動(dòng)車(chē)組鎳鎘蓄電池維修策略探討

高 原 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科技和信息化部

電鎳鎘蓄電池內(nèi)阻小，可快速充放電，低溫環(huán)境可正常使用，而且鎳鎘蓄電池在放電時(shí)電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電蓄電池，目前在CRH1、380B、380C、380D等平臺(tái)動(dòng)車(chē)組上廣泛使用，但現(xiàn)階段鎳鎘蓄電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有限，無(wú)法開(kāi)展相關(guān)研究，且鎳鎘蓄電池在檢修時(shí)工作量大、作業(yè)工序繁瑣。本文對(duì)鎳鎘蓄電池檢修現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了維修方式的優(yōu)化策略。

1 鎳鎘蓄電池原理

鎳鎘蓄電池單體主要由殼體、蓋板、極板組、隔膜、接線柱、加液塞、電解液等組成。鎳鎘蓄電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成。活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板，極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯隔膜隔開(kāi)，電解液為氫氧化鉀溶液。

2 鎳鎘蓄電池檢修現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

當(dāng)前鎳鎘蓄電池運(yùn)用檢修主要采用外觀檢查、電壓測(cè)量、電解液位測(cè)量等方法對(duì)蓄電池的性能狀態(tài)進(jìn)行檢查和確認(rèn)，均為動(dòng)車(chē)組入庫(kù)后進(jìn)行的日常例行檢查，對(duì)蓄電池的性能演變規(guī)律無(wú)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)跟蹤和分析，處于事后維修的狀態(tài)，且蓄電池靜態(tài)數(shù)據(jù)不能完全準(zhǔn)確反應(yīng)蓄電池的性能，無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋蓄電池單體電壓和溫度數(shù)據(jù)，對(duì)深入研究蓄電池并提出科學(xué)合理的維修方式存在一定的影響。近年因動(dòng)車(chē)組鎳鎘蓄電池使用年限逐漸增加，蓄電池存在燒損、漏液等問(wèn)題，因此有必要開(kāi)展蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和性能演變規(guī)律研究，持續(xù)跟蹤蓄電池的性能參數(shù)變化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)研究分析和相關(guān)試驗(yàn)，為蓄電池檢修方式的改變提供數(shù)據(jù)支持。

3 研發(fā)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前蓄電池車(chē)載監(jiān)控僅對(duì)蓄電池箱溫度和蓄電池總壓進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)蓄電池箱溫度高、總體電壓低進(jìn)行報(bào)警，但由于缺少對(duì)單體蓄電池相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，不利于對(duì)蓄電池進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和性能研究。通過(guò)研制單體蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊，開(kāi)發(fā)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，建立了蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池單體電壓、單體溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和顯示，以及蓄電池當(dāng)前和歷史故障信息查詢等功能，可以通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)車(chē)組蓄電池的性能參數(shù)的研究，了解蓄電池性能變化趨勢(shì)，為優(yōu)化蓄電池的維修策略提供支持。

選取CRH380BL-3540動(dòng)車(chē)組04、13車(chē)進(jìn)行蓄電池采集、傳輸模塊安裝，經(jīng)過(guò)多次檢查，模塊安裝牢固，蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)日常使用良好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池性能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和顯示。

4 鎳鎘蓄電池性能跟蹤分析及試驗(yàn)研究

4.1 鎳鎘蓄電池性能跟蹤分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2020年12月開(kāi)始跟蹤蓄電池單體電壓、單體溫度數(shù)據(jù)，記錄每日蓄電池單體最高電壓、單體最低電壓、單體最高溫度和單體最低溫度。通過(guò)圖1可以看出蓄電池單體電壓在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中基本維持在1.6 V～1.8 V之間，單體最低電壓基本維持在1.2 V左右，蓄電池單體溫度隨著環(huán)境溫度的上升而上升，且蓄電池單體最高溫度比當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度高10℃左右。

圖1 CRH380BL-3540蓄電池每日最高單體電壓及溫度

4.2 鎳鎘蓄電池性能試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)CRH380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組單體蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電試驗(yàn)，得出蓄電池單體保護(hù)電壓的最高、最低限值，了解蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電后蓄電池的電壓、溫度變化情況。

過(guò)充電試驗(yàn)中先將單只蓄電池以10 A恒流放電至1 V并靜置5 min后再進(jìn)行充電，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓄電池電壓超過(guò)2.1 V以后，蓄電池內(nèi)部發(fā)生劇烈反應(yīng)，電解液有大量氣泡產(chǎn)生，蓄電池電壓略微下降，蓄電池溫度持續(xù)升高。通過(guò)試驗(yàn)可以確定蓄電池的單體上限電壓不能超過(guò)2 V。見(jiàn)圖2。

圖2 過(guò)充電試驗(yàn)蓄電池電壓及溫度分析

過(guò)放電試驗(yàn)中先將命名為1、3號(hào)的兩只蓄電池完全放電，再充電至1.6 V，使該2只蓄電池容量保持一致，再挑選一只容量為1.3 V左右的蓄電池命名為2號(hào)，將三只蓄電池以“1號(hào)-2號(hào)-3號(hào)”順序串聯(lián)后進(jìn)行放電，發(fā)現(xiàn)2號(hào)蓄電池電壓達(dá)到1 V后快速下降至0 V，進(jìn)而影響三只蓄電池組的總電壓下降，但三只蓄電池的溫度沒(méi)有發(fā)生明顯變化。因此當(dāng)一只蓄電池發(fā)生過(guò)放電后單體電壓下降，整組蓄電池電壓也下降，影響了整組蓄電池的放電，但整組蓄電池溫度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，不會(huì)產(chǎn)生安全隱患。通過(guò)試驗(yàn)可以確定蓄電池單體過(guò)放電壓應(yīng)在1 V以上。見(jiàn)圖3。

