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，并給出了相應解決方案。

關鍵詞：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急直流電源系統，在列車無網壓時，為車輛緊急負載進行供電。蓄電池充滿電的狀態下，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，兩極間會產生2V的電壓，當形成回路后就會形成電流，并作為一個可逆反應可以進行充放電。

放電反應：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

充電反應：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系曲線（C5=160A）：

由圖可知，鉛蓄電池短時間內能夠維持比較穩定的輸出，隨著放電時間越長，當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，氫氧化鎳作正極活性物質的堿性蓄電池。正、負極材料分別填充在穿孔的附鎳鋼帶（或鎳帶）中，經拉漿、滾壓、燒結、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溶液;電極經卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內。

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、循環和貯存壽命長、能以較大電流放電等特點，但存在“記憶”效應，常因規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，蓄電池電壓隨時間穩步上升。當電壓值上升到120V左右時出現急劇上升，當到達一個約145V的峰值時，會平穩下降直至試驗結束。出現急劇電壓急劇上升的現象，是因為電壓值達到120V左右時，電解液中正極開始產生氣泡（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。電解液產生的氧氣能很快在負極板表面的電解液中復合，氧氣的產生和復合是放熱反應。隨著充電繼續進行，電池過充電不停地產生氧氣，從而使電池內的溫度和壓力升高，溫度的急劇升高會導致電壓值的下降，從而出現峰值。

（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：LiCoO2→Li1xCoO2+xLi++xe

·負極反應：6C+xLi++xe→LixC6

·電池總反應：LiCoO2+6C→Li1xCoO2+LixC6

3 蓄電池的常見故障與排查

3.1 鼓包以及漏液

廣州售后現場對回庫車輛檢查時發現四個蓄電池箱發熱嚴重，高達47.8度。次日再次檢查時，四個蓄電池箱體內的單體全部出現鼓包，并有漏液現象。

3.1.1 原因分析

蓄電池出現鼓包并因此而導致的漏液現象往往是由于過充而引起的。

（1）蓄電池內部原因分析：

蓄電池為了實現密封需要實現內部氣體循環，設計正、負極板活物質在充電過程中的異步復原反應，即當正極板活物質完全充電恢復后，負極板活物質還未完全轉變為海綿狀鉛。這樣，充電末期當正極開始產生氧氣時，負極板還未變成完全充電狀態，可以最大限度抑制氫氣的產生，同時又能消耗所產生氧氣。

反應式：

正極：4OHˉ4e→O2+2H2O

負極：2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

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

由反應式可知，在氧氣循環的過程中，蓄電池容量不會發生變化，電能全部轉化為熱能釋放。所以，氧循環的好處是減少了水損失，壞處是蓄電池會發熱。

當蓄電池長期工作在這種狀態時，蓄電池產生熱量并不斷積累，直到蓄電池外殼發生熱軟化變形。而蓄電池熱變形時，由于內部氣壓高，所以蓄電池出現鼓脹現象，出現漏酸和漏氣問題，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致過充;（2）10分鐘90A的大電流充電導致過充的風險較大，特別是在蓄電池本身溫度偶然出現較高的情況時。

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的自恢復過壓保護繼電器，從而防止蓄電池的長時間過充，實現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日調試車間，WXL1T9TC1車蓄電池電壓饋電到約25V，而調試車間配置的外接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，發現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致充不進電。

3.2.1 原因分析

蓄電池之所以出現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

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，出現了一些單體嚴重饋電的現象。單體電池進行串聯使用時，要求各單體電池的容量和內阻等應盡量接近，當出現某個單體蓄電池饋電到接近于零時，會出現充電在此中斷現象，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開關防止短路造成的過流現象。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，故障偶有發生，短路會瞬間產生很大的電流，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，作業人員須按照安全要求作業。對于已經發生的短路事故，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進行拆卸更換。

4 總結

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。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.