（电气工程专业论文）机车阀控密封蓄电池应用与管理研究.pdf

用。 北京交通人学硕i 学位论史 中文摘要 蓄电池是机车供电系统的重要组成部分，对机车安全运行起着至关重要的作 根据蓄电池特性，对我段多年机车蓄电池的运行和管理资料、数据进行分析， 总结起来影响机车蓄电池寿命的主要因素是温度和充电电压，并提出机车蓄电池 的使用注意事项。 充电机的好坏直接影响蓄电池寿命和性能。通过软硬件设计，实现充电机所 要求的功能，比如：恒定电压充电、报警、显示各种参数等，可靠地对蓄电池进 行充电。 关键词：机车、阀控蓄电池、容量、寿命、机车蓄电池充电机、a v r 单片机、 p i 调节 分类号：t m 7 1 4 北京交通大学硕上学位论文 t h er e s e a r c ho no p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t i nu s eo fl o c o m o t i v ev r l ab a t t e r y a b s t r a c t b a t t e r yi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fl o c o m o t i v ep o w e rs u p p l ys y s t e m i tp l a y sav i t a lr o l ei ne n s u r i n go p e r a t i o ns a f e t yo ft h el o c o m o t i v e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a t t e r y ，a c c o r d i n gt om a n yy e a r so fo u r d e p o tl o c o m o t i v eb a t t e r yo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fi n f o r m a t i o na n dd a t a t oa n a l y s i s ，t os u mu pt h ei m p a c to fl o c o m o t i v eb a t t e r yl i f ei sam a j o r f a c t o ri nc h a r g i n gv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e a sar e s u l t ，t h ea t t e n t i o no nt h e u s eo fl o c o m o ti v eb a t t e r ya r eg i v e n t h ec h a r g e rw i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nb a t t e r yl i f ea n dp e r f o r m a n c e 。 d i s p l a y i n gv a r i o u sp a r a m e t e r s ，a l a r mf u n c t i o na n ds oo n ，t oa c h i e v et h e r e q u i r e df u n c t i o n sb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ns u c ha sc o n s t a n tv o l t a g e c h a r g in g k e yw o r d s ：1 0 c o m o t i v e ，v r l ab a t t e r y ，c a p a c i t y ，s e r v i c el i f e ，a v r s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，p ir e g u l a t o r c l a s s n o - t m 7 1 4 北京交通大学硕_ l 学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：于建强导师签名： 签字r 期：2 0 0 8 年 月日 签字r 期：年月 日 北京交通大学硕上学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：于建强签字日期：2 0 0 8 年月 日 北京交通大学硕士学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉心指导下完成的，刘老师对我精 心指导、严格要求，刘老师严谨的治学态度、科学的工作方法以及崇高的敬业精 神给了我深刻的启迪和影响，在此衷心感谢刘老师。 