城市軌道交通工程車(chē)蓄電池故障檢測(cè)與診斷方法研究

盧林科

（廈門(mén)軌道交通建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

1 概述

基于對(duì)節(jié)能環(huán)保的考慮，蓄電池工程車(chē)逐漸替代了內(nèi)燃工程車(chē)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的使用。廈門(mén)地鐵目前3條線共配備10輛ZER3型蓄電池工程車(chē)，在使用過(guò)程中出現(xiàn)：（1）蓄電池電量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題；（2）蓄電池衰退老化的問(wèn)題。

蓄電池電量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響蓄電池工程車(chē)的正常運(yùn)用，甚至可能引發(fā)正線救援等影響運(yùn)營(yíng)服務(wù)作業(yè)事故。導(dǎo)致蓄電池檢測(cè)不準(zhǔn)確的影響因素有很多，其中就包括工作環(huán)境溫度、不同的充放電電流、電池組自身放電、負(fù)載變化以及電池自身放電特性等。針對(duì)該問(wèn)題，在廈門(mén)地鐵2號(hào)線進(jìn)行工程車(chē)蓄電池容量檢測(cè)的相關(guān)試驗(yàn)，主要包括牽引蓄電池容量檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)、蓄電池容量核準(zhǔn)試驗(yàn)、電池檢測(cè)裝置剩余電量驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的電池檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足預(yù)設(shè)的檢測(cè)精度要求。

2 鉛酸蓄電池特性

2.1 鉛酸蓄電池壽命的影響因素

（1）過(guò)充電的影響。過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致電池正極表面析出氧氣，當(dāng)氧氣從電極表面逸出、集聚會(huì)導(dǎo)致電池殼體壓力增大，形成鼓包。同時(shí)，在析出氧氣的同時(shí)，會(huì)破壞活性物質(zhì)與柵板之間的結(jié)合能力，極大地影響電池的使用壽命。（2）過(guò)放電或小電流放電的影響。深度放電會(huì)導(dǎo)致極板的“硫酸鹽化”?！傲蛩猁}化”是指電池在過(guò)度放電的過(guò)程中，極板表面會(huì)生成大顆粒狀的硫酸鉛結(jié)晶。大量的硫酸鉛附著在極板表面，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，同時(shí)因?yàn)榱蛩徙U絕緣的特性，導(dǎo)致活性物質(zhì)與柵板難以有效產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，大大削弱電池的容量和使用壽命。（3）長(zhǎng)期浮充電的影響。長(zhǎng)期浮充將嚴(yán)重影響電池容量以及使用壽命。電池浮充是指蓄電池長(zhǎng)期處于只充電不放電狀態(tài)，這樣的后果是極板表面鈍化，電池內(nèi)阻急劇增大，有效容量大幅降低，反映在實(shí)際使用過(guò)程中的現(xiàn)象是電池的使用容量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)容量，并且這種趨勢(shì)將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。（4）循環(huán)使用次數(shù)的影響。蓄電池都有額定的循環(huán)使用次數(shù)，經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)，內(nèi)部活性物質(zhì)將會(huì)逐漸老化，電池實(shí)際放出的電能將會(huì)逐漸降低。因此，在實(shí)際使用中，當(dāng)蓄電池達(dá)到較大的電池循環(huán)數(shù)時(shí)，有必要對(duì)額定容量進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.2 鉛酸蓄電池放電特性

放電特性是指在恒定電流放電過(guò)程中，鉛酸蓄電池的端電壓U隨時(shí)間變化的規(guī)律。將完全充足電的蓄電池以恒定電流放電，每隔一定時(shí)間，測(cè)量一次端電壓U,得到一條“電壓—時(shí)間”曲線。圖1所示的為某鉛酸蓄電池的恒流放電曲線。恒流放電時(shí)，端電壓有三個(gè)變化階段。剛接入負(fù)載時(shí)，負(fù)載的端電壓陡然下降，這是由于電池內(nèi)部的歐姆內(nèi)阻電壓降（oa段）；隨后，電池內(nèi)部電化學(xué)達(dá)到平衡狀態(tài)，電池端電壓平穩(wěn)略下降的狀態(tài)，電極電位基本趨于穩(wěn)定（ac段）。此時(shí)，若將負(fù)載斷掉，電壓將呈現(xiàn)一小段回升的趨勢(shì)，這是由于電壓具有回彈效應(yīng)(ce)。若c點(diǎn)后繼續(xù)對(duì)蓄電池放電，電池端電壓急速下落，此時(shí)，電池進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，極容易造成供電突然中斷，引發(fā)突然事故。另外，過(guò)放電容易導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部活性物質(zhì)過(guò)度消耗或者從極板脫落，大大影響蓄電池使用壽命。

