刘涛 西安市轨道交通集团有限责任公司运营分公司

西安地铁二号线每列车装备2 个蓄电池箱，位于Tc 车下，用以装载蓄电池组。蓄电池箱集机械强度高、密封性好、安装便捷，由78 个固定式镍镉蓄电池单体组成，型号为FNC-160-MR，容量给160AH。架修时需要对蓄电池组进行一次全面的维护，其维护方式主要为进行充放电循环（通常为三充三放），放电采用I5（放电率时5 小时）衡流放电，充电方式为IU 充电特性曲线式充电，以恒流I5 充电7.5 小时以上，要求最后一次放电时间超过4.5h，单体电压在1V以上的为合格，若是在第二次放电过程中出现馈电的单体则为故障单体，需更换单体，更换单体需在第三次放电前进行。

一、应用中遇到的典型故障

架修过程中普遍存在个别蓄电池单体在放电中馈电导致放电时间不足4.5 小时的情况，通常更换这些故障单体可使蓄电池组性能恢复，但在其中一列车蓄电池架修中通过上述方法不仅无法恢复性能，且在正线运行中出现了温度过高的问题。进一步调查，发现该蓄电池组9 位、17 位、26 位、33 位、57 位、59 位、64 位、68 位共8 个单体液面下降较为严重，该蓄电池组整体温度较高，个别单体温度达到42℃，较之1 车蓄电池组最高温度高出20℃，当日对缺液单体添加蒸馏水。后续对故障蓄电池组进行充放电试验，在蓄电池充放电过程中对每一块单体的温度、电压进行了检测，未发现任何一块单体出现温度过高的现象，但在放电过程中发现该蓄电组10 位、31 位、37 位、45 位、49 位共5 个单体存在比较严重的馈电问题，与之前发现缺液故障单体位置不一致。当日放电完成后，对出现馈电的5 个单体进行更换重新上车使用后，状态一直良好，彻底解决了单体液面下降较为严重的问题。

二、问题原因排查

蓄电池组下车后，观察故障蓄电池组外观，测量蓄电池组绝缘电阻，未发现异常，排除蓄电池漏液的可能。造成蓄电池单体液面下降过快，是由于以下两个原因造成：（1）蓄电池组工作时温度过高造成水蒸发过快；（2）在蓄电池浮充阶段，个别单体电解水能力过强，水消耗过快。基于以上两种原因，提出4 种可能原因，并针对这4 种可能原因进行逐一排查。

（一）逆变器供电电压异常

蓄电池组在电客车运行中长时间工作在浮充状态，过高的浮充电压必定会增大蓄电池组的充电功率，进而导致蓄电池组发热量的增大。但在更换了蓄电池组后的跟踪测量中，并未再出现蓄电池组温度过高的情况，排除该列车浮充电压问题。

（二）极板及电缆产生铜绿

连接极片及电缆多为铜芯材质，铜在空气中氧化遇水结合生成铜绿，铜绿不导电，反而会增加连接部分的内阻，加剧蓄电池的电量消耗和自放电程度，严重时会引起过度发热，导致蓄电池组过热。通过逐一排查接线端子，未发现铜绿，可以排除此项原因。

（三）蓄电池电解液密度异常

蓄电池单体的密度会影响蓄电池单体内阻，内阻的差异会造成蓄电池在浮充阶段分配的电压不同，从而造成功率的差异，内阻较大的单体消耗功率较高，发热较多。蓄电池架修作业时，为保证电解液密度相对一致，在恢复蓄电池液位到最大刻度线静置72 小时后，对蓄电池电解液的密度进行测量，保证每个单体密度在1.18-1.20kg/L 之间，可以排除此项原因。

（四）个别单体性能异常

性能落后的单体由于所能达到的最大电压低于平均值，就使得正常的单体被分配到更大的电压，蓄电池单体电压的升高会使得其内部电解水反应加剧，电解水反应放出的热量高于电极反应放出的热量，使得蓄电池组整体温度上升。对单体来说性能越好，浮充阶段所能达到的最大电压越高，其被分配到的电压也越大，使这些单体电解水的能力高于其他单体，造成的液面下降也越多。该原因符合本次观察到的故障现象，初步判定为该车个别蓄电池单体液面下降过快是由于各别单体性能异常造成。

