城轨车辆蓄电池供电及常见故障分析

（江苏省徐州技师学院 江苏 徐州 221000）

引言

对城轨车辆常用的铅酸蓄电池、镍镉蓄电池两种蓄电池进行性能对比和论证选型，确定了蓄电池类型。对城轨车辆所有的紧急负载功率进行统计，计算出蓄电池需要提供的总容量，通过已经确定的单体电池参数，对蓄电池单体数量、电压和容量进行计算，进而确定蓄电池组的标称放电电流、推荐充电电流和短路电流参数。通过模拟运行试验，得到了充电电压与温度曲线，验证了参数选型的正确性。

1.蓄电池溃电问题概述

在城轨车辆日常检修维护过程中，经常发生因蓄电池溃电而导致车辆断电甚至无法激活启动的问题。该问题大致可分为两类：①车辆处于激活状态但无网压，车辆常规负载持续耗电导致蓄电池溃电，该类溃电处于轻度溃电，即蓄电池电压低于欠压保护值，蓄电池与车辆负载的连接则会自动断开。②车辆处于断激活状态下，蓄电池回路存在的非常规负载（如永久负载，充电机负载）使得蓄电池持续放电，该情况下因蓄电池无任何保护，往往能导致蓄电池深度溃电，影响蓄电池寿命。本文主要针对AMGLRV项目车辆断激活状态下，蓄电池溃电问题进行分析并探讨其解决方法。

2.蓄电池选型原则

满足城轨车辆紧急情况下直流负载的总功率要求（紧急情况下地铁车辆在运行过程中最大的110V直流负载完全由蓄电池供电，一般要求供电维持时间大于45min）；依据当地气候条件及使用条件确定蓄电池种类；充分考虑所选蓄电池的温度补偿系数、老化效率、充电效率及使用寿命等性能参数；充分考虑蓄电池对车辆运用环境的适应性，考虑蓄电池的可维护性、环境保护、人身安全防护性能，考虑蓄电池是否满足地铁车辆对体积和质量的要求；根据以上内容及蓄电池容量冗余设计确定电池型号和电池容量。

3.蓄电池的常见故障与排查

3.1 鼓包以及漏液。现场对回库车辆检查时发现四个蓄电池箱发热严重，高达47.8度。次日再次检查时，四个蓄电池箱体内的单体全部出现鼓包，并有漏液现象。蓄电池出现鼓包并因此而导致的漏液现象往往是由于过充而引起的。蓄电池为了实现密封需要实现内部气体循环，设计正、负极板活物质在充电过程中的异步复原反应，即当正极板活物质完全充电恢复后，负极板活物质还未完全转变为海绵状铅。这样，充电末期当正极开始产生氧气时，负极板还未变成完全充电状态，可以最大限度抑制氢气的产生，同时又能消耗所产生氧气。在氧气循环的过程中，蓄电池容量不会发生变化，电能全部转化为热能释放。所以，氧循环的好处是减少了水损失，坏处是蓄电池会发热。当蓄电池长期工作在这种状态时，蓄电池产生热量并不断积累，直到蓄电池外壳发生热软化变形。而蓄电池热变形时，由于内部气压高，所以蓄电池出现鼓胀现象，出现漏酸和漏气问题，从而使蓄电池急性失效。

3.2 短路。短路是蓄电池使用过程中重点防范的问题，车辆电路中自带熔断器和MCB开关防止短路造成的过流现象。即使具有保护装置，有时因保护装置的灵敏性以及人为的过失，故障偶有发生，短路会瞬间产生很大的电流，具有很强的破坏性，2012年伊兹密尔项目蓄电池发生短路起火事故。

4.蓄电池的常见故障排查

4.1 蓄电池馈电解决方案。由于蓄电池溃电甚至严重过放，给车辆正常使用带来极大不便，同时影响蓄电池性能并缩短其使用寿命。因此在设计及日常维护中避免蓄电池频繁出现馈电情况非常重要。建议在新项目车辆设计时，重点分析蓄电池回路设计，减小车辆断激活后蓄电池回路存在的非常规负载。另外，在日常使用过程中，建议通过段永久负载微型断路器来减小蓄电池的放电速度。若车辆需要长期停放时，则需断开蓄电池保险来避免蓄电池深度放电。

4.2 蓄电池选型结论和建议。通过比较与分析，镉镍碱性蓄电池具有以下主要优点，建议选用。（1）充放电特性平稳。镉镍碱性蓄电池的额定电压为1.2V。充放电特性平稳，仅在充放电开始和结束时电压变化较大，充电一般平稳上升至1.4～1.5V。放电终止电压一般规定为1.0V。平均工作电压1.2～1.25V。最高浮充电压可达1.75V。该电池也适用于高倍率放电特性要求的场合，放电深度可达100%。（2）自放电小。自放电大小与温度有关。例如在+20℃经720h容量损失15%，而在+40℃同样情况下损失23.4%。（3）低温性能好。低温时放电容量大，例如在-20℃时5h放电容量75%，-40℃时以0.1C10A可放额定容量的45%以上。使用环境温度-50～55℃。（4）耐过充放能力强。两种蓄电池性能比较镉镍碱性蓄电池1.2V/节恒流恒压均可最高1C5A8～12h可达100%较高，可达12C5A1.42～1.49V/节-40℃时以0.1C10A可放额定容量的45%以上-50～55℃无热失控效应强无相对较低高相对体积较大、质量略轻铅酸蓄电池2V/节恒流限压最高0.3C10A一般20h以上一般80%左右较低，最高3C10A2.25V/节左右-40℃时以0.1C10A可放额定容量的35%-40～40℃充电时内部氧复合产生热量，易做成热失控一般电解液对极柱和板栅有腐蚀性相对较高较高相对体积较小、质量略重比较项目标称电压充电方式快充能力初充电时间放电深度许可放电倍率浮充电压温度影响适用环境温度充电热失控机械强度腐蚀性比能量可靠性整体体积和质量到电压为0也能恢复至正常使用。（5）寿命长。循环寿命可达3000～4000周。若在电解液中加入氢氧化锂，寿命可更长。同时，其机械强度高，易制成密封电池。

4.3 充电机充电方案分析。充电机最大输出电压限定值为137.5V，充电机在正常情况下，按照先恒流后恒压，然后再浮充降压充电方式，具体过程如下：先按照90A充电10分钟，如果10分钟内电压上升到快充曲线，则会按照快充曲线充电，10分钟后，如果电流高于36A，则限流36A充电，如果低于36A，则直接进入浮充模式，对于40℃以上，按照40℃来处理，先限流90A，10分钟后，转浮充。充电机过充原因：（1）PT100测温探头灵敏度不够，延迟5分钟，随温度升高未能及时进行补偿从而导致过充；（2）10分钟90A的大电流充电导致过充的风险较大，特别是在蓄电池本身温度偶然出现较高的情况时。

结语

镉镍电池和锂电池的工作原理和特性进行了分析比较，为蓄电池的故障分析工作奠定了基础。归纳了蓄电池供电模块常见的故障，对各种故障从原理上进行了分析并提出了解决方案，具备一定的借鉴意义。