城市轨道交通车辆蓄电池亏电故障分析及改善措施

张 顺 尹洪权 吉 敏

(南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，210031，南京∥第一作者，高级工程师)

城市轨道交通车辆正常运行时低压直流电由充电机给出，蓄电池处在浮充状态，并作为备用电源使用。在车辆运营期间出现重大故障等待救援时，若蓄电池也出现故障,轻则影响救援速度，重则危及乘客生命安全，因此蓄电池的重要性在紧急情况下作用凸现。本文以蓄电池亏电故障为例，对故障进行详细分析，并提出解决措施，可为城市轨道交通的同类问题解决提供方向。

1 故障概述

深圳地铁3号线0329列车在运用库进行发车作业时，供电模式转换完成后，司机合上辅助逆变器启动开关、开启照明后列车自动收车。重新激活列车，1车辅助逆变器(APS)启动后，司机显示单元(DDU)界面显示1车蓄电池充电机电压为100 V且底色为红色，6车蓄电池充电机电压为41 V，并报6车“APS蓄电池过温(BTOT)”故障条目。列车起动后,1车蓄电池充电机电压显示为101 V，6车蓄电池充电机工作电压显示为106 V，两端蓄电池充电机图标都恢复蓝色。

2 故障调查

经过核对列车控制管理系统(TCMS)故障数据记录、安防录像记录、蓄电池“三充两放”测量数据记录以及现场检查情况，综合分析后确定导致03291、03296列车车辆蓄电池亏电的原因为03296列车车辆蓄电池温度传感器故障。排查过程详细描述如下。

2.1 列车控制管理系统故障数据

2.1.1 故障记录仪(FDL)故障记录

通过TCMS维护软件下载FDL的相关故障记录，见表1。

表1 FDL故障记录表

2.1.2 事件记录仪(EVR)数据记录

0329列车在4月23日10：47至15：31两端滑触线持续供电，蓄电池接触器QC1和QC2正常闭合，1车蓄电池温度显示为29 ℃，6车蓄电池温度显示为60 ℃，6车蓄电池充电器无电流输出，1车蓄电池充电器工作正常。蓄电池充电器输出如图1所示。

注:BCOV——蓄电池输出电压；BCOC——蓄电池充电器输出电流；QC——蓄电池接触器

图1 两端APS工作情况下蓄电池充电器输出

4月23日21：09至次日5：49，0329列车6车滑触线送电，蓄电池接触器QC1和QC2正常闭合，6车蓄电池温度显示为60 ℃，6车蓄电池充电器无电流输出，1车由于无高压输入APS未工作，蓄电池充电器无输出，1车蓄电池温度显示为29 ℃，持续时间为8 h 42 min。6车APS工作情况下蓄电池充电器输出如图2所示。

图2 6车APS工作情况下蓄电池充电器输出

4月24日5：51：08，转换轨列车重新激活后，1车APS有高压输入后正常启动，6车高压母线断路器(BHB)、高压母线接触器(BLB)未闭合，6车APS无高压输入未启动，1车BCOV为100 V，6车BCOV为41 V。

2.2 安防录像

下载CCTV(闭路电视监控系统)监控视频，视频记录4月23日21:08至4月24日5:51期间，列车一直处于激活状态，4月24日5:18至5:51司机整备作业和牵引出库作业正常。

2.3 列车维保

4月22日，维护人员进行了均衡修补修作业，对蓄电池进行了更换，安装的蓄电池组“三充两放”记录正常。

3 故障分析

3.1 电气原理图分析

DC(直流电)110 V供电母线(线号1100)由蓄电池和蓄电池充电器共同供电。在两端蓄电池充电器正常工作情况下，大多数时间输出电压高的一端蓄电池充电器主要为DC 110 V供电母线上所有用电设备供电，另一端蓄电池充电器维持本端蓄电池的涓流充电(充电电流约为0.2 A)。若DC 110 V母线瞬间出现大负载，两端蓄电池优先为DC 110 V母线上用电设备供电，然后两端充电器再共同为DC 110 V母线上用电设备供电。