三、问题原因进一步分析

当蓄电池组经过长时间运行后，由于其内部产生的电极极化现象，个别单体会出现性能落后的情况，性能落后的蓄电池单体其可反应的活性物质的总量与表面积均有所下降，所以其容量及所能达到的最大电压均有所下降。在长期浮充状态运行时，由于SIV给出的总的浮充电压是一定的，而故障单体由于其所能达到的最大电压低于正常单体，使得正常单体分得的电压升高，故障蓄电池组单体电压分布如图1 所示。

●：单体电压＜1.4V

●：1.4V ＜单体电压＜1.5V

●：1.5V ＜单体电压＜1.6V

●：1.6V ＜单体电压＜1.7V

●：1.7V ＜单体电压

蓄电池单体浮充过程中分为三个阶段：第一阶段电极活化阶段，电势稳步上升；第二阶段电极间电压稳定在1.4V 左右，稳定的充电开始；第三阶段电极反应基本结束，电势继续上升，电解水反应开始，最终稳定在1.7V 左右。而故障蓄电池单体在浮充第三阶段时，其电压范围远远超出正常的蓄电池单体。如图2 所示当镍镉蓄电池单体电压在达到1.45V 时发生析氧反应，电解水反应部分发生，产生热量，此时析出的氧气可被传输到镉电极上被还原为水，但是到1.51V时发生析氢反应，电压的升高会使得其内部电解水反应加剧，电解水反应放出的热量高于电极反应放出的热量，使得蓄电池组整体温度上升。对单体来说单体性能越好，浮充阶段所能达到的最大电压越高，其被分配到的电压也越大，使这些单体电解水的能力高于其他单体，造成的液面下降也越多的主要内因。

图1 故障蓄电池组单体电压分布情况图

图2 蓄电池浮充每个阶段的电压变化曲线

四、维护建议

对该类问题，目前架修过程中现有的处理方法有很大的局限性，通过放电实验不断找出故障单体进行更换。每更换一次故障蓄电池单体，该组蓄电池的放电时间就会延长一段时间，而放电时间每延长一段，又会有新的馈电的单体浮现出来，通过这种方法，可以逐渐恢复蓄电池组的性能，但需要耗费大量的时间，结合现状，提出了以下的维护建议：

（1）车载逆变器充电，一般为快速充电法时，充电电流较大。充足电后，如果不及时停止快速充电，电池的温度和内部压力将迅速上升。内部压力过大时，密封电池将打开放气孔，从而使电解液逸散，造成电解液的粘稠性增大。从镍镉电池快速充电特性可以看出，充足电后，电池电压开始下降，电池的温度和内部压力迅速上升，为了保证电池充足电又不过充电，车载逆变器充电可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法综合来改善充电效果。

（2）新的镍镉电池，新生状态的极板氢氧化镉晶体，截面直径1μm，在电解液中暴露的表面积大。随着电池的长期使用，在极板上慢慢生成晶状体，晶体截面直径长达50～100μm，使电解液中大部分活性物质消失，而且边缘可刺穿隔膜，导致自放电增大或电气短路。建议使用蓄电池活化仪定期对蓄电池组进行维护，其运用复合脉冲电压“冲击”活性物质晶粒，干扰其存在和生长，把蓄电池钝化的“不可逆”变成“可逆”，正确选取或变换脉冲频率，以较小的电流密度对正极板充电，使晶粒活跃起来，从而得到分解，可以有效地解决极板钝化问题。修复后的电池，晶体颗粒变小至3～5μm，电池性能基本能够得到恢复。

五、结束语

结合西安地铁二号线电客车在架修过程中遇到的蓄电池组问题，分析研究得出，蓄电池温度升高并不是由蓄电池电解液液面较低造成的，相反蓄电池液面降低很大程度上是由温度升高导致的蒸发加剧造成，性能落后的蓄电池单体在长期浮充状态下自身并不会过度发热，相反性能正常的单体被分配到的电压加大，使正常单体电解水的能力加大，由于电解水反应放出的热量高于电极反应放出的热量，使得蓄电池组整体温度上升。总结运营中蓄电池组问题，反复推敲验证，提出了合理的维护意见，希望能够在后期运营中加以应用，不断提供蓄电池组的使用寿命及可靠性。