城轨车辆蓄电池供电及常见故障分析

来源:用户上传      作者:

　　摘要：本文对目前城轨车辆普遍使用的各种蓄电池进行了性能分析与比较;对一些比较常见的故障进行了归类分析，并给出了相应解决方案。
　　关键词：城轨车辆;镉镍电池;铅蓄电池;锂电池
　　
　　1 概述
　　蓄电池在城轨车辆中作为应急直流电源系统，在列车无网压时，为车辆紧急负载进行供电。蓄电池充满电的状态下，一般要求能为紧急负载供电45分钟以上，供电45分钟后，蓄电池的电量足以使列车再次激活。目前城轨车辆常用的蓄电池种类包括铅蓄电池、镉镍电池，未来发展前景比较大的有锂电池。
　　2 常见蓄电池的种类及选型
　　2.1 铅蓄电池
　　2.1.1 铅蓄电池的工作原理
　　铅蓄电池内的阳极为二氧化铅（PbO2），阴极为铅金属（Pb），浸到电解液稀硫酸（H2SO4）中，两极间会产生2V的电压，当形成回路后就会形成电流，并作为一个可逆反应可以进行充放电。
　　放电反应：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4
　　充电反应：PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb
　　2.1.2 铅蓄电池的输出特性
　　下面以昆明项目为例，对铅蓄电池的主要特性进行分析，昆明项目选用的是DTM型密封铅酸蓄电池，每列车2组蓄电池组（每组含53个单体），容量为160Ah。
　　（1）蓄电池端电压与放电电流及放电时间关系曲线（C5=160A）：
　　
　　由图可知，铅蓄电池短时间内能够维持比较稳定的输出，随着放电时间越长，当容量减小到一定的量时，蓄电池输出端电压会突变式的降低。并且随着放电电流的增大，蓄电池输出端电压及放电持续时间都随之减小。
　　（2）蓄电池充电特性：
　　
　　上图所示为蓄电池放电深度分别为50%和100%時，用限流为0.2C5，恒压2.27V对单体进行充电的特性曲线。充电初始阶段，充电电流和单体电压都是线性增长，当容量达到一定程度后，单体电压趋近于充电电压，而充电电流趋近于零，充电量趋近100%。
　　2.2 镉镍电池
　　镉镍电池是指采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带（或镍带）中，经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压片等方法制成极板;用聚酰胺非织布等材料作隔离层;用氢氧化钾水溶液作电解质溶液;电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。
　　2.2.1 镉镍电池的工作原理
　　镉镍电池单体标称电压为1.2V，有圆柱密封式（KR）、扣式（KB）、方形密封式（KC）等多种类型。具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等特点，但存在“记忆”效应，常因规律性的不正确使用造成电性能下降。
　　镉镍电池的电池表达式为：（）Cd︱KOH︱NiOOH（+）
　　电池反应为：
　　放电时：Cd+NiO+2H2O→Ni（OH）2+Cd（OH）2
　　充电时：Ni（OH）2+Cd（OH）2→Cd+NiOOH+H2O
　　2.2.2 镉镍电池的输出特性
　　以深圳一号线为例，每组由80个单体额定电压为1.2V的镉镍蓄电池单体组成，每组容量为140AH，共两组。为获得车辆蓄电池的输出特性，同时对容量值进行验证，通常试验中以恒定的电流进行充电，电流值取0.2C5，也就是28A进行试验。
　　（1）以28A的恒定电流充电获得的蓄电池电压曲线：
　　
　　由上图可知，随着充电的进行，在一定时间内，蓄电池电压随时间稳步上升。当电压值上升到120V左右时出现急剧上升，当到达一个约145V的峰值时，会平稳下降直至试验结束。出现急剧电压急剧上升的现象，是因为电压值达到120V左右时，电解液中正极开始产生气泡（氧气），这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减小，所以电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升，这是接近充足电的信号。电解液产生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合，氧气的产生和复合是放热反应。随着充电继续进行，电池过充电不停地产生氧气，从而使电池内的温度和压力升高，温度的急剧升高会导致电压值的下降，从而出现峰值。
　　（2）以28A的恒定电流放电获得的蓄电池电压曲线：
　　
　　由上图可知，将蓄电池以28A恒定电流进行5h的放电时，蓄电池电压平稳下降，并且5h后蓄电池电压依然有88V。也就是说，单组蓄电池释放140Ah的容量时，其单体的电压依然高于1V，满足车辆性能要求。
　　2.3 锂电池
　　锂电池是目前世界上广泛应用的最新一代的充电电池，其负极材料是碳材料，正极是含锂的过渡金属化合物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等，电解质是锂盐的有机溶液或化合物的二次电池。
　　锂电池的工作原理。锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。以典型的液态钴酸锂离子为例，负极材料为石墨，正极材料为LiCoO2，其充放电原理为：
　　·正极反应：LiCoO2→Li1xCoO2+xLi++xe
　　·负极反应：6C+xLi++xe→LixC6
