電力機車蓄電池管理系統的應用與研究

鐘永飛

（中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 高碑店 074000）

1 電力機車虧電問題簡介

神朔鐵路進行接觸網檢修時必須停電，機車在線路上必須隨機降弓等待約4～5 h。部分韶山4 改型機車由于蓄電池可供電時間、可供電容量不足，不能滿足現場需要，出現蓄電池電壓過低，不能正常升弓[1]，導致機車出現堵塞區間機破或救援，嚴重打亂了鐵路的正常運輸秩序，造成運輸任務不能順暢進行。

2 機車蓄電池虧電問題原因分析

2.1 機車蓄電池簡介

機車的蓄電池是一種閥控式免維護鉛酸蓄電池，單節蓄電池的標準電壓為2 V，額定容量170 Ah；每節機車由48 節蓄電池串聯，電壓達到96 V，給控制電路供電[2]。

2.1.1 鉛酸蓄電池工作原理簡介

免維護鉛酸蓄電池充電過程是利用充電電源讓內部活性物質再生，把電能以化學能形式儲存，放電過程是把化學能轉換為電能。蓄電池使用AGM 隔板，在蓄電池正負極之間留有氣體通道，讓正極產生的氧氣沿著氣體通道傳遞至負極復合成水，實現無酸霧逸出，無需注水維護的效果[2]，以下是蓄電池充放電化學反應：

2.1.2 蓄電池充電原理

機車受電弓從接觸網取流后，電源變壓器670TC降壓到220 V 后送入半控橋，再通過晶閘管VT1、VT2和二極管VD1、VD2 半控橋式整流及671L、663C 濾波后，成為直流電源[3]。通常情況下，110 V 整流電源與蓄電池并聯運行，向機車控制電路提供110 V 電源，同時蓄電池一直處于均充狀態，沒有轉浮充充電的設計，不是很科學，長期使用容易造成蓄電池性能的下降或損壞。

2.2 機車虧電問題原因分析

2.2.1 外部因素

1）蓄電池負載電流過大。隨著機車功能的不斷擴展，先后加裝了萬噸無線重連、視頻監控、軸溫在線檢測等設備，蓄電池載荷不斷增大，經實際測量放電電流達到11～12 A，理論上放電時間應達10 h 以上。完全可以滿足機車降弓等待約4～5 h 的需要，故此并不是主要原因。

2）蓄電池工作環境惡劣。蓄電池容量會受溫度的影響，圖1 為蓄電池放電容量與溫度的關系曲線，過低溫度（低于-15 ℃）會降低電池有效容量[2]，過高溫度（高于50 ℃）則會導致熱失控并損害電池。但機車出現虧電問題，并不是完全在極端的氣候條件時集中出現，故惡劣的氣候環境只是蓄電池虧電的部分原因，并不是全部原因。

2.2.2 內在因素

在出現故障后，我們逐個對單體蓄電池進行檢查，發現電壓不一致問題。結合理論及維護現狀進行分析：

1）理論分析。蓄電池在出廠時雖有容量匹配篩選，但容量的差異性是不可避免的。電池在串聯工作狀態下，由于單體存在容量差異，在充電過程中產生相應的電壓差異，導致部分蓄電池處于過充或欠充狀態[1-2]，過充的蓄電池加速老化，欠充的蓄電池的儲能不足，直接縮短了放電時間。而在放電過程中，容量低的蓄電池電壓下降較快，當容量低的蓄電池電量全部放出，降低至放電終止電壓1.8 V 時，整組電池的電壓依舊遠未降低至86.4 V（1.8 V×48=86.4 V），此時放電仍然繼續，容量低的蓄電池將處于過放的狀態，直至電壓低于0，此蓄電池就有極大的概率失去再充電能力，從而完全失效。整組蓄電池的電壓也會而大幅跌落，降低至86.4 V 終止供電，而此時容量高的蓄電池仍有部分電量沒有被利用、釋放。如此重復的充放電過程中，單體蓄電池的容量差異也將逐漸增大，整組蓄電池的整體容量將逐漸減小，整體壽命也將大大縮短。

2）維護現狀。在機車使用蓄電池組為機車控制電路供電時，往往未達到設計要求時間，蓄電池便出現虧電情況。在實際的運用中，出于成本的考慮，當整組蓄電池中有某一節電池出現問題時，處理方式是更換問題蓄電池[1]，其余蓄電池繼續使用。這種做法直接造成整組蓄電池中單體容量存在差距，虧電隱患將持續存在。

