蓄電池活化技術(shù)在地鐵應(yīng)用的可行性

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摘要:近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各大城市的軌道交通系統(tǒng)建設(shè)也突飛猛進(jìn)，目前軌道交通已經(jīng)成為大城市居民出行的首選交通方式。以地鐵為主的軌道交通在給人們帶來便利的同時(shí)，地鐵安全運(yùn)營也格外引人關(guān)注。結(jié)合UPS系統(tǒng)及鉛酸蓄電池的發(fā)展與當(dāng)前國內(nèi)外主流產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，對(duì)天津地鐵目前的蓄電池維護(hù)模式和弊端進(jìn)行了分析，對(duì)行業(yè)內(nèi)可采用的單體活化、淺循環(huán)大電流充電法、恒壓限流活化、諧振技術(shù)等蓄電池活化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并從節(jié)能環(huán)保、節(jié)約運(yùn)營成本、提高電池穩(wěn)定性等幾個(gè)方面對(duì)蓄電池活化技術(shù)在天津地鐵應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；單體活化；

1問題提出

信號(hào)、通信、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以及站臺(tái)門、變電所設(shè)備等均是保障地鐵安全運(yùn)營的關(guān)鍵設(shè)備。為了防止以上設(shè)備突然斷電帶來的突發(fā)故障，均為其配置了高可靠性UPS電源系統(tǒng)［1］，這些UPS系統(tǒng)配備了大量的蓄電池組，可以在市電斷電后通過電池的電能為地鐵關(guān)鍵設(shè)備繼續(xù)供應(yīng)電力30～120min，大大降低了突然斷電帶來的不利影響。蓄電池的采購價(jià)格約占UPS設(shè)備成本的30%左右，地鐵運(yùn)營人員除了要選擇性能良好的蓄電池之外，平常在使用時(shí)也要注意對(duì)蓄電池組進(jìn)行維護(hù)。但現(xiàn)行的對(duì)于大容量蓄電池組的維護(hù)工作重要性常常被人忽視，以天津地鐵信1號(hào)線信號(hào)專業(yè)的UPS電池為例，2004年出廠時(shí)，每一節(jié)蓄電池的設(shè)計(jì)使用壽命都在10年左右，然而，在蓄電池組實(shí)際使用時(shí)，一般在5年左右蓄電池組就會(huì)由于指標(biāo)超標(biāo)而老化報(bào)廢，截至2017年已經(jīng)整體更換了兩批次電池。電池的提早損壞不單單造成經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失，更對(duì)地鐵運(yùn)營安全構(gòu)成巨大威脅。如何有效延長電池的使用壽命，成為地鐵運(yùn)營人員面臨的一個(gè)問題。

2鉛酸蓄電池簡介

目前，地鐵的UPS系統(tǒng)一般配備的都是免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，具有如下特性：安全密封，在正常操作中，電解液不會(huì)從電池的端子或外殼中泄露出來；電池內(nèi)部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置；泄氣系統(tǒng)，電池內(nèi)壓超出正常水平后，VRLA電池會(huì)放出多余氣體并自動(dòng)重新密封，保證電池內(nèi)沒有多余氣體，維護(hù)簡單，由于獨(dú)一無二的氣體復(fù)合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，在使用VRLA電池的過程中不需要加水，使用壽命長。該類電池具有免維護(hù)、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。目前國際國內(nèi)主流的密封式鉛酸蓄電池品牌有：海志、賽能、湯淺、山特、松下、科士達(dá)等主流品牌。鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)：由陽板及陰板、隔離板、安全閥、電池殼及蓋等組成。影響電池壽命的因素包括：極板活性物質(zhì)的脫落軟化、腐蝕變形，內(nèi)部物質(zhì)不可逆硫酸鹽化，內(nèi)部短路，電解液失水過多，熱失控造成的物理損壞等。以上現(xiàn)象由于電池超過最大使用年限或者電池維護(hù)不當(dāng)造成，最終導(dǎo)致電池內(nèi)阻過大、容量過低而無法使用.

3鉛酸蓄電池在天津地鐵的現(xiàn)有維護(hù)模式及弊端

目前天津地鐵的機(jī)電、通號(hào)、供電等幾大專業(yè)管理著大量的UPS系統(tǒng)。目前各專業(yè)對(duì)自己電池的維護(hù)方式主要是以定期帶載放電的形式來活化電池為主，平時(shí)電池處于浮充充電狀態(tài)，以季度為單位進(jìn)行一次帶載放電，放電時(shí)手動(dòng)切斷市電供電，讓電池組進(jìn)入帶載放電狀態(tài)。放電一定時(shí)間后，如果電池組能夠?qū)υO(shè)備負(fù)載達(dá)到最低電力供應(yīng)時(shí)間（一般30min），則恢復(fù)市電供電，電池組再次進(jìn)入浮充充電狀態(tài)。如果經(jīng)過放電后，電池組容量不能滿足對(duì)設(shè)備負(fù)載最低的電力供應(yīng)時(shí)間，將對(duì)單體電池的端電壓及內(nèi)阻等電氣指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，更換掉指標(biāo)不合格的單體電池，從而使電池組整體容量達(dá)到既定要求。

