铅晶蓄电池在轨道交通车辆中的应用优势

2019-07-29岳明

铁道机车车辆 2019年3期

岳明

(中国铁路上海局集团有限公司合肥车辆段技术科，江苏徐州 221003)

随着我国轨道交通事业的迅猛发展，轨道交通车辆用蓄电池的需求也随之快速增长。从目前我国轨道交通车辆用电池的现状看来，产品种类较多，性能参差不齐。其中，应用最多的蓄电池主要有铅酸蓄电池(包括胶体蓄电池)和碱性镍镉蓄电池两类。由于这两类蓄电池存在各种的缺陷或不足，迫使人们研发和探索锂离子电池等新型蓄电池产品代替老产品。在调研、测试和试用的基础上，发现市场上一种铅晶蓄电池构成和性能适宜于轨道交通车辆使用。

1 铅晶蓄电池构成及其主要原理

铅晶蓄电池是我国江南某电池制造公司基于自主知识产权，应用独创的硅晶复合盐电解质配制技术和铅晶电池制造技术，积10多年之功研发而成。以电解质组成、电极结构、装配和化成工艺等众多独到之处，使多项技术指标处于国内先进水平。

所谓“铅晶蓄电池”，其中“铅”字表示用铅作电极，“晶”包含两方面的意思。一是正极表面镀有单晶、多晶态PbO2的活性物质；二是采用SiO2和多种复合盐组成的晶态电解质(如图1为证)。采用独特的制备技术，将多种无机盐与有机物复配混合，利用多种复合盐及添加剂的协同作用，优化电解质与电极活性物质之间的反应性能，避免活性物质硫酸盐化脱落，延长使用寿命。经数个充放电循环后，使原来灌入时呈液态的电解质逐步转化为网络状的晶体状态，消除漏液危险，提高安全性能，优化导电功能。采用自创的电极制备、电极铸焊、真空灌液、电池化成、端子连接和气液分流阀等一系列专利技术，使蓄电池产品性能更优、效率更高。

图1 铅晶、胶体铅酸蓄电池电极表面晶态电解质X-射线衍射图

(1)

铅晶蓄电池专用电解液的组成中除了少量的稀硫酸(H2SO4)以外，还含有若干种无机弱酸和有机弱酸。在电池停运状态下，这些无机弱酸和有机弱酸在电池中只能部分电离。随着蓄电池中放电反应的发生，就会夺取弱酸分子电离出来的H+。并且，随着放电反应的不断进行，弱酸电离平衡就会不断地向电离方向移动，逐步地、源源不断地放出H+来保证放电反应的持续进行。相反，当电池发生充电反应时，由水的电解产生的H+又可促使弱酸电离平衡向左移动，从而恢复成弱酸分子。如此循环往复、周而复始地维持电池的正常工作。

2 铅晶蓄电池应用于轨道车辆的主要优势

铅晶蓄电池以独特的电解液组成和电池结构，赋予产品“安全、环保、高效、长寿”4大特点。不但革新了传统、单一的硫酸液为电解液，而且使电池的结构发生了相应的改变。随着电解质与电极之间电化学反应的循环进行，电池内部溶液状态的电解质逐渐转变为网络状的晶体状态，不仅能固定极板上活性物质，并且为离子的迁移留出通道，有效地克服了传统铅酸蓄电池极板硫酸盐化、活性物质脱落和容量衰减“三大顽疾”。

2.1 铅晶蓄电池的主要技术优势

(1) 使用寿命长。铅晶电池十多种复合盐添加后的固态结构，极大地避免了极板硫化现象，改善了蓄电池在PSOC下的寿命衰减情况。使得铅晶蓄电池的使用寿命是传统铅酸蓄电池的2～3倍。

(2) 使用成本较低。铅晶蓄电池的比镍镉蓄电池的直接成本低15%左右。铅晶蓄电池在段修检查和运用检修时，十分方便，不需要补液、擦洗，浪费人力、物力。同时还节省检修过程中的人工、材料和管理费用。

(3) 高低温范围宽。铅晶电池能在-40℃～+60℃的温度范围内和6 000 m及以上高海拔环境下正常工作，能很好地适应于轨道车辆行驶从南方到北方地域跨度大、冬天夏天温度差距大的环境变化。-40℃容量比铅酸高20%，40℃循环寿命是铅酸2.5倍。

