軌道車蓄電池組虧電故障的診斷分析

蘇 鵬

（國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司供電分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

我國(guó)被譽(yù)為基建強(qiáng)國(guó)，在道路交通運(yùn)輸以及人們出行生活等基本設(shè)施的建設(shè)方面，我國(guó)投入了大量的人力物力和財(cái)力資源，促成了現(xiàn)在四通八達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)體系，軌道交通作為連接各個(gè)城市之間的橋梁，軌道交通運(yùn)輸促進(jìn)貨幣的流通，推動(dòng)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。軌道車的主要作用為運(yùn)輸貨物，是鐵路部門施工部門用于執(zhí)行任務(wù)時(shí)用到的主要交通工具。在道路交通事業(yè)發(fā)展前期應(yīng)用較多的為機(jī)械傳動(dòng)軌道車，隨著現(xiàn)代動(dòng)力裝置的不斷推進(jìn)，軌道車已經(jīng)由機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展為電傳動(dòng)，目前的電傳動(dòng)軌道車數(shù)量較少，應(yīng)用最多的為機(jī)械傳動(dòng)。

軌道車作為常見(jiàn)的機(jī)車類型，有負(fù)責(zé)鐵路運(yùn)輸?shù)能壍儡囕v，也有負(fù)責(zé)載客的城市內(nèi)部軌道交通車，主要有電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、鐵路客車、地鐵等。其主要構(gòu)成部位是相同的，車體、車門系統(tǒng)、車體連接裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、電力牽引系統(tǒng)、空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、列車通信系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)與列車監(jiān)控系統(tǒng)。蓄電池是電傳動(dòng)中必要的一個(gè)裝置，蓄電池?fù)碛锌赡娴碾姟瘜W(xué)能量轉(zhuǎn)換功能，是能夠進(jìn)行放電、充電多次循環(huán)使用的直流電裝置，充電時(shí)蓄電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)又可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為直流電將電能釋放出來(lái)。除了用于電動(dòng)機(jī)器的供電能源外，蓄電池儲(chǔ)存的電量還可以用來(lái)給啟動(dòng)機(jī)提供強(qiáng)大的啟動(dòng)電流，為車內(nèi)車用電器，例如音響系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等提供電量。我國(guó)目前對(duì)于蓄電池的功能正在著力研究中，電能將用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的供電系統(tǒng)中，重點(diǎn)研究將其他新能源轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)與方法，并將轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于新能源行業(yè)中，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，減少化學(xué)燃料的燃燒。

1 軌道車蓄電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

軌道車輛內(nèi)部多個(gè)系統(tǒng)中都需要配置可靠性較強(qiáng)、不間斷供電的電源系統(tǒng)，這些電源系統(tǒng)需要配備大量的蓄電池。蓄電池可以為高鐵、地鐵等軌道車輛提供應(yīng)急照明，提供基礎(chǔ)的電力支持，保證基礎(chǔ)的車輛運(yùn)行機(jī)制的應(yīng)用。當(dāng)前蓄電池的應(yīng)用主要為鉛酸蓄電池和鎳鎘堿性蓄電池，其中鉛酸蓄電池是應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的一種，也是軌道交通車輛運(yùn)用最多的一種蓄電池。隨著城市化進(jìn)程的加快，軌道交通車輛將會(huì)越來(lái)越多，尤其是在城市內(nèi)部軌道交通車輛的應(yīng)用中，蓄電池作為主要的配件，會(huì)被廣泛應(yīng)用于行業(yè)中。未來(lái)會(huì)對(duì)蓄電池展開(kāi)分類研究，不同用途的軌道交通車輛、不同系統(tǒng)對(duì)于供電的需求，根據(jù)其主要功能研究專類用途的蓄電池。

