城軌車輛蓄電池供電及常見故障分析

羅魁

摘要：本文對目前城軌車輛普遍使用的各種蓄電池進行了性能分析與比較;對一些比較常見的故障進行了歸類分析，并給出了相應(yīng)解決方案。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;鎘鎳電池;鉛蓄電池;鋰電池

1 概述

蓄電池在城軌車輛中作為應(yīng)急直流電源系統(tǒng)，在列車無網(wǎng)壓時，為車輛緊急負載進行供電。蓄電池充滿電的狀態(tài)下，一般要求能為緊急負載供電45分鐘以上，供電45分鐘后，蓄電池的電量足以使列車再次激活。目前城軌車輛常用的蓄電池種類包括鉛蓄電池、鎘鎳電池，未來發(fā)展前景比較大的有鋰電池。

2 常見蓄電池的種類及選型

2.1 鉛蓄電池

2.1.1 鉛蓄電池的工作原理

鉛蓄電池內(nèi)的陽極為二氧化鉛（PbO2），陰極為鉛金屬（Pb），浸到電解液稀硫酸（H2SO4）中，兩極間會產(chǎn)生2V的電壓，當(dāng)形成回路后就會形成電流，并作為一個可逆反應(yīng)可以進行充放電。

放電反應(yīng)：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

充電反應(yīng)：PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb

2.1.2 鉛蓄電池的輸出特性

下面以昆明項目為例，對鉛蓄電池的主要特性進行分析，昆明項目選用的是DTM型密封鉛酸蓄電池，每列車2組蓄電池組（每組含53個單體），容量為160Ah。

（1）蓄電池端電壓與放電電流及放電時間關(guān)系曲線（C5=160A）：

由圖可知，鉛蓄電池短時間內(nèi)能夠維持比較穩(wěn)定的輸出，隨著放電時間越長，當(dāng)容量減小到一定的量時，蓄電池輸出端電壓會突變式的降低。并且隨著放電電流的增大，蓄電池輸出端電壓及放電持續(xù)時間都隨之減小。

（2）蓄電池充電特性：

上圖所示為蓄電池放電深度分別為50%和100%時，用限流為0.2C5，恒壓2.27V對單體進行充電的特性曲線。充電初始階段，充電電流和單體電壓都是線性增長，當(dāng)容量達到一定程度后，單體電壓趨近于充電電壓，而充電電流趨近于零，充電量趨近100%。

2.2 鎘鎳電池

鎘鎳電池是指采用金屬鎘作負極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。正、負極材料分別填充在穿孔的附鎳鋼帶（或鎳帶）中，經(jīng)拉漿、滾壓、燒結(jié)、化成或涂膏、烘干、壓片等方法制成極板;用聚酰胺非織布等材料作隔離層;用氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)溶液;電極經(jīng)卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。

2.2.1 鎘鎳電池的工作原理

鎘鎳電池單體標稱電壓為1.2V，有圓柱密封式（KR）、扣式（KB）、方形密封式（KC）等多種類型。具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長、能以較大電流放電等特點，但存在“記憶”效應(yīng)，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。

鎘鎳電池的電池表達式為：（）Cd︱KOH︱NiOOH（+）

電池反應(yīng)為：

放電時：Cd+NiO+2H2O→Ni（OH）2+Cd（OH）2

充電時：Ni（OH）2+Cd（OH）2→Cd+NiOOH+H2O

2.2.2 鎘鎳電池的輸出特性

以深圳一號線為例，每組由80個單體額定電壓為1.2V的鎘鎳蓄電池單體組成，每組容量為140AH，共兩組。為獲得車輛蓄電池的輸出特性，同時對容量值進行驗證，通常試驗中以恒定的電流進行充電，電流值取0.2C5，也就是28A進行試驗。

（1）以28A的恒定電流充電獲得的蓄電池電壓曲線：

由上圖可知，隨著充電的進行，在一定時間內(nèi)，蓄電池電壓隨時間穩(wěn)步上升。當(dāng)電壓值上升到120V左右時出現(xiàn)急劇上升，當(dāng)?shù)竭_一個約145V的峰值時，會平穩(wěn)下降直至試驗結(jié)束。出現(xiàn)急劇電壓急劇上升的現(xiàn)象，是因為電壓值達到120V左右時，電解液中正極開始產(chǎn)生氣泡（氧氣），這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，所以電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開始較快上升，這是接近充足電的信號。電解液產(chǎn)生的氧氣能很快在負極板表面的電解液中復(fù)合，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)。隨著充電繼續(xù)進行，電池過充電不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高，溫度的急劇升高會導(dǎo)致電壓值的下降，從而出現(xiàn)峰值。