　　·电池总反应：LiCoO2+6C→Li1xCoO2+LixC6
　　3 蓄电池的常见故障与排查
　　3.1 鼓包以及漏液
　　广州售后现场对回库车辆检查时发现四个蓄电池箱发热严重，高达47.8度。次日再次检查时，四个蓄电池箱体内的单体全部出现鼓包，并有漏液现象。 　　3.1.1 原因分析
　　蓄电池出现鼓包并因此而导致的漏液现象往往是由于过充而引起的。
　　（1）蓄电池内部原因分析：
　　蓄电池为了实现密封需要实现内部气体循环，设计正、负极板活物质在充电过程中的异步复原反应，即当正极板活物质完全充电恢复后，负极板活物质还未完全转变为海绵状铅。这样，充电末期当正极开始产生氧气时，负极板还未变成完全充电状态，可以最大限度抑制氢气的产生，同时又能消耗所产生氧气。
　　反应式：
　　正极：4OHˉ4e→O2+2H2O
　　负极：2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O
　　2PbSO4+4H++4eˉ→2Pb+2H2SO4O2+H2O+4e→4OHˉ
　　由反应式可知，在氧气循环的过程中，蓄电池容量不会发生变化，电能全部转化为热能释放。所以，氧循环的好处是减少了水损失，坏处是蓄电池会发热。
　　当蓄电池长期工作在这种状态时，蓄电池产生热量并不断积累，直到蓄电池外壳发生热软化变形。而蓄电池热变形时，由于内部气压高，所以蓄电池出现鼓胀现象，出现漏酸和漏气问题，从而使蓄电池急性失效。
　　（2）充电机充电方案分析：
　　充电机最大输出电压限定值为137.5V，充电机在正常情况下，按照先恒流后恒压，然后再浮充降压充电方式，具体过程如下：先按照90A充电10分钟，如果10分钟内电压上升到快充曲线，则会按照快充曲线充电，10分钟后，如果电流高于36A，则限流36A充电，如果低于36A，则直接进入浮充模式，对于40℃以上，按照40℃来处理，先限流90A，10分钟后，转浮充。
　　充电机过充原因：（1）PT100测温探头灵敏度不够，延迟5分钟，随温度升高未能及时进行补偿从而导致过充;（2）10分钟90A的大电流充电导致过充的风险较大，特别是在蓄电池本身温度偶然出现较高的情况时。
　　3.1.2 解决措施
　　车辆充电机具有过压保护功能，最高设定电压值为DC137.5V，也就是使单体充电电压超过1.7V。鉴于充电机的保护可靠性，并且充电机存在一定故障率，所以给出如下解决方案：在充电机给蓄电池的充电回路上增加一个整定值为130V的自恢复过压保护继电器，从而防止蓄电池的长时间过充，实现充电机故障时的双重保护，延长蓄电池的使用寿命。
　　3.2 严重馈电
　　8月20日调试车间，WXL1T9TC1车蓄电池电压馈电到约25V，而调试车间配置的外接110V大型程控充放电机最低充电电压为50V，无法满足充电要求。对该蓄电池的单体电池模块进行了测量，发现单体模块电压不均衡，部分单体电压几乎为0，部分高于1V（正常单体电压为1.2V左右），单体电压的严重不均衡導致充不进电。
　　3.2.1 原因分析
　　蓄电池之所以出现如此严重的馈电是因为长时间的静置蓄电池自放电所致：
　　自放电反应
　　正极：Cd2e+2OHˉ→Cd（OH）2
　　2H2O+2e→H2+2OHˉ
　　2Cd+O2+H2O→2Cd（OH）2
　　负极：NiO2+H2Oe→NiOOH+OH
　　H2+NiOOH+OHˉ→H2O+Ni（OH）2+e
　　2OHˉ+2e→2H2O+O2
　　镉镍蓄电池本身的自放电较小，但考虑到每个单体蓄电池的性能以及电解液的纯度所致，出现了一些单体严重馈电的现象。单体电池进行串联使用时，要求各单体电池的容量和内阻等应尽量接近，当出现某个单体蓄电池馈电到接近于零时，会出现充电在此中断现象，因此只能对单体蓄电池逐一充电，待所有单体模块充电电压达到接近1.2V，再外接大型的充放电机进行正常充电。
　　3.2.2 解决方案
　　采用小型110V充电机对单体蓄电池进行限流充电。
　　蓄电池标注单体容量为140Ah，充电电流为容量的20%，即140*20%=28A，充电电流只要低于28A就不会造成充电过流。当串接电阻后，确认充电电流低于28A即可对单体进行充电。按以上方法逐一对馈电的单体模块进行充电，待所有单体模块达到正常单体电压时，改用外接大型充电机对整个蓄电池组进行正常充电。
　　3.3 短路
　　短路是蓄电池使用过程中重点防范的问题，车辆电路中自带熔断器和MCB开关防止短路造成的过流现象。即使具有保护装置，有时因保护装置的灵敏性以及人为的过失，故障偶有发生，短路会瞬间产生很大的电流，具有很强的破坏性，2012年伊兹密尔项目蓄电池发生短路起火事故。
　　3.4 解决措施
　　针对于避免蓄电池的短路故障，在保证保护装置功能正常的同时，作业人员须按照安全要求作业。对于已经发生的短路事故，需对蓄电池进行绝缘性试验，破坏比较严重的蓄电池进行及时更换。
　　
　　通过测量出漏电等效电阻可以判断其绝缘性能，一般要求蓄电池的对地电阻大于1MΩ，对于绝缘性能达不到要求的应进行拆卸更换。
　　4 总结
　　本文通过着重对铅蓄电池、镉镍电池和锂电池的工作原理和特性进行了分析比较，为蓄电池的故障分析工作奠定了基础。归纳了蓄电池供电模块常见的故障，对各种故障从原理上进行了分析并提出了解决方案，具备一定的借鉴意义。
　　参考文献：
　　[1]李诗逸.TGB4C型DC/DC充电机维修手册.2014.
　　[2]深圳地铁一号线蓄电池维护手册.2014.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15133314.htm