓄電池組（每組含53個(gè)單體），容量為160Ah。

（1）蓄電池端電壓與放電電流及放電時(shí)間關(guān)系曲線（C5=160A）：

由圖可知，鉛蓄電池短時(shí)間內(nèi)能夠維持比較穩(wěn)定的輸出，隨著放電時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)容量減小到一定的量時(shí)，蓄電池輸出端電壓會(huì)突變式的降低。并且隨著放電電流的增大，蓄電池輸出端電壓及放電持續(xù)時(shí)間都隨之減小。

（2）蓄電池充電特性：

上圖所示為蓄電池放電深度分別為50%和100%時(shí)，用限流為0.2C5，恒壓2.27V對(duì)單體進(jìn)行充電的特性曲線。充電初始階段，充電電流和單體電壓都是線性增長(zhǎng)，當(dāng)容量達(dá)到一定程度后，單體電壓趨近于充電電壓，而充電電流趨近于零，充電量趨近100%。

2.2 鎘鎳電池

鎘鎳電池是指采用金屬鎘作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。正、負(fù)極材料分別填充在穿孔的附鎳鋼帶（或鎳帶）中，經(jīng)拉漿、滾壓、燒結(jié)、化成或涂膏、烘干、壓片等方法制成極板;用聚酰胺非織布等材料作隔離層;用氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)溶液;電極經(jīng)卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。

2.2.1 鎘鎳電池的工作原理

鎘鎳電池單體標(biāo)稱(chēng)電壓為1.2V，有圓柱密封式（KR）、扣式（KB）、方形密封式（KC）等多種類(lèi)型。具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長(zhǎng)、能以較大電流放電等特點(diǎn)，但存在“記憶”效應(yīng)，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。

鎘鎳電池的電池表達(dá)式為：（）Cd︱KOH︱NiOOH（+）

電池反應(yīng)為：

放電時(shí)：Cd+NiO+2H2O→Ni（OH）2+Cd（OH）2

充電時(shí)：Ni（OH）2+Cd（OH）2→Cd+NiOOH+H2O

2.2.2 鎘鎳電池的輸出特性

以深圳一號(hào)線為例，每組由80個(gè)單體額定電壓為1.2V的鎘鎳蓄電池單體組成，每組容量為140AH，共兩組。為獲得車(chē)輛蓄電池的輸出特性，同時(shí)對(duì)容量值進(jìn)行驗(yàn)證，通常試驗(yàn)中以恒定的電流進(jìn)行充電，電流值取0.2C5，也就是28A進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）以28A的恒定電流充電獲得的蓄電池電壓曲線：

由上圖可知，隨著充電的進(jìn)行，在一定時(shí)間內(nèi)，蓄電池電壓隨時(shí)間穩(wěn)步上升。當(dāng)電壓值上升到120V左右時(shí)出現(xiàn)急劇上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)約145V的峰值時(shí)，會(huì)平穩(wěn)下降直至試驗(yàn)結(jié)束。出現(xiàn)急劇電壓急劇上升的現(xiàn)象，是因?yàn)殡妷褐颠_(dá)到120V左右時(shí)，電解液中正極開(kāi)始產(chǎn)生氣泡（氧氣），這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，所以電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開(kāi)始較快上升，這是接近充足電的信號(hào)。電解液產(chǎn)生的氧氣能很快在負(fù)極板表面的電解液中復(fù)合，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)。隨著充電繼續(xù)進(jìn)行，電池過(guò)充電不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高，溫度的急劇升高會(huì)導(dǎo)致電壓值的下降，從而出現(xiàn)峰值。

（2）以28A的恒定電流放電獲得的蓄電池電壓曲線：

由上圖可知，將蓄電池以28A恒定電流進(jìn)行5h的放電時(shí)，蓄電池電壓平穩(wěn)下降，并且5h后蓄電池電壓依然有88V。也就是說(shuō)，單組蓄電池釋放140Ah的容量時(shí)，其單體的電壓依然高于1V，滿(mǎn)足車(chē)輛性能要求。