（2）以28A的恒定電流放電獲得的蓄電池電壓曲線：

由上圖可知，將蓄電池以28A恒定電流進行5h的放電時，蓄電池電壓平穩(wěn)下降，并且5h后蓄電池電壓依然有88V。也就是說，單組蓄電池釋放140Ah的容量時，其單體的電壓依然高于1V，滿足車輛性能要求。

2.3 鋰電池

鋰電池是目前世界上廣泛應(yīng)用的最新一代的充電電池，其負極材料是碳材料，正極是含鋰的過渡金屬化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等，電解質(zhì)是鋰鹽的有機溶液或化合物的二次電池。

鋰電池的工作原理。鋰離子電池主要由正極、負極、電解液及隔膜組成，外加正負極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子），電池殼等。以典型的液態(tài)鈷酸鋰離子為例，負極材料為石墨，正極材料為LiCoO2，其充放電原理為：

·正極反應(yīng)：LiCoO2→Li1xCoO2+xLi++xe

·負極反應(yīng)：6C+xLi++xe→LixC6

·電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C→Li1xCoO2+LixC6

3 蓄電池的常見故障與排查

3.1 鼓包以及漏液

廣州售后現(xiàn)場對回庫車輛檢查時發(fā)現(xiàn)四個蓄電池箱發(fā)熱嚴重，高達47.8度。次日再次檢查時，四個蓄電池箱體內(nèi)的單體全部出現(xiàn)鼓包，并有漏液現(xiàn)象。

3.1.1 原因分析

蓄電池出現(xiàn)鼓包并因此而導(dǎo)致的漏液現(xiàn)象往往是由于過充而引起的。

（1）蓄電池內(nèi)部原因分析：

蓄電池為了實現(xiàn)密封需要實現(xiàn)內(nèi)部氣體循環(huán)，設(shè)計正、負極板活物質(zhì)在充電過程中的異步復(fù)原反應(yīng)，即當(dāng)正極板活物質(zhì)完全充電恢復(fù)后，負極板活物質(zhì)還未完全轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀鉛。這樣，充電末期當(dāng)正極開始產(chǎn)生氧氣時，負極板還未變成完全充電狀態(tài)，可以最大限度抑制氫氣的產(chǎn)生，同時又能消耗所產(chǎn)生氧氣。

反應(yīng)式：

正極：4OHˉ4e→O2+2H2O

負極：2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

2PbSO4+4H++4eˉ→2Pb+2H2SO4O2+H2O+4e→4OHˉ

由反應(yīng)式可知，在氧氣循環(huán)的過程中，蓄電池容量不會發(fā)生變化，電能全部轉(zhuǎn)化為熱能釋放。所以，氧循環(huán)的好處是減少了水損失，壞處是蓄電池會發(fā)熱。

當(dāng)蓄電池長期工作在這種狀態(tài)時，蓄電池產(chǎn)生熱量并不斷積累，直到蓄電池外殼發(fā)生熱軟化變形。而蓄電池?zé)嶙冃螘r，由于內(nèi)部氣壓高，所以蓄電池出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，出現(xiàn)漏酸和漏氣問題，從而使蓄電池急性失效。

（2）充電機充電方案分析：

充電機最大輸出電壓限定值為137.5V，充電機在正常情況下，按照先恒流后恒壓，然后再浮充降壓充電方式，具體過程如下：先按照90A充電10分鐘，如果10分鐘內(nèi)電壓上升到快充曲線，則會按照快充曲線充電，10分鐘后，如果電流高于36A，則限流36A充電，如果低于36A，則直接進入浮充模式，對于40℃以上，按照40℃來處理，先限流90A，10分鐘后，轉(zhuǎn)浮充。

