动车组镍镉蓄电池维修策略探讨

高 原 中国铁路上海局集团有限公司科技和信息化部

电镍镉蓄电池内阻小，可快速充放电，低温环境可正常使用，而且镍镉蓄电池在放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电蓄电池，目前在CRH1、380B、380C、380D等平台动车组上广泛使用，但现阶段镍镉蓄电池监控数据有限，无法开展相关研究，且镍镉蓄电池在检修时工作量大、作业工序繁琐。本文对镍镉蓄电池检修现状进行了分析，提出了维修方式的优化策略。

1 镍镉蓄电池原理

镍镉蓄电池单体主要由壳体、盖板、极板组、隔膜、接线柱、加液塞、电解液等组成。镍镉蓄电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板，极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯隔膜隔开，电解液为氢氧化钾溶液。

2 镍镉蓄电池检修现状及存在问题

当前镍镉蓄电池运用检修主要采用外观检查、电压测量、电解液位测量等方法对蓄电池的性能状态进行检查和确认，均为动车组入库后进行的日常例行检查，对蓄电池的性能演变规律无长期的数据跟踪和分析，处于事后维修的状态，且蓄电池静态数据不能完全准确反应蓄电池的性能，无法动态实时监测并反馈蓄电池单体电压和温度数据，对深入研究蓄电池并提出科学合理的维修方式存在一定的影响。近年因动车组镍镉蓄电池使用年限逐渐增加，蓄电池存在烧损、漏液等问题，因此有必要开展蓄电池状态监测和性能演变规律研究，持续跟踪蓄电池的性能参数变化趋势，经过研究分析和相关试验，为蓄电池检修方式的改变提供数据支持。

3 研发蓄电池监测系统

目前蓄电池车载监控仅对蓄电池箱温度和蓄电池总压进行监控，对蓄电池箱温度高、总体电压低进行报警，但由于缺少对单体蓄电池相关数据的监控，不利于对蓄电池进行数据分析和性能研究。通过研制单体蓄电池数据采集模块、数据传输模块，开发蓄电池监测系统软件平台，建立了蓄电池监测系统。蓄电池监测系统可以实现蓄电池单体电压、单体温度数据的实时采集、传输和显示，以及蓄电池当前和历史故障信息查询等功能，可以通过对运行过程中动车组蓄电池的性能参数的研究，了解蓄电池性能变化趋势，为优化蓄电池的维修策略提供支持。

选取CRH380BL-3540动车组04、13车进行蓄电池采集、传输模块安装，经过多次检查，模块安装牢固，蓄电池监测系统软件平台日常使用良好，可实现对蓄电池性能参数的实时采集和显示。

4 镍镉蓄电池性能跟踪分析及试验研究

4.1 镍镉蓄电池性能跟踪分析

通过监测系统自2020年12月开始跟踪蓄电池单体电压、单体温度数据，记录每日蓄电池单体最高电压、单体最低电压、单体最高温度和单体最低温度。通过图1可以看出蓄电池单体电压在动车组运行过程中基本维持在1.6 V～1.8 V之间，单体最低电压基本维持在1.2 V左右，蓄电池单体温度随着环境温度的上升而上升，且蓄电池单体最高温度比当时环境温度高10℃左右。

图1 CRH380BL-3540蓄电池每日最高单体电压及温度

4.2 镍镉蓄电池性能试验

通过对CRH380B平台动车组单体蓄电池过充电、过放电试验，得出蓄电池单体保护电压的最高、最低限值，了解蓄电池过充电、过放电后蓄电池的电压、温度变化情况。

过充电试验中先将单只蓄电池以10 A恒流放电至1 V并静置5 min后再进行充电，发现当蓄电池电压超过2.1 V以后，蓄电池内部发生剧烈反应，电解液有大量气泡产生，蓄电池电压略微下降，蓄电池温度持续升高。通过试验可以确定蓄电池的单体上限电压不能超过2 V。见图2。

图2 过充电试验蓄电池电压及温度分析

过放电试验中先将命名为1、3号的两只蓄电池完全放电，再充电至1.6 V，使该2只蓄电池容量保持一致，再挑选一只容量为1.3 V左右的蓄电池命名为2号，将三只蓄电池以“1号-2号-3号”顺序串联后进行放电，发现2号蓄电池电压达到1 V后快速下降至0 V，进而影响三只蓄电池组的总电压下降，但三只蓄电池的温度没有发生明显变化。因此当一只蓄电池发生过放电后单体电压下降，整组蓄电池电压也下降，影响了整组蓄电池的放电，但整组蓄电池温度没有发生明显变化，不会产生安全隐患。通过试验可以确定蓄电池单体过放电压应在1 V以上。见图3。

