鉛晶蓄電池在軌道交通車輛中的應用優勢

岳 明

(中國鐵路上海局集團有限公司 合肥車輛段技術科， 江蘇徐州 221003)

隨著我國軌道交通事業的迅猛發展，軌道交通車輛用蓄電池的需求也隨之快速增長。從目前我國軌道交通車輛用電池的現狀看來，產品種類較多，性能參差不齊。其中，應用最多的蓄電池主要有鉛酸蓄電池(包括膠體蓄電池)和堿性鎳鎘蓄電池兩類。由于這兩類蓄電池存在各種的缺陷或不足，迫使人們研發和探索鋰離子電池等新型蓄電池產品代替老產品。在調研、測試和試用的基礎上，發現市場上一種鉛晶蓄電池構成和性能適宜于軌道交通車輛使用。

1 鉛晶蓄電池構成及其主要原理

鉛晶蓄電池是我國江南某電池制造公司基于自主知識產權，應用獨創的硅晶復合鹽電解質配制技術和鉛晶電池制造技術，積10多年之功研發而成。以電解質組成、電極結構、裝配和化成工藝等眾多獨到之處，使多項技術指標處于國內先進水平。

所謂“鉛晶蓄電池”，其中“鉛”字表示用鉛作電極，“晶”包含兩方面的意思。一是正極表面鍍有單晶、多晶態PbO2的活性物質；二是采用SiO2和多種復合鹽組成的晶態電解質(如圖1為證)。采用獨特的制備技術，將多種無機鹽與有機物復配混合，利用多種復合鹽及添加劑的協同作用，優化電解質與電極活性物質之間的反應性能，避免活性物質硫酸鹽化脫落，延長使用壽命。經數個充放電循環后，使原來灌入時呈液態的電解質逐步轉化為網絡狀的晶體狀態，消除漏液危險，提高安全性能，優化導電功能。采用自創的電極制備、電極鑄焊、真空灌液、電池化成、端子連接和氣液分流閥等一系列專利技術，使蓄電池產品性能更優、效率更高。

圖1 鉛晶、膠體鉛酸蓄電池電極表面晶態電解質X-射線衍射圖

(1)

鉛晶蓄電池專用電解液的組成中除了少量的稀硫酸(H2SO4)以外，還含有若干種無機弱酸和有機弱酸。在電池停運狀態下，這些無機弱酸和有機弱酸在電池中只能部分電離。隨著蓄電池中放電反應的發生，就會奪取弱酸分子電離出來的H+。并且，隨著放電反應的不斷進行，弱酸電離平衡就會不斷地向電離方向移動，逐步地、源源不斷地放出H+來保證放電反應的持續進行。相反，當電池發生充電反應時，由水的電解產生的H+又可促使弱酸電離平衡向左移動，從而恢復成弱酸分子。如此循環往復、周而復始地維持電池的正常工作。

2 鉛晶蓄電池應用于軌道車輛的主要優勢

鉛晶蓄電池以獨特的電解液組成和電池結構，賦予產品“安全、環保、高效、長壽”4大特點。不但革新了傳統、單一的硫酸液為電解液，而且使電池的結構發生了相應的改變。隨著電解質與電極之間電化學反應的循環進行，電池內部溶液狀態的電解質逐漸轉變為網絡狀的晶體狀態，不僅能固定極板上活性物質，并且為離子的遷移留出通道，有效地克服了傳統鉛酸蓄電池極板硫酸鹽化、活性物質脫落和容量衰減“三大頑疾”。

2.1 鉛晶蓄電池的主要技術優勢

(1) 使用壽命長。鉛晶電池十多種復合鹽添加后的固態結構，極大地避免了極板硫化現象，改善了蓄電池在PSOC下的壽命衰減情況。使得鉛晶蓄電池的使用壽命是傳統鉛酸蓄電池的2～3倍。

(2) 使用成本較低。鉛晶蓄電池的比鎳鎘蓄電池的直接成本低15%左右。鉛晶蓄電池在段修檢查和運用檢修時，十分方便，不需要補液、擦洗，浪費人力、物力。同時還節省檢修過程中的人工、材料和管理費用。

(3) 高低溫范圍寬。鉛晶電池能在-40℃～+60℃的溫度范圍內和6 000 m及以上高海拔環境下正常工作，能很好地適應于軌道車輛行駛從南方到北方地域跨度大、冬天夏天溫度差距大的環境變化。-40℃容量比鉛酸高20%，40℃循環壽命是鉛酸2.5倍。

