淺談HXN5B調機蓄電池虧電原因分析

黃敬云

摘 要： 根據用戶反饋蓄電池虧電問題，開展對HXN5B機車用蓄電池的情況調查和運用分析，針對蓄電池特性、用電負載、充電方式等方面進行分析，得出大功率負載長時間使用會對蓄電池造成容量衰減，由此引發蓄電池虧電，導致柴油機無法起機。根據造成問題主要原因，對線路進行研究，提出優化改進方案。

關鍵詞： HXN5B調機；鉛酸蓄電池；容量衰減

一、問題來源

根據用戶反饋，HXN5B調機在使用過程中多次出現蓄電池虧電導致機車柴油機無法起動的情況。根據用戶蓄電池使用情況以及公司售后管理系統記錄的信息，對故障蓄電池相關故障信息進行了統計分析，大部分故障反映出來的都是蓄電池容量不足、電壓下降，微機報警導致機車無法起機。

二、原因分析

為找到造成無法起機的原因，針對故障電池組進行上線檢測，經在線檢測，電池容量嚴重衰減，已經低于額定容量的80%。現場抽取電池進行解剖分析，發現電池內隔膜已干涸、且與極板發生粘結，極板出現嚴重硫化現象。蓄電池在運用過程中的出現極板硫化容量衰減主要與使用環境溫度、放電深度、使用負載功率、充電條件及使用習慣息息有關，因此主要從蓄電池的性能、機車上蓄電池的用電負載、蓄電池的充電裝置等方面進行分析。

（一）蓄電池特性

內燃機車用鉛酸蓄電池的主要作用是為機車起動柴油機供電和機車檢修維護時為控制系統供電。首先由于采用了超級電容輔助蓄電池啟動柴油機，蓄電池大電流放電不超過1000A，起動放電時間在3s內，蓄電池在啟動階段所消耗的能量比直流車起動時消耗能量有所降低。其次根據權威第三方檢測機構出具的型式試驗報告，NM450蓄電池滿足TB/T3061的相關使用要求，并且其實際電池容量不低于標稱容量的115%，蓄電池的容量比較富余。再者由于HXN5B機車是控制用電設計基礎借鑒HXN5機車，據HXN5機車大批量運用NM450蓄電池的經驗，證明HX5NB機車采用鐵路內燃機車NM450通用型號鉛酸蓄電池能夠滿足HXN5B機車的常規運用。對鐵路用蓄電池的要求NM450蓄電池設計的理論壽命如下圖1和圖2所示。從下圖1和圖2可知蓄電池的可用電量受放電倍率影響，使用壽命受環境溫度和放電深度影響。

（二）HXN5B調機蓄電池用電負載

根據調機機車總體設計方案要求，在機車柴油機未起動時，蓄電池可供直流輔助控制負載用電。根據機車原理圖進行分析，可以分為直接接在蓄電池兩端的負載和通過斷路器、閘刀等間接使用蓄電池的負載，負載匯總如下表3所示（部分3W以下的低功耗設備不包括在內）：

分析HXN5B機車在未起機時用電負載，從上表可發現冬季的用電負載最大，大約為15.5KW（其中取暖器為8kW）。根據對蓄電池的特性進行分析，冬季長時間用功率大取暖器取暖，使NM450蓄電池在低溫、持續放電倍率242A（遠超出其額定放電倍率45A）的工況下使用，很容易使電池深度放電。隨著電池的使用時間加長，電池內阻增大，蓄電池容量衰減，在低溫或者高溫時大功率負載持續用電時可放出的容量隨之下降，就會出現過放電現象，產生極板硫化，造成蓄電池不可逆損傷。最終導致蓄電池容量衰減。

雖然起動機油泵和燃油泵只在起動時短時工作，在計算時忽略不計，但是在啟動準備階段，由于柴油機在啟動前需要打滑油4min。根據以往試驗數據可知，在柴油機啟動準備階段4min內，蓄電池的放電電流在85A左右，如果蓄電池出現容量下降，其他負載又同時用電，蓄電池的負荷會更大。起機階段蓄電池需要釋放上千安培的電流，對處于即將虧電的蓄電池可能產生的結果就是無法起機。

HXN5B機車的蓄電池系統是由32個單節NM450電池組成，與其他傳統110V控制系統采用的48節蓄電池組成相比，總能量減少了1/4，而且大功率用電負載取暖器和空調都可以直接使用蓄電池的電量，所以用戶在使用習慣上應與其他機車區別對待。

（三）充電分析

重載大功率交流傳動調車機車采用NM450型酸性蓄電池，單節電池額定電壓2V，額定容量450Ah，每臺機車共32節電池，機車蓄電池額定電壓為64V。最大充電電流67A；蓄電池欠壓報警值56V，機車最高直流充電電壓為76.8V。最高保護電壓83V，最高充電保護電流70A。

由于蓄電池的特性受溫度影響，在充電過程中應根據不同的溫度對充電電壓進行補償調整，相比傳統的直流機車，HXN5B機車蓄電池充電機中根據電池特性參數設置了溫度補償充電方式，以保護電池在低溫或者高溫的正常充電。

電源充電裝置可以根據蓄電池狀態對蓄電池執行不同的充電方式：均衡充電和浮充充電。據了解該機車蓄電池充電方式中只做了浮充充電模式。對于這種只有浮充充電模式，對經過深度放電后的蓄電池難以充滿。但是從以往大批量的DF系列機車的蓄電池控制方式也只有浮充一種方式來看，說明固然充電機的這種充電方式是存在一定的影響，但不是造成這次蓄電池容量急劇衰減的主要原因，這種充電方式對電池的影響較小，不會造成蓄電池短期內容量衰減至無法使用現象。

（四）結論

根據上述分析可知，NM450蓄電池的選用能夠滿足HXN5B的常規控制負載停機供電和柴油機的起動要求，但是無法滿足車上功率大負載取暖器和空調的長期使用要求。目前的車載充電方式雖然與理論充電要求有一定的差異，但是不會造成蓄電池短期內容量衰減至無法使用現象。所以可以說明大負載長時間使用蓄電池的用電習慣，導致蓄電池深度放電，使蓄電池容量急劇下降，無法啟動柴油機，最終導致極板嚴重硫化，損壞蓄電池。

（五）優化改進

內燃機車上的NM450蓄電池的主要作用是供柴油機起動用電和短時間內控制照明系統小功率負載用電。針對上述分析，為了保護蓄電池，防止出現蓄電池過度用電的情況，將取暖器和空調大負載設備的取電線路由蓄電池供電更改為輔助變流柜充電機供電，杜絕大負載設備直接使用蓄電池的電量，為此對機車蓄電池接線原理進行了優化，保證了蓄電池的正常運用。