三年来我得到了院系领导、相关老师和同学们的关心、帮助和支持。同样表 示最真诚的感谢。 在调查研究工作及撰写论文期间，我单位的同事们对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 铁路大发展 1 1 1世界铁路发展历史 1绪论 1 6 8 8 年，英国的资产阶级发动“光荣革命 ，宣告了资本主义制度的诞生。 新的生产关系解放了生产力。手工工场日益精密的技术分工，使各个生产过程简 单化到能够用机器代替手工劳动，使手工工人的技术趋于专门化，这都为机器的 发明和应用创造了良好的条件。工业革命拉开了序幕。 工业革命首先是从纺织行业开始的。在纺织行业中，大机器生产逐步取得了 主导地位。机器的发明和应用，蒸汽机应运而生，随后利用蒸汽机的原理制造出 在公路上跑的蒸汽车，也就是后来的汽车。几十年后，能在轨道上运行的蒸汽火 车头问世。 1 8 2 5 年9 月2 7 日，世界上第一条行驶蒸汽机车的永久性公用运输设旌，英国 斯托克顿达灵顿的铁路正式通车了。在盛况空前的通车典礼上，由机车、煤 水车、3 2 辆货车和1 辆客车组成的载重量约9 0 吨的“旅行 号列车，由设计者斯 蒂芬森亲自驾驶，上午9 点从伊库拉因车站出发，下午3 点4 7 分到达斯托克顿， 共运行了3 1 8 公里。 斯托克顿达灵顿铁路的正式丌业运营，标志了近代铁路运输业的开端。 铁路以其迅速、便利、经济等优点，深受人们的重视。在它的发源地英国自不必 说，修筑铁路成为最热门、最时髦的事情。 铁路是国民经济的大动脉。 铁路作为陆上运输的主力军，在长达一个多世纪的时间里居于垄断地位。但 是自本世纪以来，随着汽车、航空和管道运输的迅速发展，铁路不断受到新的浪 潮的冲击。 为了适应社会和经济发展的需要，适应货主和旅客安全、准确、快速、 方便、舒适的要求。各国铁路纷纷进行大规模的现代化技术改造，同时改革运输 组织工作，积极采用高新技术，在重载、高速运输和信息技术方面取得了新的突 北京交通大学硕上学位论文 破，再加之现代管理和优质服务以及铁路的区域联网、洲际联网，使铁路增添了 新的活力，在陆上运输中仍继续发挥着骨干作用，在现代化运输方式中占着重要 的地位。 客运高速：随着各国经济的发展和人民生活生活水平的不断提高，人们对于 迅速、方便、舒适和安全的出行条件及旅行环境，要求越来越高。高速铁路的出 现，使铁路旅客运输一展新貌，也对一些经济发达国家铁路复兴产生积极影响。 重载运输：自本世纪6 0 年代以来，铁路重载运输得到世界上越来越多的国家 广泛重视，一些幅员辽阔、资源丰富，煤炭、矿石等大宗货物运量占有较大比重 的工业发达国家和发展中国家，发展尤其迅速。 牵引动力革命：牵引动力的现代化，是铁路运输科技进步的先导，近年来国 外铁路电力、内燃牵引技术发展十分迅速，设计更合理、技术更先进、运用更经 济的大功率新型电力、内燃机车不断问世。 货物运输集中化和集装化：通过对路网布局进行合理调整使作业相对集中， 提高货物装卸机械化和列车编组直达化的水平，能够充分发挥铁路运输优势，实 现从量的减少到质的飞跃。 运营管理自动化：采用先进手段进行组织和管理，建立起科学、有效的网络 系统，及时掌握客流、货流、车流动态，快速传递并实时处理信息，实行集中指 挥，统一调度管理。 铁路行车安全技术的发展：世界各国在研制和采用现代化运输安全设备，保 证铁路行车安全。 现代铁路的列车性能已趋于能源和维护费用的极限。旅客列车的速度受到安 全的约束，货物列车的重量也已达到桥梁和线路的活载极限。铁路的软件革命即 改进管理与控制，可使铁路的技术设备发挥更高效能。由电子计算机、光导纤维、 数字技术构成的信息系统，将改变传统的通信、信号两个领域的关系。发展的趋 势是以计算机联锁，取代目前的电气一机械联锁。另外，自动排列进路，可使密 集列车运行作业最优化，并使调度员摆脱人脑速度和能力的限制。 可以预见，随着高新技术的发展和应用，铁路将重新焕发青春。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 济南铁路局基本概况 1 9 4 9 年4 月，华东区铁路管理总局改称济南铁路管理局。管内铁路主要分布 在山东省境内1 4 地市和江苏、安徽及河南省部分地区，由京沪、京九、陇海、胶 济线等1 4 条干线和徐州、济南2 大枢纽贯通东西南北，并由青岛、烟台、黄岛和 连云港港口站与海外及国内水运相联，泰肥线、淄东线等2 l 条支线形成铁路运输 网。 