2 導(dǎo)致軌道車蓄電池組虧電故障的原因

2.1 電氣系統(tǒng)回路接線有誤

現(xiàn)代化軌道交通車輛在保證平穩(wěn)運(yùn)行的前提下還要提供人們安全舒適的乘坐體驗(yàn)，電氣系統(tǒng)作為軌道車輛中最重要的構(gòu)成體系之一，現(xiàn)代化軌道交通車輛應(yīng)用PLC 控制技術(shù)對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行管理控制，其信息化和智能化技術(shù)水平較高。電氣系統(tǒng)中存在數(shù)量較多且布線復(fù)雜的電纜，現(xiàn)代布線工藝在傳統(tǒng)布線工藝的前提下技術(shù)有所提升，操作更加智能化、現(xiàn)代化。相關(guān)工作人員提前安裝好電氣柜、線管、設(shè)備零部件和線槽等，確定電纜長(zhǎng)度及規(guī)格型號(hào)，隨后進(jìn)行安裝，現(xiàn)代安裝方法是基于傳統(tǒng)布線的方法之上按照模塊式的方式展開(kāi)布線。電氣系統(tǒng)的回路中會(huì)存在很多不同長(zhǎng)度、不同型號(hào)的電纜，若存在電纜搭錯(cuò)的失誤，很有可能導(dǎo)致整個(gè)電氣系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，蓄電池在供電時(shí)無(wú)法正常輸出，無(wú)法進(jìn)行化學(xué)能—電能的轉(zhuǎn)換。

2.2 充電機(jī)容量選型過(guò)小

充電機(jī)作為蓄電池組充電的裝置，其容量大小、選型等也會(huì)影響蓄電池組的正常運(yùn)用，在選擇充電機(jī)規(guī)格時(shí)應(yīng)根據(jù)輸出電量的值、蓄電池組的大小規(guī)格確定充電機(jī)的容量選型。通過(guò)計(jì)算蓄電池組的充電電壓，進(jìn)而確定充電機(jī)電壓，其計(jì)算公式為電池節(jié)數(shù)×每節(jié)電池的電壓數(shù)，比如蓄電池組是5 節(jié)12 V 的電池，充電電壓就是5×12＝60 V，應(yīng)當(dāng)選擇60 V 的充電機(jī)。充電機(jī)的電流計(jì)算公式為每節(jié)電池的安時(shí)數(shù)，乘以0.15～0.18，即是充電電流。目前市場(chǎng)上充電機(jī)的規(guī)格類型較多，在選擇充電機(jī)類型時(shí)要考慮多方面的影響因素。軌道車蓄電池組的充電機(jī)容量過(guò)小，在運(yùn)行過(guò)程中可能因?yàn)槌潆娏窟^(guò)小導(dǎo)致蓄電池組的虧電故障。

2.3 充電機(jī)質(zhì)量問(wèn)題

目前市場(chǎng)上有各種不同規(guī)格型號(hào)的充電機(jī)，其質(zhì)量也參差不齊，在選擇充電機(jī)時(shí)盡量選擇大品牌充電機(jī)，大品牌充電機(jī)對(duì)內(nèi)部充電曲線有著嚴(yán)格的要求，機(jī)械式充電機(jī)適用于要求不高的加液電池，而新能源行業(yè)的電動(dòng)車充電機(jī)主要是智能電子充電機(jī)。質(zhì)量不高的充電機(jī)其內(nèi)部充電曲線在長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)斷裂或者錯(cuò)亂的情況，導(dǎo)致充電機(jī)無(wú)法正常使用，無(wú)法為蓄電池提供電量。因此，充電機(jī)的自身質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的虧電故障。

2.4 蓄電池組容量選型過(guò)小

蓄電池的容量選型必須滿足軌道車運(yùn)行的要求，軌道車需要根據(jù)用電需求進(jìn)行計(jì)算，最終得出適用的蓄電池組容量選型大小，計(jì)算公式為（實(shí)際輸出功率/電池電壓）×延時(shí)時(shí)間=蓄電池組總?cè)萘?。軌道車蓄電池組容量選型過(guò)小，比如電池組浮充電壓設(shè)置低，導(dǎo)致電池組浮充充電不足，蓄電池組在放電時(shí)就不能放出額定容量，電壓過(guò)低導(dǎo)致蓄電池組虧電，不能滿足自放電和氧循環(huán)的需要，如果放出的額定電壓過(guò)高，則會(huì)損失電解液，縮短電池的壽命。因此在蓄電池組在發(fā)生虧電故障時(shí)要考慮是否因其容量選型太小導(dǎo)致的。

