蓄電池活化技術在地鐵應用的可行性

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摘要:近年來隨著中國經濟的飛速發展，各大城市的軌道交通系統建設也突飛猛進，目前軌道交通已經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，地鐵安全運營也格外引人關注。結合UPS系統及鉛酸蓄電池的發展與當前國內外主流產品技術指標，對天津地鐵目前的蓄電池維護模式和弊端進行了分析，對行業內可采用的單體活化、淺循環大電流充電法、恒壓限流活化、諧振技術等蓄電池活化關鍵技術進行了探討，并從節能環保、節約運營成本、提高電池穩定性等幾個方面對蓄電池活化技術在天津地鐵應用的可行性進行了分析。

關鍵詞：鉛酸蓄電池；單體活化；

1問題提出

信號、通信、綜合監控、自動售檢票、火災自動報警系統以及站臺門、變電所設備等均是保障地鐵安全運營的關鍵設備。為了防止以上設備突然斷電帶來的突發故障，均為其配置了高可靠性UPS電源系統［1］，這些UPS系統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鍵設備繼續供應電力30～120min，大大降低了突然斷電帶來的不利影響。蓄電池的采購價格約占UPS設備成本的30%左右，地鐵運營人員除了要選擇性能良好的蓄電池之外，平常在使用時也要注意對蓄電池組進行維護。但現行的對于大容量蓄電池組的維護工作重要性常常被人忽視，以天津地鐵信1號線信號專業的UPS電池為例，2004年出廠時，每一節蓄電池的設計使用壽命都在10年左右，然而，在蓄電池組實際使用時，一般在5年左右蓄電池組就會由于指標超標而老化報廢，截至2017年已經整體更換了兩批次電池。電池的提早損壞不單單造成經濟上的嚴重損失，更對地鐵運營安全構成巨大威脅。如何有效延長電池的使用壽命，成為地鐵運營人員面臨的一個問題。

2鉛酸蓄電池簡介

目前，地鐵的UPS系統一般配備的都是免維護密封鉛酸蓄電池，具有如下特性：安全密封，在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出來；電池內部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置；泄氣系統，電池內壓超出正常水平后，VRLA電池會放出多余氣體并自動重新密封，保證電池內沒有多余氣體，維護簡單，由于獨一無二的氣體復合系統使產生的氣體轉化成水，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、使用方便、不污染環境、體積小、重量輕的優點。目前國際國內主流的密封式鉛酸蓄電池品牌有：海志、賽能、湯淺、山特、松下、科士達等主流品牌。鉛酸蓄電池的結構：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：極板活性物質的脫落軟化、腐蝕變形，內部物質不可逆硫酸鹽化，內部短路，電解液失水過多，熱失控造成的物理損壞等。以上現象由于電池超過最大使用年限或者電池維護不當造成，最終導致電池內阻過大、容量過低而無法使用.

3鉛酸蓄電池在天津地鐵的現有維護模式及弊端

目前天津地鐵的機電、通號、供電等幾大專業管理著大量的UPS系統。目前各專業對自己電池的維護方式主要是以定期帶載放電的形式來活化電池為主，平時電池處于浮充充電狀態，以季度為單位進行一次帶載放電，放電時手動切斷市電供電，讓電池組進入帶載放電狀態。放電一定時間后，如果電池組能夠對設備負載達到最低電力供應時間（一般30min），則恢復市電供電，電池組再次進入浮充充電狀態。如果經過放電后，電池組容量不能滿足對設備負載最低的電力供應時間，將對單體電池的端電壓及內阻等電氣指標進行測量，更換掉指標不合格的單體電池，從而使電池組整體容量達到既定要求。

3.1長期浮充

長期浮充電對鉛酸蓄電池的危害較大，會使鉛酸蓄電池內部活性物質化學反應固化，出現硫化現象，長此以往，鉛酸蓄電池的容量會不斷減小。

3.2帶載放電

現有的帶載放電試驗并不是根據單個電池的具體性能來針對性的制定放電時間、放電電流，而是針對整體電池組做放電試驗。由此帶來滿載放電情況下電流大小無法調節、無法針對性修復電池、電池過充過放或放電深度不夠等技術性問題。充電電流過大產生的氣體在一定量時，會超過電池吸收速率，這將使內壓上升，氣體從安全塞中排出，最終電解液被大量消耗。過充電會使鉛酸蓄電池發生電解水反應，析出大量氣泡，對極板產生沖刷，活性物質與板柵的粘合力被減弱。而長時間過充電，還會導致氫離子的濃度不斷加大，使得極板附近的酸性增強，加快了極板的腐蝕速度，減少了鉛酸蓄電池的使用壽命。另外過放電對鉛酸蓄電池的性能影響較大，當鉛酸蓄電池的端電壓過低時，如果繼續放電，將加速硫化的產生，導致鉛酸蓄電池內部產生大量硫酸鉛結晶，這些結晶將被吸附到負極表面，由于硫酸鉛的導電性能很差，硫酸鉛產生越多，鉛酸蓄電池的內阻就越大，充放電性能就越差［2］。還有當電池組中蓄電池出現個別性能落后電池時，現有充電機制不能對其區別對待，仍然按照最初設置的浮充電壓充電，由于落后電池的內阻、容量等指標已經惡化，如不調整充電電流將進一步造成硫化腐蝕等問題［3］。并對整組蓄電池性能形成惡性循環的影響。