线路总延展长度8 2 8 3 9 公里，其中正线5 2 1 8 4 4 公里。车站2 9 5 个，其中， 特等站4 个、一等站1 0 个、二等站4 0 个、三等站5 3 个、四等及以下车站1 8 8 个。 全局职工总数1 4 万人，2 0 0 6 年全局换算周转量完成1 6 0 0 亿吨公里；运输进 款收入完成1 0 0 亿元。 截至2 0 0 6 年年底，济南铁路局承担局管内和部分跨局旅客、货运、调车作业 牵引任务，共计6 9 3 5 对交路，其中客运交路1 5 9 5 对，货运交路5 3 4 对。 截止2 0 0 7 年2 月，全局机务系统共计配属1 4 种机型9 0 6 台机车。其中，内 燃机车：d f 4 型机车2 2 9 台、d f 4 c 型机车1 0 6 台、d f 4 d 型机车8 5 台、d f 5 型机车 6 5 台、d f 7 g 型机车2 2 台、d f 7 型机车5 l 台、d f 8 b 型机车1 0 8 台、d f ll 型机车 5 2 台、d f l l g 型机车2 4 台、n d 5 型机车1 2 6 台、n j l 型机车3 台；电力机车：s s 4 型机车1 7 台、s s 7 g 型机车7 台、s s 9 型机车1 1 台。 该企业在中国企业联合会、中国企业家协会联合发布的2 0 0 6 年度中国企业5 0 0 强排名中名列第一百三十二，2 0 0 7 年度中国企业5 0 0 强排名中名列第一百五十五。 1 1 3 济南西机务段基本概况 济南西机务段隶属于济南铁路局，2 0 0 4 年与原聊城北机务段、2 0 0 6 年与青岛 机务段合并为济南西机务段。管辖区域分布于济南西、聊城、青岛、淄博四个地 区。段办公机构设在济南西地区。现有职工7 8 6 8 人。 济南西机务段青岛地区原为青岛机务段，始建于1 9 0 1 年6 月，曾由青岛北、 青西、黄岛、烟台折返段组成。 北京交通人学硕上学位论文 济南西机务段主要担当京沪线中段、京九线、胶济线( 包括部分支线) 、胶新 线、蓝烟线、邯济线、石德线的货物列车，以及部分客运、专运及行包列车的牵 引任务。 担当区段范围横跨五省两市，根据运输业务、机车检修能力、任务量和机车 配属定性为货运为主客运为辅的内电混合货运机务段。 我段目前配属n d 。型机车、d f 4 ( 客、货) 、d f 。、d f ，、d f 价d f 8 。、n j 。型内燃机 车和s s 。型电力机车。 n d ；、d f 4 ( 客、货) 、d f 8 。、s s 。型机车用于干、支线货运和部分客运列车的牵引 任务，d f 5 、d f ，、n j 。型机车用于列车编解任务。 为进行机车和设备的检修任务，设有中修库2 个，小辅修库5 个，电机库2 个，还设有柴油机备品库、机床库、喷漆库、辅助库、电机大修库、轮对库、中 心备品库、中检库等库房。 承担本段n d 。型机车的简易大修、中修、小修，东风型机车的小辅修，本段d f 。 型机车中修，本段部分d f 4 a 、b 、c 型机车换件大修、中修，n j 型机车小辅修，s s 。 型机车中修、小辅修，并承担运用机车的中间技术状态检查的检修工作，本段内 燃救援起重机的检修工作，以及部分厂矿企业自备机车的检修任务。共有机车中 修台位4 个，中修能力1 5 6 台年；机车小修台位1 8 4 个，小修能力4 7 7 7 台年。 其中青岛小修台位5 个，小修能力6 3 8 台年。 1 2 机车与蓄电池 1 2 1 机车的概况 机车的发展经历3 个阶段，即蒸汽机车、内燃机车、电力机车。 蒸汽机车是利用蒸汽机，把燃料( 一般用煤) 的热能变成机械能，而使机车运 行的一种火车机车。它主要由锅炉、蒸汽机、车架走行部和煤水车四大部分组成。 n - - 次大战结束时，蒸汽机车仍是最常见的机车。 内燃机车是以柴油机作为动力的火车头，与蒸汽机车相比，内燃机车具有许多 优点，例如：它可以节约大量优质煤炭；它的热效率比蒸汽机车高3 倍左右，运 北京交通大学硕士学位论文 行准备时间短，起动加速快，可提高线路通过能力2 5 以上。1 8 9 4 年，德国制造 出世界上第一台内燃机车。从此，内燃机车就成了火车家族中的一位重要成员， 并得到了广泛的应用。内燃机车由下列部分组成：柴油机、主传动装置、辅助传 动装置、车体( 包括司机室) 、走行部及各辅助系统。 机车辅助系统包括：燃油系统、机油系统、冷却水系统、预热系统、空气制动 系统及其他用风系统、控制系统、照明系统、充电系统、检测系统、诊断系统和 显示记录系统等。 中国从1 9 5 8 年开始制造内燃机车，先后有东风型等3 种型号机车最早投入批 量生产。 电力机车本身不带原动机，靠接受接触网送来的电流作为能源，再利用牵引 电机驱动的机车，是非自带能源式的机车。