軌道車蓄電池組虧電故障的診斷分析

蘇 鵬

（國能新朔鐵路有限責任公司供電分公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

我國被譽為基建強國，在道路交通運輸以及人們出行生活等基本設施的建設方面，我國投入了大量的人力物力和財力資源，促成了現在四通八達的交通網絡體系，軌道交通作為連接各個城市之間的橋梁，軌道交通運輸促進貨幣的流通，推動城市的經濟發展。軌道車的主要作用為運輸貨物，是鐵路部門施工部門用于執行任務時用到的主要交通工具。在道路交通事業發展前期應用較多的為機械傳動軌道車，隨著現代動力裝置的不斷推進，軌道車已經由機械傳動發展為電傳動，目前的電傳動軌道車數量較少，應用最多的為機械傳動。

軌道車作為常見的機車類型，有負責鐵路運輸的軌道車輛，也有負責載客的城市內部軌道交通車，主要有電力機車、內燃機車、鐵路客車、地鐵等。其主要構成部位是相同的，車體、車門系統、車體連接裝置、制動系統、電力牽引系統、空調和通風系統、輔助電源系統、列車通信系統、列車控制系統與列車監控系統。蓄電池是電傳動中必要的一個裝置，蓄電池擁有可逆的電—化學能量轉換功能，是能夠進行放電、充電多次循環使用的直流電裝置，充電時蓄電池將電能轉換為化學能儲存起來，放電時又可以將化學能轉換為直流電將電能釋放出來。除了用于電動機器的供電能源外，蓄電池儲存的電量還可以用來給啟動機提供強大的啟動電流，為車內車用電器，例如音響系統、照明系統等提供電量。我國目前對于蓄電池的功能正在著力研究中，電能將用于多個行業領域的供電系統中，重點研究將其他新能源轉換為電能的技術與方法，并將轉換技術應用于新能源行業中，擴大其應用范圍，減少化學燃料的燃燒。

1 軌道車蓄電池的應用現狀

軌道車輛內部多個系統中都需要配置可靠性較強、不間斷供電的電源系統，這些電源系統需要配備大量的蓄電池。蓄電池可以為高鐵、地鐵等軌道車輛提供應急照明，提供基礎的電力支持，保證基礎的車輛運行機制的應用。當前蓄電池的應用主要為鉛酸蓄電池和鎳鎘堿性蓄電池，其中鉛酸蓄電池是應用范圍最廣、產量最大的一種，也是軌道交通車輛運用最多的一種蓄電池。隨著城市化進程的加快，軌道交通車輛將會越來越多，尤其是在城市內部軌道交通車輛的應用中，蓄電池作為主要的配件，會被廣泛應用于行業中。未來會對蓄電池展開分類研究，不同用途的軌道交通車輛、不同系統對于供電的需求，根據其主要功能研究專類用途的蓄電池。

2 導致軌道車蓄電池組虧電故障的原因

2.1 電氣系統回路接線有誤

現代化軌道交通車輛在保證平穩運行的前提下還要提供人們安全舒適的乘坐體驗，電氣系統作為軌道車輛中最重要的構成體系之一，現代化軌道交通車輛應用PLC 控制技術對電氣系統進行管理控制，其信息化和智能化技術水平較高。電氣系統中存在數量較多且布線復雜的電纜，現代布線工藝在傳統布線工藝的前提下技術有所提升，操作更加智能化、現代化。相關工作人員提前安裝好電氣柜、線管、設備零部件和線槽等，確定電纜長度及規格型號，隨后進行安裝，現代安裝方法是基于傳統布線的方法之上按照模塊式的方式展開布線。電氣系統的回路中會存在很多不同長度、不同型號的電纜，若存在電纜搭錯的失誤，很有可能導致整個電氣系統不能正常運行。電氣系統出現故障，蓄電池在供電時無法正常輸出，無法進行化學能—電能的轉換。

2.2 充電機容量選型過小

充電機作為蓄電池組充電的裝置，其容量大小、選型等也會影響蓄電池組的正常運用，在選擇充電機規格時應根據輸出電量的值、蓄電池組的大小規格確定充電機的容量選型。通過計算蓄電池組的充電電壓，進而確定充電機電壓，其計算公式為電池節數×每節電池的電壓數，比如蓄電池組是5 節12 V 的電池，充電電壓就是5×12＝60 V，應當選擇60 V 的充電機。充電機的電流計算公式為每節電池的安時數，乘以0.15～0.18，即是充電電流。目前市場上充電機的規格類型較多，在選擇充電機類型時要考慮多方面的影響因素。軌道車蓄電池組的充電機容量過小，在運行過程中可能因為充電量過小導致蓄電池組的虧電故障。