(4) 自放电较小、长期库存后容量恢复能力强。电解质中添加了能抑制氧气和氢气析出的盐类，且固态晶体电解质在化成后形成有规律的龟裂，为氧气和氢气的复合提供了通道。使自放电系数很小，自然存放1年剩余容量大于85%。长期储存后正常充放，容量即可恢复至97%以上。

(5) 环保性能好。生产和使用中无酸液、酸雾和其他危险废物放出，不会造成对土地、河流、空气等环境污染，更不会对机车上任何元器件造成腐蚀和损伤，环保安全性能更好。因形成晶态电解质而使电池在储存、运输和使用过程中根本不用担心漏液。产品由国家安全生产监督管理总局化学品登记中心鉴定为“非危险品”，而铅酸蓄电池列为“危险品”。

(6) 深放电性能好，铅蓄电池深放电之后，其吸附式隔板中易出现铅绒或弥散型沉淀，导致极板微短路，造成蓄电池寿命迅速衰减。铅晶蓄电池电解质中的复合盐，彻底解决了电池枝晶短路。过放至0 V寿命是铅酸的8～10倍。

(7) 安全性高铁路安全责任任重道远，一定要杜绝即使充电设备故障，充电电压无法限制的情况下，蓄电池可损坏但不能出现爆裂等安全性事故发生。根据这一要求，进行了现场试验：提高整组电池充电电压至132 V，使电池温度上升至65 ℃，继续充电至臌胀，再继续充电24 h，未出现爆裂现象。

2.2 铅晶蓄电池与铅酸蓄电池、镍镉蓄电池的性能比较

铅晶蓄电池的优势可以从与传统的铅酸蓄电池、镍镉蓄电池的性能比较中明显展示出来(表1 铅晶电池与铅酸电池、镍镉电池的主要性能比较)。

表1 铅晶电池与铅酸电池、镍镉电池的主要性能比较

3 铅晶蓄电池在轨道交通车辆的成功应用举例

铅晶蓄电池作为一种铅酸蓄电池的更新换代产品，已经广泛应用于太阳能/风能储能、UPS/EPS电源、电力电站、通信基站、铁路客车、城轨交通、气象雷达、电动车辆、银行、广电、油气田和气象监测等领域，市场应用十分广阔。

下面是铅晶蓄电池应用于铁路客车车辆的成功案例。

2009年由上海铁路局车辆处协作公司合作开发了铁路客车用铅晶蓄电池组，2009年3月2日～2009年8月6日铁路客车用阀控密封式铅晶蓄电池组系列中的“6-TM-120型”产品，经原铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站检验合格，于2009年10月至2010年3月底在杭州至泰州的T7785/6编组6辆客车上装车运行试用，在编组运行中与镉镍蓄电池组客车混编，在充电容量、故障率及维护保养方面有明显优势，达到预期效果。于2010年3月11日，通过了由上海铁路局总师室组织召开科技成果验收(上铁局技验字〔2010〕第004号)，上海铁路局车辆处于2010年申请了“铅晶蓄电池组在青藏客车上的推广应用”的立项，在上海至拉萨的T163/4次编组6辆客车上装车运行试用，进一步收铅晶集电池组在高海拔、低温、低气压等恶劣气候条件下运用的技术数据资料，进一步完善铅晶蓄电池制造工艺，至2011年1月进一步扩大装车。

装车车次：上海-拉萨T164次，每列编组15辆客车。

上海动车客车段配属的青藏客车为中车南京浦镇车辆有限公司在装车前，进行了高原低气压模拟试验，及高原自然环境下充电、放电试验。

第1步在平原地区对铅晶电池组进行高原环境模拟试验：先将铅晶电池单体放在一个封闭的容器内，然后抽空使容器内的压力为0.05个大气压。保持8 h后打开容器检查电池，外形未发现异常后，再对电池单体在0.05个大气压进行充放电试验。几个循环，电池充放电数据全部符合技术标准规定的范围。

第2步在上海至拉萨的编组上运行试验。把充满电的电池放入防爆容器内，放在上海至拉萨运行的车辆上进行运行试验。几个往返运行后，在上海动车客车段技术支持下，在确保客车车辆运行安全的前提下开始进行充放电试验。运行试验数据全部符合技术标准规定的范围。