由此，可以基本確定蓄電池組內的單體蓄電池的容量差異，隨著蓄電池的使用時間而不斷增大，是導致蓄電池整體虧電的主要原因。

3 蓄電池容量差異的解決方法

我們利用電力電子技術，將部分能量從整組電池抽出，補充到容量偏低的電池上，補償能力強，將成組電池壽命提升到接近單體電池壽命水平。

電路按充電或放電電流的大小，按一定比例（一般低于20%）控制開關電源的總體輸出功率，經高頻變壓器后分為N 個隔離的補充電源，經整流后分別給各單體電池提供補充電流，這些電源的輸出阻抗在設計時基本保持一致，充電情況下在各單體電池電壓相等時，它們從各供電電源所獲取的電流是基本一致的。而當電池電壓本身差異產生時，電壓高的電池將會獲得較少甚至得不到補充的充電電流，而電壓較低的電池會從變壓器獲取更大的電流，從而使各電池充電電壓得到均衡。放電時，各補充電源在電池電壓一致時是均勻為每個單體電池補充的，在某些容量偏低的電池電壓下降較快時，其補充電源同理會自動提供更大的補充電流，相反容量偏高的電池將減少得到的補充電流。極限情況下，某單體電池完全損壞時，其補充電源會將足夠能量補充到這一節電池，取代本節電池本身，保證整組電池在正常端電壓情況下釋放出所有的容量（電路框圖如圖2 所示）。

上述電路在均衡充電時提供最大10 A 均衡電流；放電時，在12.5%的單體電池完全失效時，仍可保障未失效電池的容量正常輸出供電。

4 驗證試驗

模擬機車實際工況，選取48 節蓄電池（48 節蓄電池中12 節電池容量低于80%，其余36 節為新電池）。采用電阻器作為放電負載，電阻器阻值為9.3 Ω，計算得到放電電流為：96÷9.3≈10 A。

4.1 試驗過程

第1 次將蓄電池組充滿電量，在蓄電池管理系統裝置不工作的情況下，直接使用蓄電池作為電源，電阻器作為負載，進行放電試驗，同時監測蓄電池組的總電壓，當蓄電池組總電壓低于86.4 V 時，停止放電，記錄放電時間。第2 次將蓄電池組充滿電量，蓄電池管理系統裝置開啟工作，使用同樣的放電條件，進行放電試驗，直至總電壓達到86.4 V 時，記錄放電時間。比較兩次放電時間，即可驗證系統裝置的功能，如圖3 所示。

4.2 試驗記錄

4.2.1 第一次試驗

進行48 節電池充電，充電采用DC110 V 直流電源充電，電壓穩定在110 V，電流10 A。

08：30，切斷充電電源，電壓即下降至109.6 V。

08：30，開始放電，放電負載為9.3 Ω 電阻器。

08：36，出現電壓低于1.8 V 的單體電池，三個。

08：43，總電壓95.2 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有四個。

08：53，總電壓95.4 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有五個。

09：02，總電壓95.2 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有七個。

10：49，總電壓90.1 V，電壓低于1.8 V 的單體電池有八個。同時一個電池電壓出現負值，表示其電量全部放空。

11：08，電池組總電壓降低至86.4 V。

第1 次試驗放電時間為2 h 38 min。

4.2.2 第二次試驗

進行48 節電池充電，充電采用DC110 V 直流電源充電，電壓穩定在110 V，電流10 A。

08：30，切斷充電電源，電壓即下降至109.6 V，開啟蓄電池管理系統裝置。

08：30，開始放電，放電負載為9.3 Ω 電阻器。

11：51，放電電壓92.5 V，電流9.92 A，電量顯示剩余20%。

15：30，總電壓90.0 V，電流9.76 A。

16：18，總電壓86.4，電流9.44 A。

關閉放電電阻器，試驗結束。

第2 次試驗放電時間為7 h 48 min。

4.3 試驗結論

通過試驗驗證，可以證明投入蓄電池管理系統后，蓄電池放電時間明顯延長，能夠滿足接觸網檢修停電后機車的使用需求。

5 結語

通過使用蓄電池管理系統對機車串聯蓄電池組充、放電過程的有效管理，能大大減少單體電池因充、放電不均衡而產生的失效。同時能對因其它原因失效的單體電池采用能量轉移的方式進行替代，從而延長整組串聯電池組的壽命，確保鐵路正常的運輸秩序和運輸任務的順利完成。