当只有一端蓄电池充电器正常工作时，工作的蓄电池充电器为DC 110 V母线上的用电设备供电。若母线上瞬间出现大负载，两端蓄电池优先为母线上用电设备供电，然后蓄电池充电器和蓄电池组再共同为母线上用电设备供电。充电器与蓄电池电气连接及控制图如图3所示。

当两端蓄电池充电器都未工作时，此时由两端蓄电池共同为DC 110 V母线上用电设备供电，直到蓄电池组放电达到终止放电电压87 V为止。

3.2 蓄电池充电分析

车载蓄电池充电器为蓄电池组充电的方式有快速充电和浮充电两种。快速充电电压范围为2.30～2.35 V，浮充电电压范围为 2.23～2.27 V，根据环境温度变化，对快速充电和浮充电电压进行相应调整。额定充电电压是对环境25 ℃而言，当环境温度变化时，需按温度系数进行补偿，并调整充电电压。由图4可知，蓄电池快速充电电压范围为110.5～121.0 V，浮充电电压范围为108.5～118.0 V。

注：OBTS——断蓄电池按钮；CBTS——合蓄电池按钮；SD——司控器钥匙；BATT——蓄电池；KC1——低压检测继电器；BATR——断蓄电池的继电器；VD——二极管；QF28——蓄电池保护断路器；QF29——蓄电池控制回路保护断路器

图3 充电器与蓄电池电气连接及控制图

图4 6车蓄电池温度补偿曲线

蓄电池充电器输出电压的调节受到蓄电池组温度的影响，当蓄电池的温度在-5～60 ℃时，蓄电池组的浮充温度补偿系数为 3 mV/℃；当温度低于-5 ℃时，蓄电池的浮充电压将不再随温度进行补偿，蓄电池充电器输出电压保持在118.0～121.0 V 之间；当温度达到 60 ℃时，蓄电池充电器输出电压降低到108.5 V，此时蓄电池组与蓄电池充电器无电势差，蓄电池充电器和蓄电池之间无电流流过，同时启动蓄电池充电器过温保护，断开蓄电池充电机输出接触器(BCK)。待温度降低到55 ℃时再恢复工作。

3.3 综合分析

4月23日21：08至4月24日5：51期间，0329列车在只有6车滑触线供电情况下，由于该车蓄电池温度传感器故障，传输到APS控制单元充电机控制板(BCU)的温度值持续超过60 ℃，蓄电池充电器启动过温保护，断开BCK，蓄电池充电器无电流输出。此时列车DC 110 V用电设备供电全部由两端蓄电池提供，供电8 h 42 min，导致蓄电池严重亏电，从而列车自动收车。司机在接触轨将列车重新激活后，1车充电器由于蓄电池亏电初期输出为100 V，输出电压不在101.0～119.0 V范围内，DDU屏蓄电池充电器图标显示红色；当电压恢复至101.0 V时，蓄电池充电器图标显示蓝色。

4 改善措施

为避免上述类似故障的发生而影响运营，需从以下几方面进行改善：

1)检修改善。现有双日检、均衡修、特别修规程有电作业中，均未涉及到对蓄电池温度的检查。故障发生后，已在所有均衡修规程有电作业中，增加两端DDU屏辅助系统界面蓄电池温度检查。由于蓄电池的使用温度为-15～60 ℃，但在5～30 ℃范围内蓄电池使用寿命会更长。考虑到深圳夏季的气温较高，因此将蓄电池温度的正常范围设定为-5～45 ℃。

2)设计改善。蓄电池温度传感器故障后，BCU对蓄电池充电器的保护存在缺陷，蓄电池充电器虽无输出电流，但仍有输出电压，检修人员和司机无法判断蓄电池充电器工作状态，或者过压充电造成蓄电池组损坏，蓄电池充电器非正常温度范围内工作保护有待完善。TCMS数据中未添加BCK状态条目，不利于检修人员故障数据的分析和判断，目前已在TCMS软件中增加BCK状态检测条目。

5 结语

深圳地铁采用上述改善措施后，列车运营两年来再也没有出现过由于BCK断开导致的蓄电池亏电。经过长期验证后，上述解决措施已经大大改善并提升了列车的可靠性。