(4) 自放電較小、長期庫存后容量恢復能力強。電解質中添加了能抑制氧氣和氫氣析出的鹽類，且固態晶體電解質在化成后形成有規律的龜裂，為氧氣和氫氣的復合提供了通道。使自放電系數很小，自然存放1年剩余容量大于85%。長期儲存后正常充放，容量即可恢復至97%以上。

(5) 環保性能好。生產和使用中無酸液、酸霧和其他危險廢物放出，不會造成對土地、河流、空氣等環境污染，更不會對機車上任何元器件造成腐蝕和損傷，環保安全性能更好。因形成晶態電解質而使電池在儲存、運輸和使用過程中根本不用擔心漏液。產品由國家安全生產監督管理總局化學品登記中心鑒定為“非危險品”，而鉛酸蓄電池列為“危險品”。

(6) 深放電性能好，鉛蓄電池深放電之后，其吸附式隔板中易出現鉛絨或彌散型沉淀，導致極板微短路，造成蓄電池壽命迅速衰減。鉛晶蓄電池電解質中的復合鹽，徹底解決了電池枝晶短路。過放至0 V壽命是鉛酸的8～10倍。

(7) 安全性高 鐵路安全責任任重道遠，一定要杜絕即使充電設備故障，充電電壓無法限制的情況下，蓄電池可損壞但不能出現爆裂等安全性事故發生。根據這一要求，進行了現場試驗：提高整組電池充電電壓至132 V，使電池溫度上升至65 ℃，繼續充電至臌脹，再繼續充電24 h，未出現爆裂現象。

2.2 鉛晶蓄電池與鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池的性能比較

鉛晶蓄電池的優勢可以從與傳統的鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池的性能比較中明顯展示出來(表1 鉛晶電池與鉛酸電池、鎳鎘電池的主要性能比較)。

表1 鉛晶電池與鉛酸電池、鎳鎘電池的主要性能比較

3 鉛晶蓄電池在軌道交通車輛的成功應用舉例

鉛晶蓄電池作為一種鉛酸蓄電池的更新換代產品，已經廣泛應用于太陽能/風能儲能、UPS/EPS電源、電力電站、通信基站、鐵路客車、城軌交通、氣象雷達、電動車輛、銀行、廣電、油氣田和氣象監測等領域，市場應用十分廣闊。

下面是鉛晶蓄電池應用于鐵路客車車輛的成功案例。

2009年由上海鐵路局車輛處協作公司合作開發了鐵路客車用鉛晶蓄電池組，2009年3月2日～2009年8月6日鐵路客車用閥控密封式鉛晶蓄電池組系列中的“6-TM-120型”產品，經原鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站檢驗合格，于2009年10月至2010年3月底在杭州至泰州的T7785/6編組6輛客車上裝車運行試用，在編組運行中與鎘鎳蓄電池組客車混編，在充電容量、故障率及維護保養方面有明顯優勢，達到預期效果。于2010年3月11日，通過了由上海鐵路局總師室組織召開科技成果驗收(上鐵局技驗字〔2010〕第004號)，上海鐵路局車輛處于2010年申請了“鉛晶蓄電池組在青藏客車上的推廣應用”的立項，在上海至拉薩的T163/4次編組6輛客車上裝車運行試用，進一步收鉛晶集電池組在高海拔、低溫、低氣壓等惡劣氣候條件下運用的技術數據資料，進一步完善鉛晶蓄電池制造工藝，至2011年1月進一步擴大裝車。

裝車車次：上海-拉薩T164次，每列編組15輛客車。

上海動車客車段配屬的青藏客車為中車南京浦鎮車輛有限公司在裝車前，進行了高原低氣壓模擬試驗，及高原自然環境下充電、放電試驗。

第1步在平原地區對鉛晶電池組進行高原環境模擬試驗：先將鉛晶電池單體放在一個封閉的容器內，然后抽空使容器內的壓力為0.05個大氣壓。保持8 h后打開容器檢查電池，外形未發現異常后，再對電池單體在0.05個大氣壓進行充放電試驗。幾個循環，電池充放電數據全部符合技術標準規定的范圍。

第2步在上海至拉薩的編組上運行試驗。把充滿電的電池放入防爆容器內，放在上海至拉薩運行的車輛上進行運行試驗。幾個往返運行后，在上海動車客車段技術支持下，在確保客車車輛運行安全的前提下開始進行充放電試驗。運行試驗數據全部符合技術標準規定的范圍。

第3步再把鉛晶蓄電池組安裝在青藏客車上YW25T 679768，編入上海至拉薩的T163/4次編組進行運行試驗(不載旅客)。往返途中充電放電數據全部符合技術標準規定的范圍。

