新型客车车下蓄电池集成研究

新型客车车下蓄电池集成研究

刘鑫,陈阳,刘博义,邱文辉,张学秀

中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山063000

摘要：蓄电池是重要的电气辅助供电部分，在车辆启动前激活各控制系统、为车辆的空调、照明、乘客信息系统、车载信号及通信系统等提供电源，蓄电池一旦出现故障也有可能导致车辆供电系统瘫痪，直接影车辆行驶性能和车载信号稳定，造成列车停运等其他重大运营事故。

本文重点描述了基于产品用户需求和设计方案改进，对车下蓄电池具有供电安全的电气元件进行集成，远离蓄电池发热组件，并使用防水等级符合要求的管接头防止漏水。

关键词：蓄电池、集成、蓄电池箱体

前言：

随着新型客车越来越频繁的往返于城际，其应用的便捷性和安全性收到普遍认可，新型客车的维修和模块化研究就越来值深入研究，蓄电池系统是客车备用和应急供电的主要方案，在检修和维护中占有重大比例。现代蓄电池主要采用阀控式铅酸蓄电池或碱性电池，蓄电池作为DC110V辅助电源在车辆遇到紧急情况下，用电要求应保持2小时以上，这些用电主要涉及应急照明供电，应急开关门供电、通讯用电、控制用电等。

1，新型客车蓄电池箱的尺寸结构

适配蓄电池箱采用框架式结构，箱体材料为耐候钢，箱体框架厚度不小于4mm，箱体蒙皮厚度不小于2mm，吊耳厚度为8mm，其筋板厚度为10mm；蓄电池箱安装孔对角线之差不大于4mm，吊座高度差不大于3mm；蓄电池安装在箱体内，不与箱体内部框架等其他零件干涉。蓄电池箱通过左、中、右8 个螺栓孔吊装在车体底架之下，箱体内承载有铅蓄电池，其重量约为552kg。箱体组成约为432kg，故整体质量约为984kg，具体的三维模型如图1 所示。

新型客车蓄电池箱的几何模型

通过吊耳安装在车底架之下，车体在运行过程中，蓄电池箱受到各种加速度载荷的冲击，为了确保蓄电池箱吊耳安装强度与整个箱体强度的安全性，需对蓄电池箱结构强度的合理性进行验证。

建立适配客车蓄电池箱结构有限元模型时，凡是对该结构整体刚度及局部强度有贡献的 结构，都予以考虑。为了计算的准确性，模型以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅，蓄电池质量采用 Mass21单元模拟，螺栓采用beam188模拟。有限元模型中单元总数为 254249，结点总数为 257341，总体重量984kg，适配高频蓄电池箱结构有限元模型如图 2 所示。

   适配客车蓄电池箱结构的有限元模型

按照 EN12663:2010《铁道应用-轨道车身的结构要求》确定静态强度计算工况，根据标准要求，静强度计算施加如下载荷：

1) 纵向加速度：±3*g；

2) 横向加速度：±1*g ；

3) 垂向加速度：（1±c）*g ；

其中：g 为重力加速度，取 g=9.81m/s^2；取 c=2。载荷以加速度的方式施加。

在静强度计算载荷工况下，适配客车蓄电池箱结构的Von-Mise 整体应力云图如3、4所示，最大当量应力为190MPa，在箱体的吊耳处。小于其材料的屈服强度 406MPa，满足设计要求，故适配高频蓄电池箱结构满足静强度要求。

蓄电池箱结构整体应力云图

        蓄电池箱结构整体应力云图吊耳处

2，蓄电池系统集成

蓄电池集成主要包括电池组模块，按照电池排布图排列整齐、勾联顺序完好，电池组放置的小车和托架导轨，以及温度传感器、过载保护器和熔断器等，以往来说过载保护器和熔断器等电器元件是可以与电池模块安装在同一箱体空间内的，但是根据Q/CRRC J 86—2021《铁道客车电气安全设计规范》，蓄电池箱内部采用防电解液的绝缘材料加以防护。在蓄电池箱内不应安装过载保护器和熔断器等电器，仅可以安装测量蓄电池温度的温度传感器以及蓄电池、温度传感器用的接线端子和电缆。

蓄电池系统新型集成方式

蓄电池组输出端均应采取短路和过载保护措施；箱体应有通风孔，电池中的气体不能直接排放到车内客室区域。蓄电池组应安装在带滚轮的托架上，不需要工具一人操作能从车辆侧面拉出，托架需要锁定装置。

蓄电池箱体选择防水等级满足IP65的密封卡簧接头隔绝电池箱和附件控制箱，如下图所示。使用环境有风、沙、雨、雪天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象，产品进行外部影响试验，试验后在无放大情况下，不应有正常目视检查能看见的尘土或水珠。

卡簧式密封管接头示意图

蓄电池集成后方便后道工序进行统一的设备吊装，缩短了工作周期，方便了工人操作，避免了有限空间作业的情况。

3，电池常见问题分析和预防措施

   下面重点介绍铁路车辆常见的各种型号蓄电池故障问题。

以铅酸蓄电池为例，曾有事故蓄电池出现发热严重、单体出现鼓包漏液的现象。铅酸蓄电池为了实现密封需要内部进行气体循环，铅酸蓄电池的正负极板活物质在充电过程中异步复原反应，由于二者不同步导致正极板完全充电恢复后，负极板活物质还未完全转变为海绵状铅，这样充电之后正极产生产生的氧气，无法被负极板消耗，从而产生鼓包或漏液。随之还会伴随着严重的蓄电池发热，甚至导致电池外壳软化。

反应式：

正极：4+4+2

    负极：2Pb++2+2

          +2Pb+2

    电池短路，电池短路是电池使用过程中重点防范的问题，车辆电路中自带熔断器和过载保护装置，但是即使这样，有时因保护装置的灵敏性和人为过失，偶有故障发生，短路瞬间会产生重大电流，具有很强的破坏性。

针对蓄电池短路故障，2章节中将保护控制装置即熔断器、过载保护器、控制空开，远离电池模块，并加强质量管控严格保证装置功能正常，可以起到一定的保护作用。除此之外还可以对蓄电池进行绝缘试验，电池元件与电池箱体之间的绝缘阻值不小于20MΩ,对绝缘性能不达要求的应拆卸更换。

4，电池维护

为了避免出现上述问题出现，在蓄电池的检修过程中检修人员要严格按照厂家提供的维护方法进行检修，目前主要进行的维护措施有外观检查，蓄电池漏液和析出晶体检查，单体电池电压检查，蓄电池容量及放电功能检查，如果电池静置时间过久还可以进行浮充充电。基于这些日常维护手段，可以有效提高电池的使用寿命和可靠度，降低客车运营风险。蓄电池集成在电池箱体外的控制箱内，可以减少日常对电子元件的维护，电池化学反应的排放气体也不容易对电子器件造成侵蚀。

总结：通过对客车蓄电池箱体的有限元分析计算，为蓄电池箱的吊耳、纵梁等机械结构优化提供了指导意见，之后提出了蓄电池集成安装的优化方式，为增加生产效率，减少故障问题，提供了新的思路。

参考文献：

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[2] 深圳地铁一号线蓄电池维护手册

[3] 王烟平 长沙地铁2号线蓄电池鼓包原因分析和解决措施[J] 铁道机车车辆 2017

[4] 顾玉莹,姜方红.对地铁车辆电气牵引系统的电气控制研究[J].环球市场,2018,(11):337.

[5] 宋君君 城市轨道列车辅助供电并网控制方案[J] 机车电传动 2019（4）：98-101