圖3 過(guò)放電試驗(yàn)蓄電池電壓及溫度分析

5 優(yōu)化鎳鎘蓄電池維修策略

通過(guò)對(duì)蓄電池單體電壓、單體溫度數(shù)據(jù)的跟蹤分析，結(jié)合蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電試驗(yàn)研究，確定從蓄電池單體電壓、單體溫度異常預(yù)（報(bào)）警，蓄電池單體性能評(píng)級(jí)，蓄電池容量均衡等方面進(jìn)行蓄電池維修策略的研究。

5.1 蓄電池維修策略研究

（1）蓄電池單體電壓及溫度預(yù)（報(bào)）警

蓄電池單體電壓的過(guò)壓和欠壓的計(jì)算采用蓄電池電壓小范圍平均后，逐次比較方式計(jì)算，即每個(gè)蓄電池的5個(gè)電壓數(shù)據(jù)取平均與預(yù)設(shè)報(bào)警參數(shù)進(jìn)行比較:

V1均:V預(yù)警、V2均:V預(yù)警......V84均:V預(yù)警,84只蓄電池電壓循環(huán)判斷后，當(dāng)有任意一只蓄電池滿足判斷邏輯時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)（報(bào)）警。

蓄電池單體溫度的過(guò)高和過(guò)低的計(jì)算采用逐次比較方式計(jì)算：系統(tǒng)溫度判斷，T1均:T預(yù)警、T2均:T預(yù)警......T84均:T預(yù)警,84只蓄電池溫度循環(huán)判斷后，當(dāng)有任意一只蓄電池滿足判斷邏輯時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)（報(bào)）警。

（2）蓄電池單體性能評(píng)級(jí)

通過(guò)采集每個(gè)單體蓄電池的電壓值，進(jìn)行計(jì)算得到蓄電池組的平均電壓值，通過(guò)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)分析并結(jié)合蓄電池規(guī)格書(shū)和蓄電池的充放電曲線，確定每個(gè)單體蓄電池與蓄電池組平均電壓的三個(gè)壓差閾值V優(yōu)，V良，V差。

VN為每個(gè)單體蓄電池與平均值的電壓差：當(dāng)VN＜V優(yōu)時(shí)，該只蓄電池的狀態(tài)為“優(yōu)”；當(dāng)V良＜VN＜V優(yōu)時(shí)，該只蓄電池的狀態(tài)為“良”；當(dāng)V差＜VN時(shí)，該只蓄電池的狀態(tài)為“差”。

（3）蓄電池容量均衡

動(dòng)車(chē)組蓄電池在運(yùn)行過(guò)程中，大部分時(shí)間處于浮充狀態(tài)，浮充狀態(tài)蓄電池的一致性決定了整組蓄電池的性能。各單體蓄電池因內(nèi)阻大小差異、極板厚度及材料差異、電解液液位差異等，造成單體蓄電池自放電率不同，同時(shí)蓄電池箱內(nèi)不同位置的單體蓄電池溫度也不相同，由于溫度不同會(huì)造成蓄電池充放電效率不同，綜上內(nèi)部和外部的原因會(huì)導(dǎo)致使用過(guò)程中單體蓄電池容量存在一定偏差。

浮充定時(shí)均衡算法通過(guò)檢測(cè)動(dòng)車(chē)組單體蓄電池在浮充狀態(tài)下的電壓、溫度，判斷蓄電池的狀態(tài)，選取最高電壓的多只蓄電池使用恒定電流進(jìn)行放電，采用小電流、定時(shí)長(zhǎng)以“細(xì)水長(zhǎng)流”的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)修復(fù)由于內(nèi)部和外部原因造成的蓄電池容量偏差。蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用后，鎳鎘蓄電池的維護(hù)管理方式產(chǎn)生了非常大的變化，既改變了蓄電池單體電壓測(cè)量方式，新增的蓄電池單體電壓及溫度預(yù)（報(bào)）警、性能評(píng)級(jí)和容量均衡等功能也提升了蓄電池的日常管理水平。蓄電池維修策略變化前后對(duì)比見(jiàn)表1。

5.2 蓄電池維修策略對(duì)比

表1 蓄電池維修策略變化前后對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鎳鎘蓄電池檢修現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，文中通過(guò)研制蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池單體電壓、單體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)對(duì)蓄電池性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定從蓄電池單體電壓和溫度異常預(yù)警、蓄電池單體性能評(píng)級(jí)、蓄電池容量均衡等方面進(jìn)行蓄電池維修策略的研究，并實(shí)現(xiàn)了單體蓄電池維修方式的改變、蓄電池單體電壓及溫度的預(yù)（報(bào)）警、蓄電池性能等級(jí)的健康評(píng)估、蓄電池使用壽命的延長(zhǎng)，從而提升了蓄電池的檢修效率及日常管理水平。

限于當(dāng)前蓄電池單體數(shù)據(jù)量和初代數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的影響，對(duì)蓄電池性能趨勢(shì)和維修方式的研究分析存在一定程度的限制，隨著蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷的改進(jìn)優(yōu)化和數(shù)據(jù)采集傳輸模塊安裝量的增加，經(jīng)過(guò)研究分析后文中的預(yù)（報(bào)）警、健康評(píng)估、均衡功能會(huì)更加完善，也可對(duì)蓄電池的維修方式進(jìn)行進(jìn)一步的探索。