電力機(jī)車蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

鐘永飛

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司，河北 高碑店 074000）

1 電力機(jī)車虧電問題簡介

神朔鐵路進(jìn)行接觸網(wǎng)檢修時必須停電，機(jī)車在線路上必須隨機(jī)降弓等待約4～5 h。部分韶山4 改型機(jī)車由于蓄電池可供電時間、可供電容量不足，不能滿足現(xiàn)場需要，出現(xiàn)蓄電池電壓過低，不能正常升弓[1]，導(dǎo)致機(jī)車出現(xiàn)堵塞區(qū)間機(jī)破或救援，嚴(yán)重打亂了鐵路的正常運(yùn)輸秩序，造成運(yùn)輸任務(wù)不能順暢進(jìn)行。

2 機(jī)車蓄電池虧電問題原因分析

2.1 機(jī)車蓄電池簡介

機(jī)車的蓄電池是一種閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池，單節(jié)蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為2 V，額定容量170 Ah；每節(jié)機(jī)車由48 節(jié)蓄電池串聯(lián)，電壓達(dá)到96 V，給控制電路供電[2]。

2.1.1 鉛酸蓄電池工作原理簡介

免維護(hù)鉛酸蓄電池充電過程是利用充電電源讓內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能以化學(xué)能形式儲存，放電過程是把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。蓄電池使用AGM 隔板，在蓄電池正負(fù)極之間留有氣體通道，讓正極產(chǎn)生的氧氣沿著氣體通道傳遞至負(fù)極復(fù)合成水，實現(xiàn)無酸霧逸出，無需注水維護(hù)的效果[2]，以下是蓄電池充放電化學(xué)反應(yīng)：

2.1.2 蓄電池充電原理

機(jī)車受電弓從接觸網(wǎng)取流后，電源變壓器670TC降壓到220 V 后送入半控橋，再通過晶閘管VT1、VT2和二極管VD1、VD2 半控橋式整流及671L、663C 濾波后，成為直流電源[3]。通常情況下，110 V 整流電源與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，向機(jī)車控制電路提供110 V 電源，同時蓄電池一直處于均充狀態(tài)，沒有轉(zhuǎn)浮充充電的設(shè)計，不是很科學(xué)，長期使用容易造成蓄電池性能的下降或損壞。

2.2 機(jī)車虧電問題原因分析

2.2.1 外部因素

1）蓄電池負(fù)載電流過大。隨著機(jī)車功能的不斷擴(kuò)展，先后加裝了萬噸無線重連、視頻監(jiān)控、軸溫在線檢測等設(shè)備，蓄電池載荷不斷增大，經(jīng)實際測量放電電流達(dá)到11～12 A，理論上放電時間應(yīng)達(dá)10 h 以上。完全可以滿足機(jī)車降弓等待約4～5 h 的需要，故此并不是主要原因。

2）蓄電池工作環(huán)境惡劣。蓄電池容量會受溫度的影響，圖1 為蓄電池放電容量與溫度的關(guān)系曲線，過低溫度（低于-15 ℃）會降低電池有效容量[2]，過高溫度（高于50 ℃）則會導(dǎo)致熱失控并損害電池。但機(jī)車出現(xiàn)虧電問題，并不是完全在極端的氣候條件時集中出現(xiàn)，故惡劣的氣候環(huán)境只是蓄電池虧電的部分原因，并不是全部原因。

2.2.2 內(nèi)在因素

在出現(xiàn)故障后，我們逐個對單體蓄電池進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電壓不一致問題。結(jié)合理論及維護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析：

1）理論分析。蓄電池在出廠時雖有容量匹配篩選，但容量的差異性是不可避免的。電池在串聯(lián)工作狀態(tài)下，由于單體存在容量差異，在充電過程中產(chǎn)生相應(yīng)的電壓差異，導(dǎo)致部分蓄電池處于過充或欠充狀態(tài)[1-2]，過充的蓄電池加速老化，欠充的蓄電池的儲能不足，直接縮短了放電時間。而在放電過程中，容量低的蓄電池電壓下降較快，當(dāng)容量低的蓄電池電量全部放出，降低至放電終止電壓1.8 V 時，整組電池的電壓依舊遠(yuǎn)未降低至86.4 V（1.8 V×48=86.4 V），此時放電仍然繼續(xù)，容量低的蓄電池將處于過放的狀態(tài)，直至電壓低于0，此蓄電池就有極大的概率失去再充電能力，從而完全失效。整組蓄電池的電壓也會而大幅跌落，降低至86.4 V 終止供電，而此時容量高的蓄電池仍有部分電量沒有被利用、釋放。如此重復(fù)的充放電過程中，單體蓄電池的容量差異也將逐漸增大，整組蓄電池的整體容量將逐漸減小，整體壽命也將大大縮短。

2）維護(hù)現(xiàn)狀。在機(jī)車使用蓄電池組為機(jī)車控制電路供電時，往往未達(dá)到設(shè)計要求時間，蓄電池便出現(xiàn)虧電情況。在實際的運(yùn)用中，出于成本的考慮，當(dāng)整組蓄電池中有某一節(jié)電池出現(xiàn)問題時，處理方式是更換問題蓄電池[1]，其余蓄電池繼續(xù)使用。這種做法直接造成整組蓄電池中單體容量存在差距，虧電隱患將持續(xù)存在。