第3步再把铅晶蓄电池组安装在青藏客车上YW25T 679768，编入上海至拉萨的T163/4次编组进行运行试验(不载旅客)。往返途中充电放电数据全部符合技术标准规定的范围。

第4步把安装铅晶蓄电池组的YW25T679768等6辆客车编入上海至拉萨的T163/4次的其中同一个编组上进行运行试验30天。期间，未发现电解液爬极现象和正负极柱硫化现象，由于铅晶蓄电池本身结构的特点在高原4 500 m及以上海拔下不存在冒泡冒液的可能，充放电容量明显优于同编组的镉镍蓄电池。对铅晶蓄电池组进行性能测试，主要性能指标数据全部符合技术标准规定范围。

第5步扩大装车试验。

从试装6辆开始到整列15辆整列编组进行运行试验，再分散与原厂设计安装的镉镍(烧结)蓄电池组混合编组运行试验，考察铅晶蓄电池组与镉镍蓄电池组在混编状态下的相互影响。

在2011年11月对第1阶段装车的6辆编组铅晶蓄电池组进行性能测试，在原车充电机双曲线充电模式转为浮充电压后，用放电机实行30 A恒流放电3 h，全部主要性能指标数据符合技术标准规定范围。第2阶段：扩装至T164次全列车(后续11辆车号)

装车运用考验时间：2011年1月至2012年12月，为期2年。

充电机技术参数设置及充电曲线仍然使用原厂设计所有参数及双曲线充电模式。

中车南京浦镇车辆有限公司生产的青藏客车原设计镉镍蓄电池为GNC120，限充电流(20±2)A，当蓄电池箱内温度为20 ℃时，最大充电电压为116.7 V，当充电电流低于5 A时，充电电压降低为111.2 V浮充状态。

铅晶蓄电池完全适应这种充电模式，为期2年的运用考验中主要性能指标完全符合正常的寿命周期规律。

2012年12月对第2阶段装车的11辆编组铅晶蓄电池组进行性能测试，在原车充电机双曲线充电模式转为浮充电压后，用放电机实行30 A恒流放电3 h，以查看铅晶蓄电池组在高海拔、低温、低气压等恶劣气候条件下运用时的铅晶蓄电池组主要技术参数的变化情况。全部编组数据符合技术标准规定范围。在运用试验的2年中，17辆铅晶蓄电池组在上海至拉萨T163/4次5个编组上与原厂设计安装的镉镍蓄电池组(烧结工艺)混编，在日常库检、蓄电池组专项修及A2修、A3修过程未发生任何技术问题及故障，也没有发生同编组装车运行的镉镍蓄电池组外壳裂损、格拉段(4 500 m及以上海拔)电解液冒泡冒液等故障现象。

扩大装车的17辆客车铅晶蓄电池组又从2013年1月正常使用至2015年12月，这批安装铅晶蓄电池组的青藏客车，再从上海车辆段转属至青藏公司运行。

2011年8月经上海铁路局车辆处又安排将铅晶蓄电池组安装到YW25G679841，编挂在K529/530次上，考虑原设计安装的镉镍蓄电池组GZN-120型限充电压比铅晶蓄电池相对较高，在6TM-120 12 V、8节基础上，串联3TM-120 6 V、1节，从而相对降低每个电池单元的充电电压，符合铅晶蓄电池充电压要求；又考虑铅晶蓄电池组整组电压较同编组安装镉镍蓄电池组相对较高，为避免铅晶蓄电池组在断开全列车停止供电的瞬间放电不致过高，在铅晶蓄电池组中串联了二极管限压器(4个二极管串联与1个二极管并联，4个二极管与放电电流正向串联，1个二极管与充电电流正向串联)。在经过为期2年的考验运行，取得预期效果后，从2014年9月起在上海铁路局范围逐年扩大装车使用。

铅晶蓄电池组在25G型客车上使用，既不用补充离子水，也不存在电解液“爬极”、电极“硫化”等通病，更不存在因电解渗漏导致蓄电池箱体腐蚀，从而大大节省了库检车电职工维护工作量。铅晶蓄电池组备用存放时自放电极小，在运行过程中性能稳定电量充沛。