3.3溫度波動與維護工作關聯缺失

目前天津地鐵各專業機房的室內溫度一般在10℃-30℃之間，暑期根據環控制冷設備的工作效率，個別機房溫度甚至可以達到35℃的高溫。從技術角度而言，蓄電池的浮充、均充電壓，需要根據環境溫度的不同進行相應的補償，補償系數大約在3-5mV/℃。但在現有的維護模式中無法做到溫度補償，鉛酸蓄電池的工作環境溫度過低，會使鉛酸蓄電池出現硫化；如果環境溫度過高，會加快氣體的析出，消耗更多的水，如果不能及時補充，會導致電解液的酸性增強，加快極板的腐蝕速度，這也是許多蓄電池無法達到設計壽命的原因之一。

3.4備用電池管理

現有模式下如果發現個別電池性能失效、物理損壞等問題，需要進行更換時，必須走公司的緊急物資采購模式進行單體電池補充替換。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一步惡化，并且造成UPS系統安全的不穩定因素。如果提前采購備用電池，又會出現儲存中的備用電池易老化問題。因為非浮充狀態下的電池處在一個慢性自放電的狀態，電池易出現過放電及硫化現象。

4蓄電池活化工作開展的目標

4.1新到貨及在用電池的性能鑒定

目前，地鐵公司為UPS系統購置的鉛酸蓄電池，由于價格較高，部分不良商會以次充好，選擇低價不正規渠道供貨來獲利。所以有必要成立機構，利用專業的儀器設備，對新購置的電池產品進行性能鑒定，對不符合要求的電池產品及時予以拒收，電池內阻與標準值偏差應小于10%，10h率容量應在第一次循環不低于0.95C10，第5次循環應達到C10標準。在用電池日常維護中有必要利用專用儀器對單體蓄電池的內阻值、容量值等指標進行檢測，一般經驗在電池的內阻超過標準值一倍、容量低于80%時，電池應該被及時報廢更換。進而提前淘汰掉指標不合格的電池，使蓄電池組達到最佳狀態。

4.2電池定期活化養護

在經過專業儀器檢測鑒定后發現單體電池性能退化，但是還未達到報廢標準的電池，可以通過單體活化儀［4］活化的方式，憑經驗的積累合理設定放電電量、放電電流、放電電壓、放電時長，對電池性能指標實現修復［5］，以達到延長電池使用壽命的效果。在延長電池壽命的同時為公司節約不菲的更新電池產生的采購費用。隨著國家加大環境保護力度，重污染的鉛酸電池的報廢流程也勢必更加嚴格。通過活化電池也可以節約公司報廢電池產生的管理成本，并響應國家環保政策。

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庫，可以實現天津地鐵各專業設備UPS不合格單體電池的及時更換。通過定期利用單體活化儀活化的方式，對備用擱置的蓄電池做好補充充電待用。并且省去了當有單體電池損壞的情況發生時，備用電池物資采購不及時產生的設備管理風險。

5蓄電池活化關鍵技術分析

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，給予特別關注。當找到一組電池中的落后電池后，利用單體在線活化裝置，則可以實現針對該落后單體電池在線進行反復充放電，激活電池失效的活性物質，實現蓄電池組中落后單體電池性能的在線恢復，從而提高蓄電池組的一致性，延長蓄電池的使用壽命。

5.2淺循環大電流充電法

對已硫化電池，利用單體活化裝置采用大電流5h率以內的電流，對電池充電至稍過充狀態，控制液溫不超過40℃為宜，然后放出電池容量30%，如此反復數次可減輕和消除硫化現象。此技術的機理，是用過充電析出氣體對極板表面輕微硫化鹽沖刷，使其脫附溶解并轉化為活性物質。此技術的特點，對于輕微硫化可明顯修復，但對老電池不適用。

5.3恒壓限流活化

恒壓限流法實際上是將恒壓充電和恒流充電相結合，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。當電壓達到預定值時，進入恒壓充電方式。由于蓄電池充電電壓較低，充電后期電流很小，因此電解液中產生的氣泡很少，可以節省電能，降低蓄電池的溫升，避免損壞電池的極板。

5.4諧振技術

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，尺寸越大，諧振頻率越低。如果充電采用尖峰脈沖［6］，會產生大量的諧波，可以使粗大的硫酸鉛晶體獲得巨大的諧振能量，將粗大硫酸鉛結晶轉變成細小的晶體，而這些細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晶的環境。諧振修復技術修復效率較高，對鉛酸蓄電池的損害較小，但設計比較復雜，成本相對較高。

6結束語

隨著地鐵建設的快速發展，各地鐵公司的UPS蓄電池的保有量會逐年增長，蓄電池的維護技術從降低運營成本、提高設備穩定性、節能環保等方面具有良好前景。

作者：王楓博 單位：天津市地下鐵道運營有限公司研修中心