劉濤 西安市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司

西安地鐵二號(hào)線每列車裝備2 個(gè)蓄電池箱，位于Tc 車下，用以裝載蓄電池組。蓄電池箱集機(jī)械強(qiáng)度高、密封性好、安裝便捷，由78 個(gè)固定式鎳鎘蓄電池單體組成，型號(hào)為FNC-160-MR，容量給160AH。架修時(shí)需要對(duì)蓄電池組進(jìn)行一次全面的維護(hù)，其維護(hù)方式主要為進(jìn)行充放電循環(huán)（通常為三充三放），放電采用I5（放電率時(shí)5 小時(shí)）衡流放電，充電方式為IU 充電特性曲線式充電，以恒流I5 充電7.5 小時(shí)以上，要求最后一次放電時(shí)間超過4.5h，單體電壓在1V以上的為合格，若是在第二次放電過程中出現(xiàn)饋電的單體則為故障單體，需更換單體，更換單體需在第三次放電前進(jìn)行。

一、應(yīng)用中遇到的典型故障

架修過程中普遍存在個(gè)別蓄電池單體在放電中饋電導(dǎo)致放電時(shí)間不足4.5 小時(shí)的情況，通常更換這些故障單體可使蓄電池組性能恢復(fù)，但在其中一列車蓄電池架修中通過上述方法不僅無法恢復(fù)性能，且在正線運(yùn)行中出現(xiàn)了溫度過高的問題。進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該蓄電池組9 位、17 位、26 位、33 位、57 位、59 位、64 位、68 位共8 個(gè)單體液面下降較為嚴(yán)重，該蓄電池組整體溫度較高，個(gè)別單體溫度達(dá)到42℃，較之1 車蓄電池組最高溫度高出20℃，當(dāng)日對(duì)缺液?jiǎn)误w添加蒸餾水。后續(xù)對(duì)故障蓄電池組進(jìn)行充放電試驗(yàn)，在蓄電池充放電過程中對(duì)每一塊單體的溫度、電壓進(jìn)行了檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何一塊單體出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，但在放電過程中發(fā)現(xiàn)該蓄電組10 位、31 位、37 位、45 位、49 位共5 個(gè)單體存在比較嚴(yán)重的饋電問題，與之前發(fā)現(xiàn)缺液故障單體位置不一致。當(dāng)日放電完成后，對(duì)出現(xiàn)饋電的5 個(gè)單體進(jìn)行更換重新上車使用后，狀態(tài)一直良好，徹底解決了單體液面下降較為嚴(yán)重的問題。

二、問題原因排查

蓄電池組下車后，觀察故障蓄電池組外觀，測(cè)量蓄電池組絕緣電阻，未發(fā)現(xiàn)異常，排除蓄電池漏液的可能。造成蓄電池單體液面下降過快，是由于以下兩個(gè)原因造成：（1）蓄電池組工作時(shí)溫度過高造成水蒸發(fā)過快；（2）在蓄電池浮充階段，個(gè)別單體電解水能力過強(qiáng)，水消耗過快?；谝陨蟽煞N原因，提出4 種可能原因，并針對(duì)這4 種可能原因進(jìn)行逐一排查。

（一）逆變器供電電壓異常

蓄電池組在電客車運(yùn)行中長(zhǎng)時(shí)間工作在浮充狀態(tài)，過高的浮充電壓必定會(huì)增大蓄電池組的充電功率，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池組發(fā)熱量的增大。但在更換了蓄電池組后的跟蹤測(cè)量中，并未再出現(xiàn)蓄電池組溫度過高的情況，排除該列車浮充電壓?jiǎn)栴}。

（二）極板及電纜產(chǎn)生銅綠

連接極片及電纜多為銅芯材質(zhì)，銅在空氣中氧化遇水結(jié)合生成銅綠，銅綠不導(dǎo)電，反而會(huì)增加連接部分的內(nèi)阻，加劇蓄電池的電量消耗和自放電程度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起過度發(fā)熱，導(dǎo)致蓄電池組過熱。通過逐一排查接線端子，未發(fā)現(xiàn)銅綠，可以排除此項(xiàng)原因。

（三）蓄電池電解液密度異常

蓄電池單體的密度會(huì)影響蓄電池單體內(nèi)阻，內(nèi)阻的差異會(huì)造成蓄電池在浮充階段分配的電壓不同，從而造成功率的差異，內(nèi)阻較大的單體消耗功率較高，發(fā)熱較多。蓄電池架修作業(yè)時(shí)，為保證電解液密度相對(duì)一致，在恢復(fù)蓄電池液位到最大刻度線靜置72 小時(shí)后，對(duì)蓄電池電解液的密度進(jìn)行測(cè)量，保證每個(gè)單體密度在1.18-1.20kg/L 之間，可以排除此項(xiàng)原因。

（四）個(gè)別單體性能異常

性能落后的單體由于所能達(dá)到的最大電壓低于平均值，就使得正常的單體被分配到更大的電壓，蓄電池單體電壓的升高會(huì)使得其內(nèi)部電解水反應(yīng)加劇，電解水反應(yīng)放出的熱量高于電極反應(yīng)放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升。對(duì)單體來說性能越好，浮充階段所能達(dá)到的最大電壓越高，其被分配到的電壓也越大，使這些單體電解水的能力高于其他單體，造成的液面下降也越多。該原因符合本次觀察到的故障現(xiàn)象，初步判定為該車個(gè)別蓄電池單體液面下降過快是由于各別單體性能異常造成。