2.3 鋰電池

鋰電池是目前世界上廣泛應(yīng)用的最新一代的充電電池，其負(fù)極材料是碳材料，正極是含鋰的過(guò)渡金屬化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等，電解質(zhì)是鋰鹽的有機(jī)溶液或化合物的二次電池。

鋰電池的工作原理。鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子），電池殼等。以典型的液態(tài)鈷酸鋰離子為例，負(fù)極材料為石墨，正極材料為L(zhǎng)iCoO2，其充放電原理為：

·正極反應(yīng)：LiCoO2→Li1xCoO2+xLi++xe

·負(fù)極反應(yīng)：6C+xLi++xe→LixC6

·電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C→Li1xCoO2+LixC6

3 蓄電池的常見(jiàn)故障與排查

3.1 鼓包以及漏液

廣州售后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)回庫(kù)車(chē)輛檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)四個(gè)蓄電池箱發(fā)熱嚴(yán)重，高達(dá)47.8度。次日再次檢查時(shí)，四個(gè)蓄電池箱體內(nèi)的單體全部出現(xiàn)鼓包，并有漏液現(xiàn)象。

3.1.1 原因分析

蓄電池出現(xiàn)鼓包并因此而導(dǎo)致的漏液現(xiàn)象往往是由于過(guò)充而引起的。

（1）蓄電池內(nèi)部原因分析：

蓄電池為了實(shí)現(xiàn)密封需要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部氣體循環(huán)，設(shè)計(jì)正、負(fù)極板活物質(zhì)在充電過(guò)程中的異步復(fù)原反應(yīng)，即當(dāng)正極板活物質(zhì)完全充電恢復(fù)后，負(fù)極板活物質(zhì)還未完全轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀鉛。這樣，充電末期當(dāng)正極開(kāi)始產(chǎn)生氧氣時(shí)，負(fù)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(chǎn)生，同時(shí)又能消耗所產(chǎn)生氧氣。

反應(yīng)式：

正極：4OHˉ4e→O2+2H2O

負(fù)極：2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

2PbSO4+4H++4eˉ→2Pb+2H2SO4O2+H2O+4e→4OHˉ

由反應(yīng)式可知，在氧氣循環(huán)的過(guò)程中，蓄電池容量不會(huì)發(fā)生變化，電能全部轉(zhuǎn)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(huì)發(fā)熱。

當(dāng)蓄電池長(zhǎng)期工作在這種狀態(tài)時(shí)，蓄電池產(chǎn)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?zé)嶙冃螘r(shí)，由于內(nèi)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(wèn)題，從而使蓄電池急性失效。

（2）充電機(jī)充電方案分析：

充電機(jī)最大輸出電壓限定值為137.5V，充電機(jī)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(guò)程如下：先按照90A充電10分鐘，如果10分鐘內(nèi)電壓上升到快充曲線，則會(huì)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(jìn)入浮充模式，對(duì)于40℃以上，按照40℃來(lái)處理，先限流90A，10分鐘后，轉(zhuǎn)浮充。

充電機(jī)過(guò)充原因：（1）PT100測(cè)溫探頭靈敏度不夠，延遲5分鐘，隨溫度升高未能及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償從而導(dǎo)致過(guò)充;（2）10分鐘90A的大電流充電導(dǎo)致過(guò)充的風(fēng)險(xiǎn)較大，特別是在蓄電池本身溫度偶然出現(xiàn)較高的情況時(shí)。

3.1.2 解決措施

車(chē)輛充電機(jī)具有過(guò)壓保護(hù)功能，最高設(shè)定電壓值為DC137.5V，也就是使單體充電電壓超過(guò)1.7V。鑒于充電機(jī)的保護(hù)可靠性，并且充電機(jī)存在一定故障率，所以給出如下解決方案：在充電機(jī)給蓄電池的充電回路上增加一個(gè)整定值為130V的自恢復(fù)過(guò)壓保護(hù)繼電器，從而防止蓄電池的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)故障時(shí)的雙重保護(hù)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