3.1長期浮充

長期浮充電對(duì)鉛酸蓄電池的危害較大，會(huì)使鉛酸蓄電池內(nèi)部活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)固化，出現(xiàn)硫化現(xiàn)象，長此以往，鉛酸蓄電池的容量會(huì)不斷減小。

3.2帶載放電

現(xiàn)有的帶載放電試驗(yàn)并不是根據(jù)單個(gè)電池的具體性能來針對(duì)性的制定放電時(shí)間、放電電流，而是針對(duì)整體電池組做放電試驗(yàn)。由此帶來滿載放電情況下電流大小無法調(diào)節(jié)、無法針對(duì)性修復(fù)電池、電池過充過放或放電深度不夠等技術(shù)性問題。充電電流過大產(chǎn)生的氣體在一定量時(shí)，會(huì)超過電池吸收速率，這將使內(nèi)壓上升，氣體從安全塞中排出，最終電解液被大量消耗。過充電會(huì)使鉛酸蓄電池發(fā)生電解水反應(yīng)，析出大量氣泡，對(duì)極板產(chǎn)生沖刷，活性物質(zhì)與板柵的粘合力被減弱。而長時(shí)間過充電，還會(huì)導(dǎo)致氫離子的濃度不斷加大，使得極板附近的酸性增強(qiáng)，加快了極板的腐蝕速度，減少了鉛酸蓄電池的使用壽命。另外過放電對(duì)鉛酸蓄電池的性能影響較大，當(dāng)鉛酸蓄電池的端電壓過低時(shí)，如果繼續(xù)放電，將加速硫化的產(chǎn)生，導(dǎo)致鉛酸蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生大量硫酸鉛結(jié)晶，這些結(jié)晶將被吸附到負(fù)極表面，由于硫酸鉛的導(dǎo)電性能很差，硫酸鉛產(chǎn)生越多，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻就越大，充放電性能就越差［2］。還有當(dāng)電池組中蓄電池出現(xiàn)個(gè)別性能落后電池時(shí)，現(xiàn)有充電機(jī)制不能對(duì)其區(qū)別對(duì)待，仍然按照最初設(shè)置的浮充電壓充電，由于落后電池的內(nèi)阻、容量等指標(biāo)已經(jīng)惡化，如不調(diào)整充電電流將進(jìn)一步造成硫化腐蝕等問題［3］。并對(duì)整組蓄電池性能形成惡性循環(huán)的影響。

3.3溫度波動(dòng)與維護(hù)工作關(guān)聯(lián)缺失

目前天津地鐵各專業(yè)機(jī)房的室內(nèi)溫度一般在10℃-30℃之間，暑期根據(jù)環(huán)控制冷設(shè)備的工作效率，個(gè)別機(jī)房溫度甚至可以達(dá)到35℃的高溫。從技術(shù)角度而言，蓄電池的浮充、均充電壓，需要根據(jù)環(huán)境溫度的不同進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)大約在3-5mV/℃。但在現(xiàn)有的維護(hù)模式中無法做到溫度補(bǔ)償，鉛酸蓄電池的工作環(huán)境溫度過低，會(huì)使鉛酸蓄電池出現(xiàn)硫化；如果環(huán)境溫度過高，會(huì)加快氣體的析出，消耗更多的水，如果不能及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)導(dǎo)致電解液的酸性增強(qiáng)，加快極板的腐蝕速度，這也是許多蓄電池?zé)o法達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的原因之一。

3.4備用電池管理

現(xiàn)有模式下如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別電池性能失效、物理損壞等問題，需要進(jìn)行更換時(shí)，必須走公司的緊急物資采購模式進(jìn)行單體電池補(bǔ)充替換。急采周期往往過于冗長，物資到貨期間，電池組其他單體電池性能可能進(jìn)一步惡化，并且造成UPS系統(tǒng)安全的不穩(wěn)定因素。如果提前采購備用電池，又會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)存中的備用電池易老化問題。因?yàn)榉歉〕錉顟B(tài)下的電池處在一個(gè)慢性自放電的狀態(tài)，電池易出現(xiàn)過放電及硫化現(xiàn)象。

4蓄電池活化工作開展的目標(biāo)

