盧林科

（廈門軌道交通建設發(fā)展集團有限公司，福建 廈門 361000）

1 概述

基于對節(jié)能環(huán)保的考慮，蓄電池工程車逐漸替代了內燃工程車，在國內外得到了廣泛的使用。廈門地鐵目前3條線共配備10輛ZER3型蓄電池工程車，在使用過程中出現：（1）蓄電池電量監(jiān)測不準確的問題；（2）蓄電池衰退老化的問題。

蓄電池電量監(jiān)測不準確，嚴重影響蓄電池工程車的正常運用，甚至可能引發(fā)正線救援等影響運營服務作業(yè)事故。導致蓄電池檢測不準確的影響因素有很多，其中就包括工作環(huán)境溫度、不同的充放電電流、電池組自身放電、負載變化以及電池自身放電特性等。針對該問題，在廈門地鐵2號線進行工程車蓄電池容量檢測的相關試驗，主要包括牽引蓄電池容量檢測系統(tǒng)優(yōu)化對比試驗、蓄電池容量核準試驗、電池檢測裝置剩余電量驗證試驗。試驗結果表明，經過優(yōu)化后的電池檢測系統(tǒng)能夠滿足預設的檢測精度要求。

2 鉛酸蓄電池特性

2.1 鉛酸蓄電池壽命的影響因素

（1）過充電的影響。過充電會導致電池正極表面析出氧氣，當氧氣從電極表面逸出、集聚會導致電池殼體壓力增大，形成鼓包。同時，在析出氧氣的同時，會破壞活性物質與柵板之間的結合能力，極大地影響電池的使用壽命。（2）過放電或小電流放電的影響。深度放電會導致極板的“硫酸鹽化”。“硫酸鹽化”是指電池在過度放電的過程中，極板表面會生成大顆粒狀的硫酸鉛結晶。大量的硫酸鉛附著在極板表面，會導致電池內阻增大，同時因為硫酸鉛絕緣的特性，導致活性物質與柵板難以有效產生化學反應，大大削弱電池的容量和使用壽命。（3）長期浮充電的影響。長期浮充將嚴重影響電池容量以及使用壽命。電池浮充是指蓄電池長期處于只充電不放電狀態(tài)，這樣的后果是極板表面鈍化，電池內阻急劇增大，有效容量大幅降低，反映在實際使用過程中的現象是電池的使用容量遠低于標準容量，并且這種趨勢將會越來越嚴重。（4）循環(huán)使用次數的影響。蓄電池都有額定的循環(huán)使用次數，經過多次充放電循環(huán)，內部活性物質將會逐漸老化，電池實際放出的電能將會逐漸降低。因此，在實際使用中，當蓄電池達到較大的電池循環(huán)數時，有必要對額定容量進行適當修正。

2.2 鉛酸蓄電池放電特性

放電特性是指在恒定電流放電過程中，鉛酸蓄電池的端電壓U隨時間變化的規(guī)律。將完全充足電的蓄電池以恒定電流放電，每隔一定時間，測量一次端電壓U,得到一條“電壓—時間”曲線。圖1所示的為某鉛酸蓄電池的恒流放電曲線。恒流放電時，端電壓有三個變化階段。剛接入負載時，負載的端電壓陡然下降，這是由于電池內部的歐姆內阻電壓降（oa段）；隨后，電池內部電化學達到平衡狀態(tài)，電池端電壓平穩(wěn)略下降的狀態(tài)，電極電位基本趨于穩(wěn)定（ac段）。此時，若將負載斷掉，電壓將呈現一小段回升的趨勢，這是由于電壓具有回彈效應(ce)。若c點后繼續(xù)對蓄電池放電，電池端電壓急速下落，此時，電池進入過放電狀態(tài)，極容易造成供電突然中斷，引發(fā)突然事故。另外，過放電容易導致蓄電池內部活性物質過度消耗或者從極板脫落，大大影響蓄電池使用壽命。