图3 过放电试验蓄电池电压及温度分析

5 优化镍镉蓄电池维修策略

通过对蓄电池单体电压、单体温度数据的跟踪分析，结合蓄电池过充电、过放电试验研究，确定从蓄电池单体电压、单体温度异常预（报）警，蓄电池单体性能评级，蓄电池容量均衡等方面进行蓄电池维修策略的研究。

5.1 蓄电池维修策略研究

（1）蓄电池单体电压及温度预（报）警

蓄电池单体电压的过压和欠压的计算采用蓄电池电压小范围平均后，逐次比较方式计算，即每个蓄电池的5个电压数据取平均与预设报警参数进行比较:

V1均:V预警、V2均:V预警......V84均:V预警,84只蓄电池电压循环判断后，当有任意一只蓄电池满足判断逻辑时，系统进行预（报）警。

蓄电池单体温度的过高和过低的计算采用逐次比较方式计算：系统温度判断，T1均:T预警、T2均:T预警......T84均:T预警,84只蓄电池温度循环判断后，当有任意一只蓄电池满足判断逻辑时，系统进行预（报）警。

（2）蓄电池单体性能评级

通过采集每个单体蓄电池的电压值，进行计算得到蓄电池组的平均电压值，通过蓄电池监测系统的历史数据分析并结合蓄电池规格书和蓄电池的充放电曲线，确定每个单体蓄电池与蓄电池组平均电压的三个压差阈值V优，V良，V差。

VN为每个单体蓄电池与平均值的电压差：当VN＜V优时，该只蓄电池的状态为“优”；当V良＜VN＜V优时，该只蓄电池的状态为“良”；当V差＜VN时，该只蓄电池的状态为“差”。

（3）蓄电池容量均衡

动车组蓄电池在运行过程中，大部分时间处于浮充状态，浮充状态蓄电池的一致性决定了整组蓄电池的性能。各单体蓄电池因内阻大小差异、极板厚度及材料差异、电解液液位差异等，造成单体蓄电池自放电率不同，同时蓄电池箱内不同位置的单体蓄电池温度也不相同，由于温度不同会造成蓄电池充放电效率不同，综上内部和外部的原因会导致使用过程中单体蓄电池容量存在一定偏差。

浮充定时均衡算法通过检测动车组单体蓄电池在浮充状态下的电压、温度，判断蓄电池的状态，选取最高电压的多只蓄电池使用恒定电流进行放电，采用小电流、定时长以“细水长流”的方式对蓄电池进行均衡，实现修复由于内部和外部原因造成的蓄电池容量偏差。蓄电池监测系统使用后，镍镉蓄电池的维护管理方式产生了非常大的变化，既改变了蓄电池单体电压测量方式，新增的蓄电池单体电压及温度预（报）警、性能评级和容量均衡等功能也提升了蓄电池的日常管理水平。蓄电池维修策略变化前后对比见表1。

5.2 蓄电池维修策略对比

表1 蓄电池维修策略变化前后对比

6 结束语

针对镍镉蓄电池检修现状及存在问题，文中通过研制蓄电池监测系统对蓄电池单体电压、单体温度数据进行采集，经过对蓄电池性能分析和试验验证，确定从蓄电池单体电压和温度异常预警、蓄电池单体性能评级、蓄电池容量均衡等方面进行蓄电池维修策略的研究，并实现了单体蓄电池维修方式的改变、蓄电池单体电压及温度的预（报）警、蓄电池性能等级的健康评估、蓄电池使用寿命的延长，从而提升了蓄电池的检修效率及日常管理水平。

限于当前蓄电池单体数据量和初代数据采集传输模块的影响，对蓄电池性能趋势和维修方式的研究分析存在一定程度的限制，随着蓄电池监测系统不断的改进优化和数据采集传输模块安装量的增加，经过研究分析后文中的预（报）警、健康评估、均衡功能会更加完善，也可对蓄电池的维修方式进行进一步的探索。