2.3 充電機質量問題

目前市場上有各種不同規格型號的充電機，其質量也參差不齊，在選擇充電機時盡量選擇大品牌充電機，大品牌充電機對內部充電曲線有著嚴格的要求，機械式充電機適用于要求不高的加液電池，而新能源行業的電動車充電機主要是智能電子充電機。質量不高的充電機其內部充電曲線在長時間使用后出現斷裂或者錯亂的情況，導致充電機無法正常使用，無法為蓄電池提供電量。因此，充電機的自身質量出現問題也會導致蓄電池組的虧電故障。

2.4 蓄電池組容量選型過小

蓄電池的容量選型必須滿足軌道車運行的要求，軌道車需要根據用電需求進行計算，最終得出適用的蓄電池組容量選型大小，計算公式為（實際輸出功率/電池電壓）×延時時間=蓄電池組總容量。軌道車蓄電池組容量選型過小，比如電池組浮充電壓設置低，導致電池組浮充充電不足，蓄電池組在放電時就不能放出額定容量，電壓過低導致蓄電池組虧電，不能滿足自放電和氧循環的需要，如果放出的額定電壓過高，則會損失電解液，縮短電池的壽命。因此在蓄電池組在發生虧電故障時要考慮是否因其容量選型太小導致的。

2.5 蓄電池組質量問題

當蓄電池組出現虧電故障時要考慮其電池設備是否存在質量問題，如果是電池內部硫化過快，加快電池使用壽命的衰減，則會出現電池鼓包或續航不夠的問題。因此，當蓄電池組出現虧電故障時要考慮其內部是否出現質量問題。

2.6 充電機等相關電纜破損

電纜作為電能傳輸裝置，充電機的電能輸送都是依靠電纜，如果在電能輸送的過程中電纜出現破損，會導致充電機向蓄電池組輸送的電能無法到達，蓄電池無法儲蓄電能能量，進而導致蓄電池組出現虧電故障。因而，在蓄電池組出現虧電故障時需要檢查其運送電能的電纜裝置是否出現破損，阻斷電能輸送。

3 實驗驗證分析

3.1 電氣系統回路檢查

針對導致虧電故障出現的可能因素有多種，在虧電故障相關儀器設備檢查時需要逐一進行排查。首先是電氣系統回路檢查，電氣系統內部組成的各個部分都需要打開進行檢查，打開整個車廂內部的電氣接線板、直流電器柜進行檢查，對構成電氣系統的元器件要進行逐一排查，如端子排、斷路器、微機控制器、DC/DC 電源模塊、PWM 油門輸出控制器、中間繼電器等，看其是否處于正常工作對狀態，對電氣系統內部的供電線路也要進行檢查，有無錯接、漏接、虛接的現象，接地線是否安裝牢靠穩固等。最后是檢查電氣系統司機面板控制部位的按鍵是否存在問題，對所有功能按鍵進行靜態測試，看其是否存在異常。

3.2 充電機容量選型檢查

充電機容量選型的檢查要通過計算分析來得出，充電機有其額定功率、額定電壓和額定電流，計算軌道車充電機所需要的實際功率，看其是否超出現有充電機最大的功率、額定電壓及額定電流值，軌道車所使用的實際功率以不超過其最大使用功率為主，核查是否滿足軌道車實際用電需求。以軌道車冬季夜間所使用的電氣系統各個元件使用功率為準（表1），判斷其實際使用功率是否超出充電機最大功率。經過計算分析后排除充電機容量選型這一影響因素。

表1 負載功率

3.3 充電機質量檢查

針對充電機質量導致其蓄電池組虧電故障的問題，對充電機質量進行檢查，包括檢查充電機外觀是否出現損壞，有無碰撞變色的痕跡，充電機發電電纜的接線處連接是否正常穩固，電纜上方有一壓接電纜的螺栓，看其是否出現松動，以上檢查便可判斷充電機質量是否存在故障問題。判斷充電機是否出現電氣故障，需要用鉗形多用表檢測充電機在不同運行狀態下的發電數據，從而判斷是否出現故障，發電機各個部位的發電數據見表2。可以計算出充電機在工作狀態下的最低輸出電壓值，通過數據來判斷當前充電機是否處于正常工作的狀態。

表2 充電機發電數據

3.4 蓄電池容量選型檢查

蓄電池的容量選型需要根據整個軌道車所需要的電池容量大小，通過計算可獲得整個軌道車所需要的電池容量大小，同時軌道車在不同狀態下所需要的電力能量大小是不同的，因此要計算軌道車在不同狀態下的電力需求大小，比如整個軌道車所需要的供電電壓值、最大啟動電流值、一次啟動所需要的容量值、5 次啟動所需要的容量、軌道車應急供電所需要的容量值以及蓄電池的基礎容量等。通過以上計算數值的綜合計算可以得出最終的容量值，并通過最終容量值的確定來選擇合理大小的蓄電池容量。而當蓄電池容量過小時無法滿足軌道車在啟用發動過程中所需要的電流和電壓值。