圖1 鉛酸蓄電池放電示意圖

3 蓄電池電量檢測研究

3.1 蓄電池電量監(jiān)測影響因素

（1）不同電流的影響。在不同的充電（放電）電流條件下，電池組可以充入（放出）的有效容量是不同的，而電池檢測系統(tǒng)所設定的容量為額定容量，這就導致檢測系統(tǒng)所監(jiān)測的容量與實際容量不符。（2）電池組自放電及安全狀況的影響。電池組即使在靜置過程中也會有能量損耗，即電池組的自放電影響，而且電池組的充放電循環(huán)壽命有限，在使用過程中電池組逐漸老化，其有效容量也會逐漸減少。（3）溫度的影響。電池組的充放電過程是一個化學反應過程，必然受到溫度的影響，不同溫度下電池組的有效容量發(fā)生變化，也會影響電池組的充放電倍率。（4）負載變化的影響。工程車的功率由負載決定。在實際工況中，受牽引負荷、坡道、曲線半徑等影響，導致負載的變化往往比較大，瞬時電流和瞬時電壓的變化也相應變化較大，也會影響電池檢測系統(tǒng)對蓄電池電量的監(jiān)測。（5）電池放電特性的影響。工程車采用的是鉛酸蓄電池，其在放電時，端電壓會出現先下降、接著小幅度回升、再緩慢下降的過程，這也給蓄電池的即時監(jiān)測帶來了難度。

3.2 蓄電池容量檢測系統(tǒng)優(yōu)化

由于蓄電池衰退老化，2021年1月底，株機廠家在廈北工程車庫做牽引蓄電池核容試驗。DL0111、DL0110、DL0109 3臺車共3×392=1176節(jié)電池，共報廢電池363節(jié)。

（1）蓄電池容量檢測系統(tǒng)試驗。在牽引蓄電池容量檢測系統(tǒng)中，將蓄電池的額定容量設置為480AH，放電過程檢測裝置會計算單位時間(1s)消耗的電量，當電量累計大于0.48AH時，則剩余電量值減少0.1%。電池負載電流與放電時間的關系如表1所示。

表1 電池負載電流與放電時間

通過現場充、放電試驗現象，發(fā)現檢測裝置計算的剩余電量高于實際電池電量。聯合株機公司與深圳通業(yè)科技股份有限公司對牽引蓄電池容量檢測裝置的源代碼進行分析，發(fā)現單位時間放電速率參數設定不合理。

①單位時間放電速率優(yōu)化前：軟件算法中將放電電流以10A為一個數據采集區(qū)間，將放電電流劃分為不同區(qū)間，每個區(qū)間有對應的放電速率。放電電流與放電速率關系如表2所示。

表2 0～96A區(qū)間放電電流與放電速率

通過分析單位時間放電速率，放電電流在0～96A范圍時計算誤差會較大，這是因為程序算法在設定放電速率時，總是向下取值，導致取值偏小。例如，放電電流為59A時，由于其仍處于50～60A區(qū)間，故計算時按照50A放電速率2.89執(zhí)行，會產生剩余電量偏差大約為18%。

從上述分析，蓄電池放電速率偏小，與前期發(fā)現的“計算的剩余電量高于實際電池電量”現象相符。針對上述情況，對放電速率進行了優(yōu)化。

②單位時間放電速率優(yōu)化后：放電電流在0～96A范圍時，以10A為一個數據采集區(qū)間，程序算法在設定放電速率時，以數據中值為分界，分別向下或向上取值。例如，放電電流處于50～60A區(qū)間，以區(qū)間中值55A為界，分別向下（電流≤55A時）或向上取值（電流＞55A時）。例如，放電電流為52A時，剩余電量計算時按照電流50A對應放電速率2.89執(zhí)行，若放電電流為59A時，則按電流60A對應放電速率3.47執(zhí)行。放電電流大于96A時，屬于大電流放電，放電速率變化快，算法取值采用實時取值，按放電電流對應實時放電速率進行取值。優(yōu)化后，放電速率取值更為合理，計算結果更精確，可顯著修正剩余電量偏差。大于96A區(qū)間放電電流與單位時間放電速率的關系如表3。