2.5 蓄電池組質(zhì)量問(wèn)題

當(dāng)蓄電池組出現(xiàn)虧電故障時(shí)要考慮其電池設(shè)備是否存在質(zhì)量問(wèn)題，如果是電池內(nèi)部硫化過(guò)快，加快電池使用壽命的衰減，則會(huì)出現(xiàn)電池鼓包或續(xù)航不夠的問(wèn)題。因此，當(dāng)蓄電池組出現(xiàn)虧電故障時(shí)要考慮其內(nèi)部是否出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

2.6 充電機(jī)等相關(guān)電纜破損

電纜作為電能傳輸裝置，充電機(jī)的電能輸送都是依靠電纜，如果在電能輸送的過(guò)程中電纜出現(xiàn)破損，會(huì)導(dǎo)致充電機(jī)向蓄電池組輸送的電能無(wú)法到達(dá)，蓄電池?zé)o法儲(chǔ)蓄電能能量，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池組出現(xiàn)虧電故障。因而，在蓄電池組出現(xiàn)虧電故障時(shí)需要檢查其運(yùn)送電能的電纜裝置是否出現(xiàn)破損，阻斷電能輸送。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 電氣系統(tǒng)回路檢查

針對(duì)導(dǎo)致虧電故障出現(xiàn)的可能因素有多種，在虧電故障相關(guān)儀器設(shè)備檢查時(shí)需要逐一進(jìn)行排查。首先是電氣系統(tǒng)回路檢查，電氣系統(tǒng)內(nèi)部組成的各個(gè)部分都需要打開(kāi)進(jìn)行檢查，打開(kāi)整個(gè)車廂內(nèi)部的電氣接線板、直流電器柜進(jìn)行檢查，對(duì)構(gòu)成電氣系統(tǒng)的元器件要進(jìn)行逐一排查，如端子排、斷路器、微機(jī)控制器、DC/DC 電源模塊、PWM 油門輸出控制器、中間繼電器等，看其是否處于正常工作對(duì)狀態(tài)，對(duì)電氣系統(tǒng)內(nèi)部的供電線路也要進(jìn)行檢查，有無(wú)錯(cuò)接、漏接、虛接的現(xiàn)象，接地線是否安裝牢靠穩(wěn)固等。最后是檢查電氣系統(tǒng)司機(jī)面板控制部位的按鍵是否存在問(wèn)題，對(duì)所有功能按鍵進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，看其是否存在異常。

3.2 充電機(jī)容量選型檢查

充電機(jī)容量選型的檢查要通過(guò)計(jì)算分析來(lái)得出，充電機(jī)有其額定功率、額定電壓和額定電流，計(jì)算軌道車充電機(jī)所需要的實(shí)際功率，看其是否超出現(xiàn)有充電機(jī)最大的功率、額定電壓及額定電流值，軌道車所使用的實(shí)際功率以不超過(guò)其最大使用功率為主，核查是否滿足軌道車實(shí)際用電需求。以軌道車冬季夜間所使用的電氣系統(tǒng)各個(gè)元件使用功率為準(zhǔn)（表1），判斷其實(shí)際使用功率是否超出充電機(jī)最大功率。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后排除充電機(jī)容量選型這一影響因素。

表1 負(fù)載功率

3.3 充電機(jī)質(zhì)量檢查

針對(duì)充電機(jī)質(zhì)量導(dǎo)致其蓄電池組虧電故障的問(wèn)題，對(duì)充電機(jī)質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括檢查充電機(jī)外觀是否出現(xiàn)損壞，有無(wú)碰撞變色的痕跡，充電機(jī)發(fā)電電纜的接線處連接是否正常穩(wěn)固，電纜上方有一壓接電纜的螺栓，看其是否出現(xiàn)松動(dòng)，以上檢查便可判斷充電機(jī)質(zhì)量是否存在故障問(wèn)題。判斷充電機(jī)是否出現(xiàn)電氣故障，需要用鉗形多用表檢測(cè)充電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)電數(shù)據(jù)，從而判斷是否出現(xiàn)故障，發(fā)電機(jī)各個(gè)部位的發(fā)電數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢杂?jì)算出充電機(jī)在工作狀態(tài)下的最低輸出電壓值，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)判斷當(dāng)前充電機(jī)是否處于正常工作的狀態(tài)。