第4步把安裝鉛晶蓄電池組的YW25T679768等6輛客車編入上海至拉薩的T163/4次的其中同一個編組上進行運行試驗30天。期間，未發現電解液爬極現象和正負極柱硫化現象，由于鉛晶蓄電池本身結構的特點在高原4 500 m及以上海拔下不存在冒泡冒液的可能，充放電容量明顯優于同編組的鎘鎳蓄電池。對鉛晶蓄電池組進行性能測試，主要性能指標數據全部符合技術標準規定范圍。

第5步擴大裝車試驗。

從試裝6輛開始到整列15輛整列編組進行運行試驗，再分散與原廠設計安裝的鎘鎳(燒結)蓄電池組混合編組運行試驗，考察鉛晶蓄電池組與鎘鎳蓄電池組在混編狀態下的相互影響。

在2011年11月對第1階段裝車的6輛編組鉛晶蓄電池組進行性能測試，在原車充電機雙曲線充電模式轉為浮充電壓后，用放電機實行30 A恒流放電3 h，全部主要性能指標數據符合技術標準規定范圍。第2階段：擴裝至T164次全列車(后續11輛車號)

裝車運用考驗時間：2011年1月至2012年12月，為期2年。

充電機技術參數設置及充電曲線仍然使用原廠設計所有參數及雙曲線充電模式。

中車南京浦鎮車輛有限公司生產的青藏客車原設計鎘鎳蓄電池為GNC120，限充電流(20±2)A，當蓄電池箱內溫度為20 ℃時，最大充電電壓為116.7 V，當充電電流低于5 A時，充電電壓降低為111.2 V浮充狀態。

鉛晶蓄電池完全適應這種充電模式，為期2年的運用考驗中主要性能指標完全符合正常的壽命周期規律。

2012年12月對第2階段裝車的11輛編組鉛晶蓄電池組進行性能測試，在原車充電機雙曲線充電模式轉為浮充電壓后，用放電機實行30 A恒流放電3 h，以查看鉛晶蓄電池組在高海拔、低溫、低氣壓等惡劣氣候條件下運用時的鉛晶蓄電池組主要技術參數的變化情況。全部編組數據符合技術標準規定范圍。在運用試驗的2年中，17輛鉛晶蓄電池組在上海至拉薩T163/4次5個編組上與原廠設計安裝的鎘鎳蓄電池組(燒結工藝)混編，在日常庫檢、蓄電池組專項修及A2修、A3修過程未發生任何技術問題及故障，也沒有發生同編組裝車運行的鎘鎳蓄電池組外殼裂損、格拉段(4 500 m及以上海拔)電解液冒泡冒液等故障現象。

擴大裝車的17輛客車鉛晶蓄電池組又從2013年1月正常使用至2015年12月，這批安裝鉛晶蓄電池組的青藏客車，再從上海車輛段轉屬至青藏公司運行。

2011年8月經上海鐵路局車輛處又安排將鉛晶蓄電池組安裝到YW25G679841，編掛在K529/530次上，考慮原設計安裝的鎘鎳蓄電池組GZN-120型限充電壓比鉛晶蓄電池相對較高，在6TM-120 12 V、8節基礎上，串聯3TM-120 6 V、1節，從而相對降低每個電池單元的充電電壓，符合鉛晶蓄電池充電壓要求；又考慮鉛晶蓄電池組整組電壓較同編組安裝鎘鎳蓄電池組相對較高，為避免鉛晶蓄電池組在斷開全列車停止供電的瞬間放電不致過高，在鉛晶蓄電池組中串聯了二極管限壓器(4個二極管串聯與1個二極管并聯，4個二極管與放電電流正向串聯，1個二極管與充電電流正向串聯)。在經過為期2年的考驗運行，取得預期效果后，從2014年9月起在上海鐵路局范圍逐年擴大裝車使用。

鉛晶蓄電池組在25G型客車上使用，既不用補充離子水，也不存在電解液“爬極”、電極“硫化”等通病，更不存在因電解滲漏導致蓄電池箱體腐蝕，從而大大節省了庫檢車電職工維護工作量。鉛晶蓄電池組備用存放時自放電極小，在運行過程中性能穩定電量充沛。

4 結 論

通過對鉛晶蓄電池的使用壽命、高低溫測試、安全性檢測、簡化檢修、成本分析及裝車使用過程中跟蹤測試。證明鉛晶蓄電池在軌道交通車輛中完全可行。鉛晶蓄電池定會為軌道交通事業提供便捷、安全的可靠電源。