圖1 鉛酸蓄電池放電示意圖

3 蓄電池電量檢測(cè)研究

3.1 蓄電池電量監(jiān)測(cè)影響因素

（1）不同電流的影響。在不同的充電（放電）電流條件下，電池組可以充入（放出）的有效容量是不同的，而電池檢測(cè)系統(tǒng)所設(shè)定的容量為額定容量，這就導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的容量與實(shí)際容量不符。（2）電池組自放電及安全狀況的影響。電池組即使在靜置過(guò)程中也會(huì)有能量損耗，即電池組的自放電影響，而且電池組的充放電循環(huán)壽命有限，在使用過(guò)程中電池組逐漸老化，其有效容量也會(huì)逐漸減少。（3）溫度的影響。電池組的充放電過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，必然受到溫度的影響，不同溫度下電池組的有效容量發(fā)生變化，也會(huì)影響電池組的充放電倍率。（4）負(fù)載變化的影響。工程車(chē)的功率由負(fù)載決定。在實(shí)際工況中，受牽引負(fù)荷、坡道、曲線半徑等影響，導(dǎo)致負(fù)載的變化往往比較大，瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓的變化也相應(yīng)變化較大，也會(huì)影響電池檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池電量的監(jiān)測(cè)。（5）電池放電特性的影響。工程車(chē)采用的是鉛酸蓄電池，其在放電時(shí)，端電壓會(huì)出現(xiàn)先下降、接著小幅度回升、再緩慢下降的過(guò)程，這也給蓄電池的即時(shí)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了難度。

3.2 蓄電池容量檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化

由于蓄電池衰退老化，2021年1月底，株機(jī)廠家在廈北工程車(chē)庫(kù)做牽引蓄電池核容試驗(yàn)。DL0111、DL0110、DL0109 3臺(tái)車(chē)共3×392=1176節(jié)電池，共報(bào)廢電池363節(jié)。

（1）蓄電池容量檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)。在牽引蓄電池容量檢測(cè)系統(tǒng)中，將蓄電池的額定容量設(shè)置為480AH，放電過(guò)程檢測(cè)裝置會(huì)計(jì)算單位時(shí)間(1s)消耗的電量，當(dāng)電量累計(jì)大于0.48AH時(shí)，則剩余電量值減少0.1%。電池負(fù)載電流與放電時(shí)間的關(guān)系如表1所示。

表1 電池負(fù)載電流與放電時(shí)間

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)充、放電試驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)裝置計(jì)算的剩余電量高于實(shí)際電池電量。聯(lián)合株機(jī)公司與深圳通業(yè)科技股份有限公司對(duì)牽引蓄電池容量檢測(cè)裝置的源代碼進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間放電速率參數(shù)設(shè)定不合理。

①單位時(shí)間放電速率優(yōu)化前：軟件算法中將放電電流以10A為一個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)間，將放電電流劃分為不同區(qū)間，每個(gè)區(qū)間有對(duì)應(yīng)的放電速率。放電電流與放電速率關(guān)系如表2所示。

表2 0～96A區(qū)間放電電流與放電速率

通過(guò)分析單位時(shí)間放電速率，放電電流在0～96A范圍時(shí)計(jì)算誤差會(huì)較大，這是因?yàn)槌绦蛩惴ㄔ谠O(shè)定放電速率時(shí)，總是向下取值，導(dǎo)致取值偏小。例如，放電電流為59A時(shí)，由于其仍處于50～60A區(qū)間，故計(jì)算時(shí)按照50A放電速率2.89執(zhí)行，會(huì)產(chǎn)生剩余電量偏差大約為18%。

從上述分析，蓄電池放電速率偏小，與前期發(fā)現(xiàn)的“計(jì)算的剩余電量高于實(shí)際電池電量”現(xiàn)象相符。針對(duì)上述情況，對(duì)放電速率進(jìn)行了優(yōu)化。

②單位時(shí)間放電速率優(yōu)化后：放電電流在0～96A范圍時(shí)，以10A為一個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)間，程序算法在設(shè)定放電速率時(shí)，以數(shù)據(jù)中值為分界，分別向下或向上取值。例如，放電電流處于50～60A區(qū)間，以區(qū)間中值55A為界，分別向下（電流≤55A時(shí)）或向上取值（電流＞55A時(shí)）。例如，放電電流為52A時(shí)，剩余電量計(jì)算時(shí)按照電流50A對(duì)應(yīng)放電速率2.89執(zhí)行，若放電電流為59A時(shí)，則按電流60A對(duì)應(yīng)放電速率3.47執(zhí)行。放電電流大于96A時(shí)，屬于大電流放電，放電速率變化快，算法取值采用實(shí)時(shí)取值，按放電電流對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)放電速率進(jìn)行取值。優(yōu)化后，放電速率取值更為合理，計(jì)算結(jié)果更精確，可顯著修正剩余電量偏差。大于96A區(qū)間放電電流與單位時(shí)間放電速率的關(guān)系如表3。