表2 充電機(jī)發(fā)電數(shù)據(jù)

3.4 蓄電池容量選型檢查

蓄電池的容量選型需要根據(jù)整個(gè)軌道車所需要的電池容量大小，通過(guò)計(jì)算可獲得整個(gè)軌道車所需要的電池容量大小，同時(shí)軌道車在不同狀態(tài)下所需要的電力能量大小是不同的，因此要計(jì)算軌道車在不同狀態(tài)下的電力需求大小，比如整個(gè)軌道車所需要的供電電壓值、最大啟動(dòng)電流值、一次啟動(dòng)所需要的容量值、5 次啟動(dòng)所需要的容量、軌道車應(yīng)急供電所需要的容量值以及蓄電池的基礎(chǔ)容量等。通過(guò)以上計(jì)算數(shù)值的綜合計(jì)算可以得出最終的容量值，并通過(guò)最終容量值的確定來(lái)選擇合理大小的蓄電池容量。而當(dāng)蓄電池容量過(guò)小時(shí)無(wú)法滿足軌道車在啟用發(fā)動(dòng)過(guò)程中所需要的電流和電壓值。

3.5 蓄電池組的質(zhì)量檢查

蓄電池組的質(zhì)量問(wèn)題檢查包括檢查其外部殼蓋有無(wú)損壞，并詳細(xì)檢查每只蓄電池的開(kāi)路電壓是否處于正常工作的狀態(tài)，同時(shí)檢查蓄電池有無(wú)破裂、鼓脹、漏液的現(xiàn)象，安裝的螺栓有無(wú)松動(dòng)的情況，蓄電池的液面是否處于正常范圍值。在選擇蓄電池組時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇質(zhì)量較好的大型蓄電池生產(chǎn)廠家，知名廠家生產(chǎn)的蓄電池能夠在質(zhì)量方面提供最大的保證，同時(shí)在后期也有完善的維修服務(wù)。目前市場(chǎng)生產(chǎn)的蓄電池種類較多，其功能、類型規(guī)格方面也不盡相同，有專門的軌道車蓄電池組生產(chǎn)廠家，軌道車所使用的蓄電池組內(nèi)部采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及多重密封技術(shù)，能確保在軌道車較強(qiáng)的振動(dòng)幅度下，蓄電池也不會(huì)滲漏電液，屬于軌道車專用的機(jī)車蓄電池。作為軌道車運(yùn)行的電能供給裝置，蓄電池組在出現(xiàn)虧電故障時(shí)應(yīng)當(dāng)詳細(xì)檢查軌道車所使用的蓄電池組質(zhì)量是否存在問(wèn)題。采用鉗形多用表測(cè)量蓄電池組在工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值，包括處于正常工作時(shí)的電壓、電流值、功率值等，以此來(lái)進(jìn)行蓄電池組的質(zhì)量安全檢查。

3.6 電纜檢查

對(duì)于電纜的檢查可以翻閱在電纜在安裝之時(shí)的各項(xiàng)文件數(shù)據(jù)，里面詳細(xì)記載了電纜的生產(chǎn)廠家及各項(xiàng)使用參數(shù)，包括電纜的絕緣材料使用、外皮材料等。一般情況下根據(jù)電纜的用途采用特殊的絕緣材料和外皮包裝材料，比如機(jī)車專用的電纜，其外皮采用氯磺化聚乙烯橡膠混合物，絕緣材料采用乙丙橡膠混合物，同時(shí)機(jī)車用的電纜會(huì)在安裝布線時(shí)外套防護(hù)軟管，軟管的材料采用尼龍PA6 材料。在檢查電纜時(shí)應(yīng)當(dāng)獲得全方位的材料數(shù)據(jù)及布線時(shí)的材料數(shù)據(jù)，通過(guò)材質(zhì)來(lái)判斷是否采用安全可靠的電纜材料，并獲得軌道車在建成之后的各項(xiàng)安全檢驗(yàn)合格報(bào)告，布線施工均按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)來(lái)執(zhí)行，經(jīng)過(guò)測(cè)試后也合格，就可以排除電纜對(duì)于虧電故障的可能性因素。