3.5 蓄電池組的質量檢查

蓄電池組的質量問題檢查包括檢查其外部殼蓋有無損壞，并詳細檢查每只蓄電池的開路電壓是否處于正常工作的狀態，同時檢查蓄電池有無破裂、鼓脹、漏液的現象，安裝的螺栓有無松動的情況，蓄電池的液面是否處于正常范圍值。在選擇蓄電池組時應當選擇質量較好的大型蓄電池生產廠家，知名廠家生產的蓄電池能夠在質量方面提供最大的保證，同時在后期也有完善的維修服務。目前市場生產的蓄電池種類較多，其功能、類型規格方面也不盡相同，有專門的軌道車蓄電池組生產廠家，軌道車所使用的蓄電池組內部采用獨特的結構及多重密封技術，能確保在軌道車較強的振動幅度下，蓄電池也不會滲漏電液，屬于軌道車專用的機車蓄電池。作為軌道車運行的電能供給裝置，蓄電池組在出現虧電故障時應當詳細檢查軌道車所使用的蓄電池組質量是否存在問題。采用鉗形多用表測量蓄電池組在工作狀態下的數據值，包括處于正常工作時的電壓、電流值、功率值等，以此來進行蓄電池組的質量安全檢查。

3.6 電纜檢查

對于電纜的檢查可以翻閱在電纜在安裝之時的各項文件數據，里面詳細記載了電纜的生產廠家及各項使用參數，包括電纜的絕緣材料使用、外皮材料等。一般情況下根據電纜的用途采用特殊的絕緣材料和外皮包裝材料，比如機車專用的電纜，其外皮采用氯磺化聚乙烯橡膠混合物，絕緣材料采用乙丙橡膠混合物，同時機車用的電纜會在安裝布線時外套防護軟管，軟管的材料采用尼龍PA6 材料。在檢查電纜時應當獲得全方位的材料數據及布線時的材料數據，通過材質來判斷是否采用安全可靠的電纜材料，并獲得軌道車在建成之后的各項安全檢驗合格報告，布線施工均按照圖紙設計來執行，經過測試后也合格，就可以排除電纜對于虧電故障的可能性因素。

4 軌道車蓄電池組故障的改善措施

蓄電池組作為軌道車的動力來源，出現故障會影響到軌道車正常的運行，為了避免出現故障或者減少故障出現的次數，對于軌道車蓄電池組應實行必要的檢查與改善措施，改善措施主要有以下3 種。

4.1 檢修改善

軌道車作為重要的交通運輸工具，其安全運行是第一要素，為了保證安全性，在軌道車每次運行之前都應當對軌道車各項運行安全數據進行檢查，尤其是對保證動力來源的蓄電池組進行檢修，在運行前對電池的性能、相關設備器件以及運輸電纜等都進行詳細檢查，對電池的控制板面操作控制按鍵進行檢查，檢查是否能正常操作，以及對蓄電池組的溫度控制機檢查，蓄電池的使用溫度可以反映當前電池當前的使用狀態，超過溫度控制的蓄電池要考慮是否出現故障，超溫現象還關系到蓄電池使用壽命的問題。

4.2 設計改善

設計檢修的過程在于完善蓄電池相關設備的使用性能，比如蓄電池的溫度傳感器在出現故障后應當由應急溫度感應裝置能夠代替溫度傳感器對蓄電池溫度實施監測，在設計的過程中能夠對相關設備的使用性能提出改善措施，使蓄電池在正常應用的狀態下提升使用性能，做好各方面的應急措施管理，在蓄電池發生故障時能第一時間啟動應急管理裝置保證軌道車的正常運行。

4.3 手動改善

當前軌道車運行已經基本實現自動化狀態的運行，但是在出現故障時相關自動裝置基本處于停止運行的狀態，可以考慮采用手動操作改善的方法保證軌道車的正常運行。通過人工控制操作的方法可以在出現故障又無法得到及時救援的狀態下人工操作維修，可以確保軌道車在沒有后期支持的情況下依舊能維持基本的運行。

5 結語

軌道車蓄電池出現虧電故障是常見的一種故障類型，雖然比較常見且普遍，若不加以認真檢查及解決，容易導致軌道車在運行中出現安全風險。蓄電池出現故障可能是單方面或多方面原因導致的，只有究其原因才能找到問題所在并及時解決問題。因此在軌道車蓄電池出現故障時應當進行細致地研究，對蓄電池的連接裝置都進行詳細的分析，在今后軌道車蓄電池的安裝檢驗過程中應避免重復故障的出現，優化電池各項功能使用，并將其應用到其他軌道車的蓄電池安裝中，從而減少故障出現的概率，優化軌道車蓄電池組的使用性能，提升車輛質量及安全可靠性，滿足軌道車日益增長的市場需求。軌道車是未來交通行業的主流，尤其是在城市軌道車的建設使用中，高鐵作為軌道車中常見的一種類型，會是未來交通運輸業的主流，優化蓄電池的使用性能，繼續擴大高鐵覆蓋范圍，增加里程運輸線，是交通行業未來的發展趨勢。