西安地鐵架修車輛蓄電池典型問題分析及建議

劉濤 西安市軌道交通集團有限責任公司運營分公司

西安地鐵二號線每列車裝備2 個蓄電池箱，位于Tc 車下，用以裝載蓄電池組。蓄電池箱集機械強度高、密封性好、安裝便捷，由78 個固定式鎳鎘蓄電池單體組成，型號為FNC-160-MR，容量給160AH。架修時需要對蓄電池組進行一次全面的維護，其維護方式主要為進行充放電循環(huán)（通常為三充三放），放電采用I5（放電率時5 小時）衡流放電，充電方式為IU 充電特性曲線式充電，以恒流I5 充電7.5 小時以上，要求最后一次放電時間超過4.5h，單體電壓在1V以上的為合格，若是在第二次放電過程中出現(xiàn)饋電的單體則為故障單體，需更換單體，更換單體需在第三次放電前進行。

一、應用中遇到的典型故障

架修過程中普遍存在個別蓄電池單體在放電中饋電導致放電時間不足4.5 小時的情況，通常更換這些故障單體可使蓄電池組性能恢復，但在其中一列車蓄電池架修中通過上述方法不僅無法恢復性能，且在正線運行中出現(xiàn)了溫度過高的問題。進一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該蓄電池組9 位、17 位、26 位、33 位、57 位、59 位、64 位、68 位共8 個單體液面下降較為嚴重，該蓄電池組整體溫度較高，個別單體溫度達到42℃，較之1 車蓄電池組最高溫度高出20℃，當日對缺液單體添加蒸餾水。后續(xù)對故障蓄電池組進行充放電試驗，在蓄電池充放電過程中對每一塊單體的溫度、電壓進行了檢測，未發(fā)現(xiàn)任何一塊單體出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，但在放電過程中發(fā)現(xiàn)該蓄電組10 位、31 位、37 位、45 位、49 位共5 個單體存在比較嚴重的饋電問題，與之前發(fā)現(xiàn)缺液故障單體位置不一致。當日放電完成后，對出現(xiàn)饋電的5 個單體進行更換重新上車使用后，狀態(tài)一直良好，徹底解決了單體液面下降較為嚴重的問題。

二、問題原因排查

蓄電池組下車后，觀察故障蓄電池組外觀，測量蓄電池組絕緣電阻，未發(fā)現(xiàn)異常，排除蓄電池漏液的可能。造成蓄電池單體液面下降過快，是由于以下兩個原因造成：（1）蓄電池組工作時溫度過高造成水蒸發(fā)過快；（2）在蓄電池浮充階段，個別單體電解水能力過強，水消耗過快。基于以上兩種原因，提出4 種可能原因，并針對這4 種可能原因進行逐一排查。

（一）逆變器供電電壓異常

蓄電池組在電客車運行中長時間工作在浮充狀態(tài)，過高的浮充電壓必定會增大蓄電池組的充電功率，進而導致蓄電池組發(fā)熱量的增大。但在更換了蓄電池組后的跟蹤測量中，并未再出現(xiàn)蓄電池組溫度過高的情況，排除該列車浮充電壓問題。

（二）極板及電纜產(chǎn)生銅綠

連接極片及電纜多為銅芯材質(zhì)，銅在空氣中氧化遇水結合生成銅綠，銅綠不導電，反而會增加連接部分的內(nèi)阻，加劇蓄電池的電量消耗和自放電程度，嚴重時會引起過度發(fā)熱，導致蓄電池組過熱。通過逐一排查接線端子，未發(fā)現(xiàn)銅綠，可以排除此項原因。

（三）蓄電池電解液密度異常

蓄電池單體的密度會影響蓄電池單體內(nèi)阻，內(nèi)阻的差異會造成蓄電池在浮充階段分配的電壓不同，從而造成功率的差異，內(nèi)阻較大的單體消耗功率較高，發(fā)熱較多。蓄電池架修作業(yè)時，為保證電解液密度相對一致，在恢復蓄電池液位到最大刻度線靜置72 小時后，對蓄電池電解液的密度進行測量，保證每個單體密度在1.18-1.20kg/L 之間，可以排除此項原因。

（四）個別單體性能異常

性能落后的單體由于所能達到的最大電壓低于平均值，就使得正常的單體被分配到更大的電壓，蓄電池單體電壓的升高會使得其內(nèi)部電解水反應加劇，電解水反應放出的熱量高于電極反應放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升。對單體來說性能越好，浮充階段所能達到的最大電壓越高，其被分配到的電壓也越大，使這些單體電解水的能力高于其他單體，造成的液面下降也越多。該原因符合本次觀察到的故障現(xiàn)象，初步判定為該車個別蓄電池單體液面下降過快是由于各別單體性能異常造成。