3.2 嚴(yán)重饋電

8月20日調(diào)試車(chē)間，WXL1T9TC1車(chē)蓄電池電壓饋電到約25V，而調(diào)試車(chē)間配置的外接110V大型程控充放電機(jī)最低充電電壓為50V，無(wú)法滿(mǎn)足充電要求。對(duì)該蓄電池的單體電池模塊進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)單體模塊電壓不均衡，部分單體電壓幾乎為0，部分高于1V（正常單體電壓為1.2V左右），單體電壓的嚴(yán)重不均衡導(dǎo)致充不進(jìn)電。

3.2.1 原因分析

蓄電池之所以出現(xiàn)如此嚴(yán)重的饋電是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的靜置蓄電池自放電所致：

自放電反應(yīng)

正極：Cd2e+2OHˉ→Cd（OH）2

2H2O+2e→H2+2OHˉ

2Cd+O2+H2O→2Cd（OH）2

負(fù)極：NiO2+H2Oe→NiOOH+OH

H2+NiOOH+OHˉ→H2O+Ni（OH）2+e

2OHˉ+2e→2H2O+O2

鎘鎳蓄電池本身的自放電較小，但考慮到每個(gè)單體蓄電池的性能以及電解液的純度所致，出現(xiàn)了一些單體嚴(yán)重饋電的現(xiàn)象。單體電池進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，要求各單體電池的容量和內(nèi)阻等應(yīng)盡量接近，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)單體蓄電池饋電到接近于零時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充電在此中斷現(xiàn)象，因此只能對(duì)單體蓄電池逐一充電，待所有單體模塊充電電壓達(dá)到接近1.2V，再外接大型的充放電機(jī)進(jìn)行正常充電。

3.2.2 解決方案

采用小型110V充電機(jī)對(duì)單體蓄電池進(jìn)行限流充電。

蓄電池標(biāo)注單體容量為140Ah，充電電流為容量的20%，即140*20%=28A，充電電流只要低于28A就不會(huì)造成充電過(guò)流。當(dāng)串接電阻后，確認(rèn)充電電流低于28A即可對(duì)單體進(jìn)行充電。按以上方法逐一對(duì)饋電的單體模塊進(jìn)行充電，待所有單體模塊達(dá)到正常單體電壓時(shí)，改用外接大型充電機(jī)對(duì)整個(gè)蓄電池組進(jìn)行正常充電。

3.3 短路

短路是蓄電池使用過(guò)程中重點(diǎn)防范的問(wèn)題，車(chē)輛電路中自帶熔斷器和MCB開(kāi)關(guān)防止短路造成的過(guò)流現(xiàn)象。即使具有保護(hù)裝置，有時(shí)因保護(hù)裝置的靈敏性以及人為的過(guò)失，故障偶有發(fā)生，短路會(huì)瞬間產(chǎn)生很大的電流，具有很強(qiáng)的破壞性，2012年伊茲密爾項(xiàng)目蓄電池發(fā)生短路起火事故。

3.4 解決措施

針對(duì)于避免蓄電池的短路故障，在保證保護(hù)裝置功能正常的同時(shí)，作業(yè)人員須按照安全要求作業(yè)。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的短路事故，需對(duì)蓄電池進(jìn)行絕緣性試驗(yàn)，破壞比較嚴(yán)重的蓄電池進(jìn)行及時(shí)更換。

通過(guò)測(cè)量出漏電等效電阻可以判斷其絕緣性能，一般要求蓄電池的對(duì)地電阻大于1MΩ，對(duì)于絕緣性能達(dá)不到要求的應(yīng)進(jìn)行拆卸更換。

4 總結(jié)

本文通過(guò)著重對(duì)鉛蓄電池、鎘鎳電池和鋰電池的工作原理和特性進(jìn)行了分析比較，為蓄電池的故障分析工作奠定了基礎(chǔ)。歸納了蓄電池供電模塊常見(jiàn)的故障，對(duì)各種故障從原理上進(jìn)行了分析并提出了解決方案，具備一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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