动车组蓄电池充放电问题的分析

动车组蓄电池充放电问题的分析

占鹏

武汉中车四方武铁轨道交通科技有限公司   湖北武汉   430084

摘要：本文介绍了某型高速动车组碱性蓄电池检修时，充放电次数、时间对充放电试验的影响。

关键词：记忆效应  活化 容量试验 放电深度

镉镍蓄电池具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等优点，被广泛用于动车组，但在运营过程中，蓄电池仅在受电弓降弓状态及过分相区放电，因放电时间相对较短，充电时间相对较长，长期在这种不规范的充电制度下，镉镍蓄电池容易形成“记忆效应”，镉镍蓄电池记忆效应本质上是由于处于充电状态的正极活性物质，长期不能放电，会变成放电电压低的、稳定的晶型，即更加惰性的镍活性物质。记忆效应属于“可逆失效”，蓄电池三四级检修中很重要的一项内容是对蓄电池组进行容量试验，目的是消除蓄电池的“记忆效应”。

一、蓄电池充放电次数

因为记忆效应是浅放过充造成，需通过完全放电方式消除，目前主要方式是先将蓄电池自身残留电量以0.2ItA（20A）电流放电至单路电压72V，再开始充放循环试验，以20A电流充电8小时，放电至单路总电压72V，经试验验证，多次充放试验，能校正蓄电池的“记忆效应”，恢复蓄电池的储存电荷能力，以下为试验验证。

22XX列1路经过3次循环试验合格，“电压-时间”图像如下图1（时长为4小时）：

图1 22XX列3路容量试验

27XX列第3路经过3次循环试验合格，“电压-时间”图像如下图2（时长为4小时）：

图2 27XX列3路容量试验

对27XX列3路中不合格的单体13、38、48、52进行分析，四个蓄电池单体第二次、第三次、第四次放电图像如下，多次放电，4小时结束时电压的增量最小0.28V，最大1.45V，电压增量在3小时30分前微弱，从3小时30分幅度开始增大，一直到放电结束，即蓄电池的储存电荷能力不断提升，容量不断恢复。

图3 单体13容量试验

图4 单体38容量试验

图5 单体48容量试验

图6 单体52容量试验

通过完全充放电方式活化蓄电池，使其恢复容量，主要是消除Ni电极在集流体与活性物质界面形成不导电的Ni（OH）2层，活化即容量试验，按照GB/T15142-2011《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组方形排气式镉镍单体蓄电池》4.2.1条，容量循环试验在20±5℃环境下可进行5次循环。

按照《蓄电池手册》规定，蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池存放时间。使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数。按照GB/T15142-2011《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组方形排气式镉镍单体蓄电池》4.4.1.3条规定，镉镍蓄电池使用寿命不低于500次。

目前容量试验，除去第一次放电（蓄电池残余电量），最多进行了5次容量试验，加上前期检修放电次数，最多25次，占500次寿命的5%，不影响蓄电池寿命。

以下用试验验证多次放电对合格的电池和不合格的电池有和影响，图5为合格的电池五次放电试验，图6为不合格电池五次放电:

图7 不合格蓄电池放电试验

图8 合格蓄电池放电试验

从上图可以看出，合格的蓄电池五次放电，放电后保持到1V的时间依次提前了约10分钟、延迟了约10分钟、20分钟、10分钟，其中第二次放电与第四次放电曲线重合。不合格的蓄电池，保持到1V的时间分别延迟了约10分钟、10分钟、20分钟、10分钟。多次放电，对合格、不合格的电池的电荷保持能力均有提升，容量均有提高，从上图也可发现，合格的蓄电池保持着更为优秀的“储蓄电荷”能力，直到不合格蓄电池放完电，合格的蓄电池放电电压依旧远高于不合格蓄电池。此时不合格的蓄电池已经满足4小时时放电电压大于1V要求，成为了合格品，在达到试验目的条件下，并且每次试验有明显改善状态下，5~6次完全放电对于合格的蓄电池无损害。

二、蓄电池充放电深度

蓄电池的寿命与充放电次数有关，也与充放电深度有关，放电深度越深，其充电寿命就越短，会导致电池的使用寿命变短，因此在使用时应尽量避免深度放电。以下从蓄电池结构和应用方面来分析。

充电深度大即“过充电”，放电深度大，即“过放电”，以下从过充过放两方面进行分析。

过充电主要是指电池在充电时，在达到充满状态后，还继续充电，过充电时，蓄电池发生如下反应：

正极：4OH-4e=2H2O+O2↑

负极：2Cd+O2=2CdO

由于在封闭的环境中，正极产生氧气速率很小，负极Cd有充足时间吸收O2并转化为CdO，这就促使金属Cd晶粒有充足的时间长大，当有Ni存在时，有充足的时间促使Ni5Cd21合金生成，使不能放电的物质积累，正极也会有NiOOH晶粒长大和γ-NiOOH的积累，使电池基板膨胀，O2的冲击、电池基板的膨胀，都可能造成活性物质的脱落（电解液浑浊），从而导致蓄电池容量降低。

过放电即电池放完内部储存的电量，电压达到一定值（终止电压）后，继续放电。镉镍蓄电池单节终止电压为1V，当多个碱性电池串联放电时，如果有个别电池或单节电池的容量比其他的电池或单节电池都低，在放电过程中，它就首先放完。由于该电池的电压低，又丧失了放电的能力，这时该电池就成为一个用电器（电阻），其他尚有容量的碱性电池就串联起来与该蓄电池形成回路，原来电池的正负极变为电阻的负正极，示意图见图7、图8。

图9合格蓄电池放电示意图                    图10 负电压蓄电池放电示意图

三、蓄电池充放电试验改进措施

GB/T15142-2011《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组方形排气式镉镍单体蓄电池》4.1条规定，在各项放电试验之前，电池应在20±5℃的环境温度下，以恒流0.2ItA充电，充电时间为7～8h。经分析蓄电池充电数据，充满时间在3小时50分与5小时30分之间，以下为随机选取4路“充电电压-时间”曲线。

图9 充电电压-时间图

经以上分析，提出以下建议措施：

1、容量试验过程中，放电电压低于0.8V时，可人为结束该组蓄电池本次放电试验，进入下轮容量试验。

2、多轮容量试验时，一定要确保电解液温度降低到20±5℃再开始下一轮试验，

因为在高温（超过45℃）下充电，可造成活性物质的脱落，影响蓄电池的性能，这是部分文件限制容量试验次数的原因。

参考文献：

［1］ 镉镍蓄电池使用及维护经验  范青华 ，2016.

［2］ 浅谈镉镍蓄电池的正确使用. 2011.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~

作者简介：占鹏（1985-），男，本科，工艺师，主要从事动车组检修等方面的研究，武汉中车四方武铁轨道交通科技有限公司，湖北武汉。

1