由此，可以基本確定蓄電池組內(nèi)的單體蓄電池的容量差異，隨著蓄電池的使用時間而不斷增大，是導(dǎo)致蓄電池整體虧電的主要原因。

3 蓄電池容量差異的解決方法

我們利用電力電子技術(shù)，將部分能量從整組電池抽出，補(bǔ)充到容量偏低的電池上，補(bǔ)償能力強(qiáng)，將成組電池壽命提升到接近單體電池壽命水平。

電路按充電或放電電流的大小，按一定比例（一般低于20%）控制開關(guān)電源的總體輸出功率，經(jīng)高頻變壓器后分為N 個隔離的補(bǔ)充電源，經(jīng)整流后分別給各單體電池提供補(bǔ)充電流，這些電源的輸出阻抗在設(shè)計時基本保持一致，充電情況下在各單體電池電壓相等時，它們從各供電電源所獲取的電流是基本一致的。而當(dāng)電池電壓本身差異產(chǎn)生時，電壓高的電池將會獲得較少甚至得不到補(bǔ)充的充電電流，而電壓較低的電池會從變壓器獲取更大的電流，從而使各電池充電電壓得到均衡。放電時，各補(bǔ)充電源在電池電壓一致時是均勻為每個單體電池補(bǔ)充的，在某些容量偏低的電池電壓下降較快時，其補(bǔ)充電源同理會自動提供更大的補(bǔ)充電流，相反容量偏高的電池將減少得到的補(bǔ)充電流。極限情況下，某單體電池完全損壞時，其補(bǔ)充電源會將足夠能量補(bǔ)充到這一節(jié)電池，取代本節(jié)電池本身，保證整組電池在正常端電壓情況下釋放出所有的容量（電路框圖如圖2 所示）。

上述電路在均衡充電時提供最大10 A 均衡電流；放電時，在12.5%的單體電池完全失效時，仍可保障未失效電池的容量正常輸出供電。

4 驗證試驗

模擬機(jī)車實際工況，選取48 節(jié)蓄電池（48 節(jié)蓄電池中12 節(jié)電池容量低于80%，其余36 節(jié)為新電池）。采用電阻器作為放電負(fù)載，電阻器阻值為9.3 Ω，計算得到放電電流為：96÷9.3≈10 A。

4.1 試驗過程

第1 次將蓄電池組充滿電量，在蓄電池管理系統(tǒng)裝置不工作的情況下，直接使用蓄電池作為電源，電阻器作為負(fù)載，進(jìn)行放電試驗，同時監(jiān)測蓄電池組的總電壓，當(dāng)蓄電池組總電壓低于86.4 V 時，停止放電，記錄放電時間。第2 次將蓄電池組充滿電量，蓄電池管理系統(tǒng)裝置開啟工作，使用同樣的放電條件，進(jìn)行放電試驗，直至總電壓達(dá)到86.4 V 時，記錄放電時間。比較兩次放電時間，即可驗證系統(tǒng)裝置的功能，如圖3 所示。

4.2 試驗記錄

4.2.1 第一次試驗

進(jìn)行48 節(jié)電池充電，充電采用DC110 V 直流電源充電，電壓穩(wěn)定在110 V，電流10 A。

08：30，切斷充電電源，電壓即下降至109.6 V。

08：30，開始放電，放電負(fù)載為9.3 Ω 電阻器。

08：36，出現(xiàn)電壓低于1.8 V 的單體電池，三個。

08：43，總電壓95.2 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有四個。

08：53，總電壓95.4 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有五個。

09：02，總電壓95.2 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有七個。

10：49，總電壓90.1 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有八個。同時一個電池電壓出現(xiàn)負(fù)值，表示其電量全部放空。

11：08，電池組總電壓降低至86.4 V。

第1 次試驗放電時間為2 h 38 min。

4.2.2 第二次試驗

進(jìn)行48 節(jié)電池充電，充電采用DC110 V 直流電源充電，電壓穩(wěn)定在110 V，電流10 A。

08：30，切斷充電電源，電壓即下降至109.6 V，開啟蓄電池管理系統(tǒng)裝置。

08：30，開始放電，放電負(fù)載為9.3 Ω 電阻器。

11：51，放電電壓92.5 V，電流9.92 A，電量顯示剩余20%。

15：30，總電壓90.0 V，電流9.76 A。

16：18，總電壓86.4，電流9.44 A。

關(guān)閉放電電阻器，試驗結(jié)束。

第2 次試驗放電時間為7 h 48 min。

4.3 試驗結(jié)論

通過試驗驗證，可以證明投入蓄電池管理系統(tǒng)后，蓄電池放電時間明顯延長，能夠滿足接觸網(wǎng)檢修停電后機(jī)車的使用需求。

5 結(jié)語

通過使用蓄電池管理系統(tǒng)對機(jī)車串聯(lián)蓄電池組充、放電過程的有效管理，能大大減少單體電池因充、放電不均衡而產(chǎn)生的失效。同時能對因其它原因失效的單體電池采用能量轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行替代，從而延長整組串聯(lián)電池組的壽命，確保鐵路正常的運(yùn)輸秩序和運(yùn)輸任務(wù)的順利完成。