充電機過充原因：（1）PT100測溫探頭靈敏度不夠，延遲5分鐘，隨溫度升高未能及時進行補償從而導(dǎo)致過充;（2）10分鐘90A的大電流充電導(dǎo)致過充的風(fēng)險較大，特別是在蓄電池本身溫度偶然出現(xiàn)較高的情況時。

3.1.2 解決措施

車輛充電機具有過壓保護功能，最高設(shè)定電壓值為DC137.5V，也就是使單體充電電壓超過1.7V。鑒于充電機的保護可靠性，并且充電機存在一定故障率，所以給出如下解決方案：在充電機給蓄電池的充電回路上增加一個整定值為130V的自恢復(fù)過壓保護繼電器，從而防止蓄電池的長時間過充，實現(xiàn)充電機故障時的雙重保護，延長蓄電池的使用壽命。

3.2 嚴重饋電

8月20日調(diào)試車間，WXL1T9TC1車蓄電池電壓饋電到約25V，而調(diào)試車間配置的外接110V大型程控充放電機最低充電電壓為50V，無法滿足充電要求。對該蓄電池的單體電池模塊進行了測量，發(fā)現(xiàn)單體模塊電壓不均衡，部分單體電壓幾乎為0，部分高于1V（正常單體電壓為1.2V左右），單體電壓的嚴重不均衡導(dǎo)致充不進電。

3.2.1 原因分析

蓄電池之所以出現(xiàn)如此嚴重的饋電是因為長時間的靜置蓄電池自放電所致：

自放電反應(yīng)

正極：Cd2e+2OHˉ→Cd（OH）2

2H2O+2e→H2+2OHˉ

2Cd+O2+H2O→2Cd（OH）2

負極：NiO2+H2Oe→NiOOH+OH

H2+NiOOH+OHˉ→H2O+Ni（OH）2+e

2OHˉ+2e→2H2O+O2

鎘鎳蓄電池本身的自放電較小，但考慮到每個單體蓄電池的性能以及電解液的純度所致，出現(xiàn)了一些單體嚴重饋電的現(xiàn)象。單體電池進行串聯(lián)使用時，要求各單體電池的容量和內(nèi)阻等應(yīng)盡量接近，當(dāng)出現(xiàn)某個單體蓄電池饋電到接近于零時，會出現(xiàn)充電在此中斷現(xiàn)象，因此只能對單體蓄電池逐一充電，待所有單體模塊充電電壓達到接近1.2V，再外接大型的充放電機進行正常充電。

3.2.2 解決方案

采用小型110V充電機對單體蓄電池進行限流充電。

蓄電池標注單體容量為140Ah，充電電流為容量的20%，即140*20%=28A，充電電流只要低于28A就不會造成充電過流。當(dāng)串接電阻后，確認充電電流低于28A即可對單體進行充電。按以上方法逐一對饋電的單體模塊進行充電，待所有單體模塊達到正常單體電壓時，改用外接大型充電機對整個蓄電池組進行正常充電。

3.3 短路

短路是蓄電池使用過程中重點防范的問題，車輛電路中自帶熔斷器和MCB開關(guān)防止短路造成的過流現(xiàn)象。即使具有保護裝置，有時因保護裝置的靈敏性以及人為的過失，故障偶有發(fā)生，短路會瞬間產(chǎn)生很大的電流，具有很強的破壞性，2012年伊茲密爾項目蓄電池發(fā)生短路起火事故。

3.4 解決措施

針對于避免蓄電池的短路故障，在保證保護裝置功能正常的同時，作業(yè)人員須按照安全要求作業(yè)。對于已經(jīng)發(fā)生的短路事故，需對蓄電池進行絕緣性試驗，破壞比較嚴重的蓄電池進行及時更換。

通過測量出漏電等效電阻可以判斷其絕緣性能，一般要求蓄電池的對地電阻大于1MΩ，對于絕緣性能達不到要求的應(yīng)進行拆卸更換。

4 總結(jié)

本文通過著重對鉛蓄電池、鎘鎳電池和鋰電池的工作原理和特性進行了分析比較，為蓄電池的故障分析工作奠定了基礎(chǔ)。歸納了蓄電池供電模塊常見的故障，對各種故障從原理上進行了分析并提出了解決方案，具備一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]李詩逸.TGB4C型DC/DC充電機維修手冊.2014.

[2]深圳地鐵一號線蓄電池維護手冊.2014.