表3 大于96A區(qū)間放電電流與放電速率

（2）程序驗(yàn)證。在兩臺(tái)工程車(chē)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，DL0212車(chē)使用優(yōu)化后的驗(yàn)證程序，DL0209 車(chē)程序未更新。2臺(tái)車(chē)初始電量相同，牽引負(fù)載相同，形式路徑相同，進(jìn)行放電測(cè)試。DL0212車(chē)回庫(kù)測(cè)試剩余電量72.2%。DL0209車(chē)回庫(kù)測(cè)試剩余電量86.5%，優(yōu)化軟件放電速率后，計(jì)算剩余電量結(jié)果下降14.3%，優(yōu)化前后差異明顯。

3.3 蓄電池核容試驗(yàn)

由于在使用過(guò)程中工程車(chē)蓄電池組會(huì)逐漸老化，其有效容量也會(huì)逐漸減少。因此有必要對(duì)測(cè)試蓄電池實(shí)際容量值。試驗(yàn)步驟如下：采用均充模式，對(duì)工程車(chē)DL0212充電，電壓恒定在920V，充電電流3A，約15個(gè)小時(shí)將蓄電池電量充滿。

使用充放電機(jī)進(jìn)行恒流放電，放電電流恒定為80A，放電截止電壓640V，放電測(cè)量得出牽引蓄電池實(shí)際容量為388AH。

3.4 牽引蓄電池容量檢測(cè)裝置精度測(cè)試試驗(yàn)

由于容量檢測(cè)單元在動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，其需要采樣及計(jì)算等，因此，其容量檢測(cè)單元本身將具有一定的誤差，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，誤差范圍在15%以?xún)?nèi)視作滿足精度要求。試驗(yàn)步驟如下：

（1）蓄電池采用均充模式累計(jì)充電時(shí)間約17個(gè)小時(shí)，最終電壓恒定在919V，充電電流為3A，牽引蓄電池充滿電。（2）工程車(chē)正線作業(yè)，按照實(shí)際使用工況進(jìn)行放電，待車(chē)輛回庫(kù)查看剩余電量與電池電壓。（3）設(shè)定截止電壓為640V，使用充放電機(jī)將電池剩余電量全部放出，剩余電量為237AH。（4）檢測(cè)設(shè)備剩余電量為65.7%，由于軟件算法中電池額定容量為480AH，所以軟件檢測(cè)放電電量為480AH×(100%-65.7%)=164.64AH;按照放電截止電壓為640V計(jì)算，電池總?cè)萘繛?88AH，實(shí)際剩余放電電量為237AH。因此，正線實(shí)際放電量為388AH-237AH=151AH；檢測(cè)容量計(jì)算精度為(164.64AH-151AH)/388AH×100%=3.52%。通過(guò)計(jì)算可知，牽引蓄電池容量檢測(cè)裝置剩余電量計(jì)算精度在15%誤差范圍內(nèi)，滿足要求。

4 工程車(chē)牽引蓄電池維護(hù)建議

根據(jù)以上試驗(yàn)，鉛酸蓄電池在使用過(guò)程中需要做到隨放隨充的狀態(tài)，保持蓄電池長(zhǎng)期處于滿電狀態(tài)能有效地保持蓄電池的容量和增加使用壽命時(shí)間。鑒于工程車(chē)蓄電池組出現(xiàn)了硫酸鹽化的現(xiàn)象，提出以下維護(hù)使用建議。

（1）蓄電池組使用后應(yīng)在24h內(nèi)給予補(bǔ)充電，具體充滿與否可參考充電電流低于3A后，再維持充電2～3h即可視為已充滿電。（2）車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間未使用時(shí)，需要對(duì)蓄電池組電路進(jìn)行斷開(kāi)，防止永久負(fù)載消耗蓄電池組的電量，同時(shí)每半個(gè)月安排對(duì)蓄電池組進(jìn)行一次補(bǔ)充電。（3）鑒于車(chē)輛蓄電池組有硫酸鹽化現(xiàn)象，可定期安排對(duì)車(chē)輛蓄電池進(jìn)行均充模式充電16～24h?！缎铍姵剀?chē)操作維護(hù)手冊(cè)》要求均充模式為每6個(gè)月使用1次，建議調(diào)整至3個(gè)月1次，均充模式可有效改善蓄電池組的狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本課題對(duì)工程車(chē)蓄電池的研究，較好地解決了蓄電池充放電不當(dāng)、剩余電量檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)（虛高）等問(wèn)題所造成的行車(chē)安全隱患，有效地保障了蓄電池工程車(chē)的正常使用；并提出切實(shí)可行的蓄電池維護(hù)建議，有效改善蓄電池使用情況，降低因不當(dāng)使用而導(dǎo)致的電池報(bào)廢率，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，可在各條線路進(jìn)行推廣。