地铁车辆镍镉蓄电池电解液异常消耗原因分析及对策

李海林

苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司

江苏省苏州市

215000

摘要：针对镍镉蓄电池在地铁车辆上运用现状，结合苏州2号线列车蓄电池典型故障情况，对镍镉蓄电池内部电解液消耗过快的现象，从原理及结构上进行分析，并提出维保跟踪方案，为后续优化维保策略提供思路。

关键词：地铁车辆；镍镉蓄电池；电解液；液位异常；

0 引言

目前地铁车辆常见的蓄电池主要有镍镉蓄电池和铅酸蓄电池两种。一般地铁车辆在正常情况下，都是通过受电弓-接触网/第三轨受电，当受电系统出现故障时，车载蓄电池将作为车辆应急电源，为整车全部或部分直流110V负载（包括全部的紧急照明、头灯尾灯、所有与安全有关的控制系统、全部通信设备、紧急通风以及所有客室车门的一次开关等）提供至少45分钟时间的紧急供电。正线运营的地铁车辆一旦出现蓄电池故障，可能会造成车辆供电系统的瘫痪，导致重大运营事故。所以针对镍镉蓄电池典型的电解液液位异常消耗的故障进行跟踪和原因分析，并进一步优化前期设计及后期维保策略，对保障地铁车辆安全运营有重要意义和价值。

1故障现象

苏州2号线于2013年开通，采用三动两拖5节编组，共40列车，每列车配置两组140AH镍镉蓄电池组，分别安装在两个拖车车底蓄电池箱内。运营至2020年共发生蓄电池故障50余起，故障类型主要为电解液液位过低、单节或多节蓄电池外壳烧熔、电解液漏液、电压/绝缘异常等。

2020年2月，0220车报蓄电池过温故障，检查发现TC1车蓄电池箱体侧面及底部潮湿疑似漏液，两侧绝缘阻值均为0，其中8节蓄电池单体电压接近0V，故障蓄电池有烧灼粘连现象。经分析故障原因为蓄电池内部极板产生毛刺，刺穿极板间的隔膜，造成蓄电池单体内部短路引起一系列故障。同时在每3个月的蓄电池单体液位抽检中，发现大量蓄电池单体存在电解液消耗过快、液位过低的情况，而蓄电池单体液位过低，可能会使蓄电池内部极板露出液面、电解液浓度过高，进而导致蓄电池内部短路、过温、烧熔等问题，最后造成紧急供电系统瘫痪甚至车辆火灾等恶性事故，存在巨大安全隐患，同时对蓄电池寿命及其稳定性也极为不利。

2 原因分析

1）内部原因

分析镍镉蓄电池电解液消耗异常的内部原因，主要是从镍镉蓄电池的充放电原理及结构方面入手。苏州2号线蓄电池的负极为金属镉，正极为氧化镍,电解液为KOH水溶液，当蓄电池放电时消耗水，充电时又从生成水，随着蓄电池不断地充放电，电解液中的水会不断消耗和生成。而由于镍镉蓄电池密封结构不是理想的密闭空间，在其充放电过程中，由于充电电流或电压长时间保持在高位时，会有部分水以气体的形式排出，造成失水。但在正常情况下这种失水非常缓慢，故而一般早期的镍镉蓄电池加液周期在1年左右即可，目前较好的镍镉蓄电池加液周期可以做到5年，甚至寿命周期内不需要加液。

而在分析苏州2号线镍镉蓄电池故障时，发现该蓄电池存在几个较为明显的问题：

一是苏州2号线主机厂设计所需的蓄电池容量为140AH，而厂家生产制造时的蓄电池容量为176AH，远远超出实际所需。但是由于配套设计的蓄电池箱体体积固定，导致厂家在实际设计蓄电池内部结构时为了达到176AH容量，加大了极板尺寸，加密了极板数量，从而变相压缩了蓄电池内部电解液存储空间的横截面面积，导致加快了电解液液面下降速度，无法达到合同要求9个月的补液周期。

蓄电池结构图

二是选取了部分液位消耗过快的蓄电池以及正常电池返厂测试容量、内阻等数据并分析，推断蓄电池电解液异常消耗和电池容量衰减有关，表现为活化容量低于正常电池，直流内阻高于正常电池。新电池容量为176AH，异常电池返厂放电容量区间为131-142 AH，为出厂容量75%-80%，活化后容量区间为158-169 AH，内阻偏大为0.42-0.52 mΩ（正常0.36-0.38mΩ），单体电压偏高为1.34-1.37V（正常1.30-1.32V）。一般地铁车辆镍镉蓄电池的寿命在15年左右，而苏州2号线开通运营8年，已经出现明显的容量下降情况，一是本身产品质量不高，二是可能前期在对蓄电池壳体因为底部储液空间不足进行整改更换时，对蓄电池极板或其他部件造成了潜在损伤。