4 軌道車蓄電池組故障的改善措施

蓄電池組作為軌道車的動(dòng)力來(lái)源，出現(xiàn)故障會(huì)影響到軌道車正常的運(yùn)行，為了避免出現(xiàn)故障或者減少故障出現(xiàn)的次數(shù)，對(duì)于軌道車蓄電池組應(yīng)實(shí)行必要的檢查與改善措施，改善措施主要有以下3 種。

4.1 檢修改善

軌道車作為重要的交通運(yùn)輸工具，其安全運(yùn)行是第一要素，為了保證安全性，在軌道車每次運(yùn)行之前都應(yīng)當(dāng)對(duì)軌道車各項(xiàng)運(yùn)行安全數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，尤其是對(duì)保證動(dòng)力來(lái)源的蓄電池組進(jìn)行檢修，在運(yùn)行前對(duì)電池的性能、相關(guān)設(shè)備器件以及運(yùn)輸電纜等都進(jìn)行詳細(xì)檢查，對(duì)電池的控制板面操作控制按鍵進(jìn)行檢查，檢查是否能正常操作，以及對(duì)蓄電池組的溫度控制機(jī)檢查，蓄電池的使用溫度可以反映當(dāng)前電池當(dāng)前的使用狀態(tài)，超過(guò)溫度控制的蓄電池要考慮是否出現(xiàn)故障，超溫現(xiàn)象還關(guān)系到蓄電池使用壽命的問(wèn)題。

4.2 設(shè)計(jì)改善

設(shè)計(jì)檢修的過(guò)程在于完善蓄電池相關(guān)設(shè)備的使用性能，比如蓄電池的溫度傳感器在出現(xiàn)故障后應(yīng)當(dāng)由應(yīng)急溫度感應(yīng)裝置能夠代替溫度傳感器對(duì)蓄電池溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中能夠?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備的使用性能提出改善措施，使蓄電池在正常應(yīng)用的狀態(tài)下提升使用性能，做好各方面的應(yīng)急措施管理，在蓄電池發(fā)生故障時(shí)能第一時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急管理裝置保證軌道車的正常運(yùn)行。

4.3 手動(dòng)改善

當(dāng)前軌道車運(yùn)行已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化狀態(tài)的運(yùn)行，但是在出現(xiàn)故障時(shí)相關(guān)自動(dòng)裝置基本處于停止運(yùn)行的狀態(tài)，可以考慮采用手動(dòng)操作改善的方法保證軌道車的正常運(yùn)行。通過(guò)人工控制操作的方法可以在出現(xiàn)故障又無(wú)法得到及時(shí)救援的狀態(tài)下人工操作維修，可以確保軌道車在沒(méi)有后期支持的情況下依舊能維持基本的運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

軌道車蓄電池出現(xiàn)虧電故障是常見(jiàn)的一種故障類型，雖然比較常見(jiàn)且普遍，若不加以認(rèn)真檢查及解決，容易導(dǎo)致軌道車在運(yùn)行中出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。蓄電池出現(xiàn)故障可能是單方面或多方面原因?qū)е碌?，只有究其原因才能找到?wèn)題所在并及時(shí)解決問(wèn)題。因此在軌道車蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)致地研究，對(duì)蓄電池的連接裝置都進(jìn)行詳細(xì)的分析，在今后軌道車蓄電池的安裝檢驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免重復(fù)故障的出現(xiàn)，優(yōu)化電池各項(xiàng)功能使用，并將其應(yīng)用到其他軌道車的蓄電池安裝中，從而減少故障出現(xiàn)的概率，優(yōu)化軌道車蓄電池組的使用性能，提升車輛質(zhì)量及安全可靠性，滿足軌道車日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。軌道車是未來(lái)交通行業(yè)的主流，尤其是在城市軌道車的建設(shè)使用中，高鐵作為軌道車中常見(jiàn)的一種類型，會(huì)是未來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)的主流，優(yōu)化蓄電池的使用性能，繼續(xù)擴(kuò)大高鐵覆蓋范圍，增加里程運(yùn)輸線，是交通行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。