表3 大于96A區(qū)間放電電流與放電速率

（2）程序驗證。在兩臺工程車上進行對比試驗，DL0212車使用優(yōu)化后的驗證程序，DL0209 車程序未更新。2臺車初始電量相同，牽引負載相同，形式路徑相同，進行放電測試。DL0212車回庫測試剩余電量72.2%。DL0209車回庫測試剩余電量86.5%，優(yōu)化軟件放電速率后，計算剩余電量結果下降14.3%，優(yōu)化前后差異明顯。

3.3 蓄電池核容試驗

由于在使用過程中工程車蓄電池組會逐漸老化，其有效容量也會逐漸減少。因此有必要對測試蓄電池實際容量值。試驗步驟如下：采用均充模式，對工程車DL0212充電，電壓恒定在920V，充電電流3A，約15個小時將蓄電池電量充滿。

使用充放電機進行恒流放電，放電電流恒定為80A，放電截止電壓640V，放電測量得出牽引蓄電池實際容量為388AH。

3.4 牽引蓄電池容量檢測裝置精度測試試驗

由于容量檢測單元在動態(tài)的過程中，其需要采樣及計算等，因此，其容量檢測單元本身將具有一定的誤差，經過綜合評估，誤差范圍在15%以內視作滿足精度要求。試驗步驟如下：

（1）蓄電池采用均充模式累計充電時間約17個小時，最終電壓恒定在919V，充電電流為3A，牽引蓄電池充滿電。（2）工程車正線作業(yè)，按照實際使用工況進行放電，待車輛回庫查看剩余電量與電池電壓。（3）設定截止電壓為640V，使用充放電機將電池剩余電量全部放出，剩余電量為237AH。（4）檢測設備剩余電量為65.7%，由于軟件算法中電池額定容量為480AH，所以軟件檢測放電電量為480AH×(100%-65.7%)=164.64AH;按照放電截止電壓為640V計算，電池總容量為388AH，實際剩余放電電量為237AH。因此，正線實際放電量為388AH-237AH=151AH；檢測容量計算精度為(164.64AH-151AH)/388AH×100%=3.52%。通過計算可知，牽引蓄電池容量檢測裝置剩余電量計算精度在15%誤差范圍內，滿足要求。

4 工程車牽引蓄電池維護建議

根據以上試驗，鉛酸蓄電池在使用過程中需要做到隨放隨充的狀態(tài)，保持蓄電池長期處于滿電狀態(tài)能有效地保持蓄電池的容量和增加使用壽命時間。鑒于工程車蓄電池組出現了硫酸鹽化的現象，提出以下維護使用建議。

（1）蓄電池組使用后應在24h內給予補充電，具體充滿與否可參考充電電流低于3A后，再維持充電2～3h即可視為已充滿電。（2）車輛長時間未使用時，需要對蓄電池組電路進行斷開，防止永久負載消耗蓄電池組的電量，同時每半個月安排對蓄電池組進行一次補充電。（3）鑒于車輛蓄電池組有硫酸鹽化現象，可定期安排對車輛蓄電池進行均充模式充電16～24h。《蓄電池車操作維護手冊》要求均充模式為每6個月使用1次，建議調整至3個月1次，均充模式可有效改善蓄電池組的狀態(tài)。

5 結語

經過本課題對工程車蓄電池的研究，較好地解決了蓄電池充放電不當、剩余電量檢測數據不準（虛高）等問題所造成的行車安全隱患，有效地保障了蓄電池工程車的正常使用；并提出切實可行的蓄電池維護建議，有效改善蓄電池使用情況，降低因不當使用而導致的電池報廢率，節(jié)約運營成本，可在各條線路進行推廣。