三、問題原因進一步分析

當蓄電池組經(jīng)過長時間運行后，由于其內(nèi)部產(chǎn)生的電極極化現(xiàn)象，個別單體會出現(xiàn)性能落后的情況，性能落后的蓄電池單體其可反應的活性物質(zhì)的總量與表面積均有所下降，所以其容量及所能達到的最大電壓均有所下降。在長期浮充狀態(tài)運行時，由于SIV給出的總的浮充電壓是一定的，而故障單體由于其所能達到的最大電壓低于正常單體，使得正常單體分得的電壓升高，故障蓄電池組單體電壓分布如圖1 所示。

●：單體電壓＜1.4V

●：1.4V ＜單體電壓＜1.5V

●：1.5V ＜單體電壓＜1.6V

●：1.6V ＜單體電壓＜1.7V

●：1.7V ＜單體電壓

蓄電池單體浮充過程中分為三個階段：第一階段電極活化階段，電勢穩(wěn)步上升；第二階段電極間電壓穩(wěn)定在1.4V 左右，穩(wěn)定的充電開始；第三階段電極反應基本結束，電勢繼續(xù)上升，電解水反應開始，最終穩(wěn)定在1.7V 左右。而故障蓄電池單體在浮充第三階段時，其電壓范圍遠遠超出正常的蓄電池單體。如圖2 所示當鎳鎘蓄電池單體電壓在達到1.45V 時發(fā)生析氧反應，電解水反應部分發(fā)生，產(chǎn)生熱量，此時析出的氧氣可被傳輸?shù)芥k電極上被還原為水，但是到1.51V時發(fā)生析氫反應，電壓的升高會使得其內(nèi)部電解水反應加劇，電解水反應放出的熱量高于電極反應放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升。對單體來說單體性能越好，浮充階段所能達到的最大電壓越高，其被分配到的電壓也越大，使這些單體電解水的能力高于其他單體，造成的液面下降也越多的主要內(nèi)因。

圖1 故障蓄電池組單體電壓分布情況圖

圖2 蓄電池浮充每個階段的電壓變化曲線

四、維護建議

對該類問題，目前架修過程中現(xiàn)有的處理方法有很大的局限性，通過放電實驗不斷找出故障單體進行更換。每更換一次故障蓄電池單體，該組蓄電池的放電時間就會延長一段時間，而放電時間每延長一段，又會有新的饋電的單體浮現(xiàn)出來，通過這種方法，可以逐漸恢復蓄電池組的性能，但需要耗費大量的時間，結合現(xiàn)狀，提出了以下的維護建議：

（1）車載逆變器充電，一般為快速充電法時，充電電流較大。充足電后，如果不及時停止快速充電，電池的溫度和內(nèi)部壓力將迅速上升。內(nèi)部壓力過大時，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的粘稠性增大。從鎳鎘電池快速充電特性可以看出，充足電后，電池電壓開始下降，電池的溫度和內(nèi)部壓力迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，車載逆變器充電可以采用定時控制、電壓控制和溫度控制等多種方法綜合來改善充電效果。

（2）新的鎳鎘電池，新生狀態(tài)的極板氫氧化鎘晶體，截面直徑1μm，在電解液中暴露的表面積大。隨著電池的長期使用，在極板上慢慢生成晶狀體，晶體截面直徑長達50～100μm，使電解液中大部分活性物質(zhì)消失，而且邊緣可刺穿隔膜，導致自放電增大或電氣短路。建議使用蓄電池活化儀定期對蓄電池組進行維護，其運用復合脈沖電壓“沖擊”活性物質(zhì)晶粒，干擾其存在和生長，把蓄電池鈍化的“不可逆”變成“可逆”，正確選取或變換脈沖頻率，以較小的電流密度對正極板充電，使晶粒活躍起來，從而得到分解，可以有效地解決極板鈍化問題。修復后的電池，晶體顆粒變小至3～5μm，電池性能基本能夠得到恢復。

五、結束語

結合西安地鐵二號線電客車在架修過程中遇到的蓄電池組問題，分析研究得出，蓄電池溫度升高并不是由蓄電池電解液液面較低造成的，相反蓄電池液面降低很大程度上是由溫度升高導致的蒸發(fā)加劇造成，性能落后的蓄電池單體在長期浮充狀態(tài)下自身并不會過度發(fā)熱，相反性能正常的單體被分配到的電壓加大，使正常單體電解水的能力加大，由于電解水反應放出的熱量高于電極反應放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升?？偨Y運營中蓄電池組問題，反復推敲驗證，提出了合理的維護意見，希望能夠在后期運營中加以應用，不斷提供蓄電池組的使用壽命及可靠性。