2）外部原因

分析镍镉蓄电池电解液消耗过快的外部原因，主要是从蓄电池充放电过程、日常维保手段等因素进行分析。苏州2号线镍镉蓄电池的充电分为恒流和恒压两个阶段，充电曲线如下所示。从理论上讲，如果蓄电池充电电压过高，其充电电流会随之升高并接近设置好的限定值，蓄电池处于高电压和高电流的充电状态时，内部电解液反应加剧，加速失水，即蓄电池充电电压的设定，会影响蓄电池电解液的消耗速度。目前苏州2号线的单体充电电压设定在1.47V,可能存在充电电压设置偏高的问题。

蓄电池充电曲线

另外，苏州2号线蓄电池日常维保进行常规补液时，使用的是厂家提供的专用蓄电池加液小车，该小车可以通过连接蓄电池箱体上的加液口后，进行自动加液。而在人工复核测量蓄电池液位时发现，使用的蓄电池加液小车加液效果不良，存在加液不均、单体间液位差较大，以及加液高度不足的情况。

3 维保对策

1）改善结构：苏州2号线镍镉蓄电池单体顶部使用的气液塞在设计时，底部伸入蓄电池内部的长度较长，设计初衷是预留足够的顶部空间，防止电解液过多而可能导致的溢液。基于苏州2号线蓄电池电解液储液空间不足的情况，将气液塞长度适当减少，可以增加加液小车自动加液时的截止液面高度，增加蓄电池实际储液量。

2）放电活化：对容量降低、内阻增加、单体电压偏高的蓄电池进行放电活化试验，单体电压偏高的电压平均降低0.01V。

3）暂停使用加液小车：在蓄电池日常维保中暂停使用蓄电池加液小车，将3台蓄电池加液小车进行返厂检测，找出原因并整改，并进行功能验证测试。

4）试验调整充电电压：更改充电机控制软件，尝试将蓄电池单体充电电压从1.47V改为1.45V，选取部分列车进行试验跟踪。

5）调整维保策略：一是调整蓄电池单体液位检查及补液周期，从3个月抽检调整为45天全检，在一个半月之内对苏州2号线40列车所有蓄电池单体液位进行保障性普查控制，同时采用人工加液，并在加液前及加液后记录单体液位；二是根据几轮液位记录进行线性推断，将测量蓄电池单体液位高度的玻璃液位管警戒线定为刻度0.4，在每轮检查中发现的月度消耗大于0.2、三个月液位低于0.4的蓄电池单体进行更换，并对九个月液位低于0.4的蓄电池单体进行标记跟踪。

4 电解液消耗情况跟踪

根据前期进行的蓄电池内外部优化整改及维保策略调整，对苏州2号线所有蓄电池单体进行保障性液位普查跟踪，从跟踪情况看，电解液消耗过快的蓄电池单体数量呈逐步下降趋势，但并未完全消除。除了需要排除恶化的蓄电池单体更换及气温降低对跟踪数据上的良性影响，蓄电池本身设计结构缺陷及生产制造可能存在的质量问题也并未解决，苏州2号线镍镉蓄电池电解液消耗过快的问题还需要继续跟踪。

5 运营维保建议

一是在地铁车辆设计之初，对车载蓄电池的容量计算、结构设计、充电机软件等，需要运营部门尽早介入并关注蓄电池容量计算合理性、单体储液空间、液位消耗、密封结构、充放电参数合理性等问题；二是对专用的蓄电池加液装置，在接管前必须要求厂家出具验收文件并进行详细的功能验收；三是出现蓄电池液位或其他异常情况后，及时调整维保策略，对蓄电池单体进行测量跟踪，避免故障影响扩大。

参考文献：

[1]邓文豪. 北京地铁16号线蓄电池牵引方案分析[J]. 现代城市轨道交通, 2016(6):4.

[2]朱恺. 地铁辅助电源系统关键技术研究[D]. 北京交通大学, 2012.

[3]王烟平. 长沙地铁2号线蓄电池鼓包的原因分析及解决措施[J]. 铁道机车车辆, 2017.

[4]桂长清. 实用蓄电池手册[M]. 机械工业出版社, 2011.