三、問題原因進(jìn)一步分析

當(dāng)蓄電池組經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于其內(nèi)部產(chǎn)生的電極極化現(xiàn)象，個(gè)別單體會(huì)出現(xiàn)性能落后的情況，性能落后的蓄電池單體其可反應(yīng)的活性物質(zhì)的總量與表面積均有所下降，所以其容量及所能達(dá)到的最大電壓均有所下降。在長(zhǎng)期浮充狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于SIV給出的總的浮充電壓是一定的，而故障單體由于其所能達(dá)到的最大電壓低于正常單體，使得正常單體分得的電壓升高，故障蓄電池組單體電壓分布如圖1 所示。

●：?jiǎn)误w電壓＜1.4V

●：1.4V ＜單體電壓＜1.5V

●：1.5V ＜單體電壓＜1.6V

●：1.6V ＜單體電壓＜1.7V

●：1.7V ＜單體電壓

蓄電池單體浮充過程中分為三個(gè)階段：第一階段電極活化階段，電勢(shì)穩(wěn)步上升；第二階段電極間電壓穩(wěn)定在1.4V 左右，穩(wěn)定的充電開始；第三階段電極反應(yīng)基本結(jié)束，電勢(shì)繼續(xù)上升，電解水反應(yīng)開始，最終穩(wěn)定在1.7V 左右。而故障蓄電池單體在浮充第三階段時(shí)，其電壓范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的蓄電池單體。如圖2 所示當(dāng)鎳鎘蓄電池單體電壓在達(dá)到1.45V 時(shí)發(fā)生析氧反應(yīng)，電解水反應(yīng)部分發(fā)生，產(chǎn)生熱量，此時(shí)析出的氧氣可被傳輸?shù)芥k電極上被還原為水，但是到1.51V時(shí)發(fā)生析氫反應(yīng)，電壓的升高會(huì)使得其內(nèi)部電解水反應(yīng)加劇，電解水反應(yīng)放出的熱量高于電極反應(yīng)放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升。對(duì)單體來說單體性能越好，浮充階段所能達(dá)到的最大電壓越高，其被分配到的電壓也越大，使這些單體電解水的能力高于其他單體，造成的液面下降也越多的主要內(nèi)因。

圖1 故障蓄電池組單體電壓分布情況圖

圖2 蓄電池浮充每個(gè)階段的電壓變化曲線

四、維護(hù)建議

對(duì)該類問題，目前架修過程中現(xiàn)有的處理方法有很大的局限性，通過放電實(shí)驗(yàn)不斷找出故障單體進(jìn)行更換。每更換一次故障蓄電池單體，該組蓄電池的放電時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)一段時(shí)間，而放電時(shí)間每延長(zhǎng)一段，又會(huì)有新的饋電的單體浮現(xiàn)出來，通過這種方法，可以逐漸恢復(fù)蓄電池組的性能，但需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)狀，提出了以下的維護(hù)建議：

（1）車載逆變器充電，一般為快速充電法時(shí)，充電電流較大。充足電后，如果不及時(shí)停止快速充電，電池的溫度和內(nèi)部壓力將迅速上升。內(nèi)部壓力過大時(shí)，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的粘稠性增大。從鎳鎘電池快速充電特性可以看出，充足電后，電池電壓開始下降，電池的溫度和內(nèi)部壓力迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，車載逆變器充電可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制等多種方法綜合來改善充電效果。

（2）新的鎳鎘電池，新生狀態(tài)的極板氫氧化鎘晶體，截面直徑1μm，在電解液中暴露的表面積大。隨著電池的長(zhǎng)期使用，在極板上慢慢生成晶狀體，晶體截面直徑長(zhǎng)達(dá)50～100μm，使電解液中大部分活性物質(zhì)消失，而且邊緣可刺穿隔膜，導(dǎo)致自放電增大或電氣短路。建議使用蓄電池活化儀定期對(duì)蓄電池組進(jìn)行維護(hù)，其運(yùn)用復(fù)合脈沖電壓“沖擊”活性物質(zhì)晶粒，干擾其存在和生長(zhǎng)，把蓄電池鈍化的“不可逆”變成“可逆”，正確選取或變換脈沖頻率，以較小的電流密度對(duì)正極板充電，使晶粒活躍起來，從而得到分解，可以有效地解決極板鈍化問題。修復(fù)后的電池，晶體顆粒變小至3～5μm，電池性能基本能夠得到恢復(fù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合西安地鐵二號(hào)線電客車在架修過程中遇到的蓄電池組問題，分析研究得出，蓄電池溫度升高并不是由蓄電池電解液液面較低造成的，相反蓄電池液面降低很大程度上是由溫度升高導(dǎo)致的蒸發(fā)加劇造成，性能落后的蓄電池單體在長(zhǎng)期浮充狀態(tài)下自身并不會(huì)過度發(fā)熱，相反性能正常的單體被分配到的電壓加大，使正常單體電解水的能力加大，由于電解水反應(yīng)放出的熱量高于電極反應(yīng)放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升。總結(jié)運(yùn)營(yíng)中蓄電池組問題，反復(fù)推敲驗(yàn)證，提出了合理的維護(hù)意見，希望能夠在后期運(yùn)營(yíng)中加以應(yīng)用，不斷提供蓄電池組的使用壽命及可靠性。