4.1新到貨及在用電池的性能鑒定

目前，地鐵公司為UPS系統(tǒng)購置的鉛酸蓄電池，由于價(jià)格較高，部分不良商會(huì)以次充好，選擇低價(jià)不正規(guī)渠道供貨來獲利。所以有必要成立機(jī)構(gòu)，利用專業(yè)的儀器設(shè)備，對(duì)新購置的電池產(chǎn)品進(jìn)行性能鑒定，對(duì)不符合要求的電池產(chǎn)品及時(shí)予以拒收，電池內(nèi)阻與標(biāo)準(zhǔn)值偏差應(yīng)小于10%，10h率容量應(yīng)在第一次循環(huán)不低于0.95C10，第5次循環(huán)應(yīng)達(dá)到C10標(biāo)準(zhǔn)。在用電池日常維護(hù)中有必要利用專用儀器對(duì)單體蓄電池的內(nèi)阻值、容量值等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，一般經(jīng)驗(yàn)在電池的內(nèi)阻超過標(biāo)準(zhǔn)值一倍、容量低于80%時(shí)，電池應(yīng)該被及時(shí)報(bào)廢更換。進(jìn)而提前淘汰掉指標(biāo)不合格的電池，使蓄電池組達(dá)到最佳狀態(tài)。

4.2電池定期活化養(yǎng)護(hù)

在經(jīng)過專業(yè)儀器檢測(cè)鑒定后發(fā)現(xiàn)單體電池性能退化，但是還未達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的電池，可以通過單體活化儀［4］活化的方式，憑經(jīng)驗(yàn)的積累合理設(shè)定放電電量、放電電流、放電電壓、放電時(shí)長，對(duì)電池性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)修復(fù)［5］，以達(dá)到延長電池使用壽命的效果。在延長電池壽命的同時(shí)為公司節(jié)約不菲的更新電池產(chǎn)生的采購費(fèi)用。隨著國家加大環(huán)境保護(hù)力度，重污染的鉛酸電池的報(bào)廢流程也勢(shì)必更加嚴(yán)格。通過活化電池也可以節(jié)約公司報(bào)廢電池產(chǎn)生的管理成本，并響應(yīng)國家環(huán)保政策。

4.3備用與在用電池輪換

通過組建蓄電池活化班組和備用蓄電池存儲(chǔ)庫，可以實(shí)現(xiàn)天津地鐵各專業(yè)設(shè)備UPS不合格單體電池的及時(shí)更換。通過定期利用單體活化儀活化的方式，對(duì)備用擱置的蓄電池做好補(bǔ)充充電待用。并且省去了當(dāng)有單體電池?fù)p壞的情況發(fā)生時(shí)，備用電池物資采購不及時(shí)產(chǎn)生的設(shè)備管理風(fēng)險(xiǎn)。

5蓄電池活化關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1單體活化

由于一組蓄電池的容量是由其中最小落后單體電池容量決定的，所以首先需要找到其中的落后單體電池，給予特別關(guān)注。當(dāng)找到一組電池中的落后電池后，利用單體在線活化裝置，則可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)該落后單體電池在線進(jìn)行反復(fù)充放電，激活電池失效的活性物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)蓄電池組中落后單體電池性能的在線恢復(fù)，從而提高蓄電池組的一致性，延長蓄電池的使用壽命。

5.2淺循環(huán)大電流充電法

對(duì)已硫化電池，利用單體活化裝置采用大電流5h率以內(nèi)的電流，對(duì)電池充電至稍過充狀態(tài)，控制液溫不超過40℃為宜，然后放出電池容量30%，如此反復(fù)數(shù)次可減輕和消除硫化現(xiàn)象。此技術(shù)的機(jī)理，是用過充電析出氣體對(duì)極板表面輕微硫化鹽沖刷，使其脫附溶解并轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)。此技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)于輕微硫化可明顯修復(fù)，但對(duì)老電池不適用。

5.3恒壓限流活化

恒壓限流法實(shí)際上是將恒壓充電和恒流充電相結(jié)合，又可稱為混合充電法。在充電開始階段，由于蓄電池電壓過低，為避免電流過大而損壞電池，就采用恒流充電法來限制充電電流。當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，進(jìn)入恒壓充電方式。由于蓄電池充電電壓較低，充電后期電流很小，因此電解液中產(chǎn)生的氣泡很少，可以節(jié)省電能，降低蓄電池的溫升，避免損壞電池的極板。

5.4諧振技術(shù)

任何晶體都有自己的固有諧振頻率，諧振頻率與晶體的尺寸有關(guān)，尺寸越大，諧振頻率越低。如果充電采用尖峰脈沖［6］，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，可以使粗大的硫酸鉛晶體獲得巨大的諧振能量，將粗大硫酸鉛結(jié)晶轉(zhuǎn)變成細(xì)小的晶體，而這些細(xì)小的晶體比較容易被還原。諧振脈沖還可以破壞生成硫酸鉛結(jié)晶的環(huán)境。諧振修復(fù)技術(shù)修復(fù)效率較高，對(duì)鉛酸蓄電池的損害較小，但設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

6結(jié)束語

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，各地鐵公司的UPS蓄電池的保有量會(huì)逐年增長，蓄電池的維護(hù)技術(shù)從降低運(yùn)營成本、提高設(shè)備穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保等方面具有良好前景。

作者：王楓博 單位：天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司研修中心