1 8 7 9 年世界第一台电力机车出世。电 力机车虽然问世较早，但直到2 0 世纪6 0 年代才开始受到人们的重视，被大量普 遍地使用起来，已成为铁路机车家族中的佼佼者。电力机车具有功率大、热效率 高、速度快、过载能力强和运行可靠等主要优点，而且不污染环境，特别适用于 运输繁忙的铁路干线和隧道多，坡度大的山区铁路。 1 9 5 8 年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流器， 机车性能不断改进和提高，到1 9 7 6 年制成韶山l 型( s s l 型) 1 3 1 号时已基本定 型。 1 2 2 蓄电池的历史与发展 铅酸蓄电池是1 8 5 9 年由普兰特( p l a n t e ) 发明的，至今已有一百多年的历史。 由于它的性能良好，原材料丰富，价格低廉，经过不断的技术改进，长期在蓄电 池行业独占螯头。但铅酸蓄电池存在缺陷：一是充电时，水分解为氢气和氧气逸 出，失水失容，维修作业量大；二是板栅腐蚀，寿命太短( 甚至被迫选用起动性 能较差的管式电池) ，三是容易漾漏，酸雾弥漫，故障率高，且污染环境。用户一 直在呼唤“长寿命、少维护、高性能、不污染”的换代产品。 2 0 世纪五十年代起，经过对传统的铅酸蓄电池进行技术改造，阀控式密封铅 酸蓄电池问世了。1 9 6 9 年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池 被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得 北京交通大学硕十学位论文 到发展。 近年来，随着信息、能源、电子技术的快速发展，在各个领域，要求提供质 量更好，使用更方便，维护更简单，效率更高的备用电源。阀控式密封铅酸蓄电 池因其价格低廉、电压稳定、体积小、重量轻、免维护、操作方便，对环境无腐 蚀、污染等诸多优点，深受各个行业的青睐。不仅在交通运输、军事国防等传统 领域得到广泛应用，而且被广泛应用于太阳能发电、风力发电、通信电源、电力 变配电系统、铁路、船舶通讯、邮电、航空航天、照明电源、u p s 电源等诸多领域 中。 阀控式铅酸蓄电池的英文名称为v a l v er e g u l a t e dl e a db a t t e r y ( 简称v r l a 电池) ，其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸， 也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀( 也叫安全阀) ，该阀的作用是当电池 内部气体量超过一定值( 通常用气压值表示) ，即当电池内部气压升高到一定值时， 排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。 由于阀控铅酸蓄电池是密封的，不需要定期加补充液，所以生产厂家均以“免 维护来定义阀控密封铅酸蓄电池，这样给用户造成很大误解，使很多用户放松 了对其r 常维护和管理等例行工作，使蓄电池寿命大幅度缩短，容量降低。其实 蓄电池的变化是一个渐进和积累的过程，免维护仅指使用过程中不用加水，而不 是不用维护。因此，正确的安装和良好的使用维护是保证阀控蓄电池安全、经济、 可靠运行，提高蓄电池使用寿命的行之有效的手段。 1 2 3 机车蓄电池的作用 机车蓄电池组是由4 8 节蓄电池串联组成，标称电压为9 6 v 。 内燃机车蓄电池组是供内燃机车柴油机启动、照明及其他电气设备用。 柴油机起动之前，由蓄电池向滑油泵电机供电，滑油泵电机旋转，向柴油机 的运动部位提供润滑油，以使柴油机得到充分的润滑。 蓄电池向起动发电机供电，起动发电机作为串励电动机带动柴油机旋转，当 转速达到柴油机点火速度之上时，柴油机点火，柴油机起动完成。 蓄电池向燃油泵电机供电，燃油泵电机旋转，向柴油机提供燃油。 北京交通大学硕二e 学位论文 预热锅炉可以由蓄电池供电，预热锅炉是为机车上的机油和冷却水的预热而 设置的。 电力机车蓄电池箱与机车ll o v 稳压电源配套使用，为机车提供l i o v 控制电 源；在降弓情况下，蓄电池供机车作低压试验和照明用；电源柜故障情况下，蓄 电池作维持机车故障运行的控制电源。 1 3 机车用蓄电池的国内外状况 1 3 1国内蓄电池 我国内燃机车的起动用铅酸蓄电池，沿用开口式铅酸蓄电池的历史至今已经 5 0 年了。初期为涂膏式开口电池，由于故障多、寿命短，经常影响铁路通过能力。 1 9 7 3 年5 月，苏州蓄电池统一设计会议上，运用部门一致否定涂膏式蓄电池，从 此，内燃机车直采用管式开口电池作为柴油机的起动电源。 我国研制、生产阀控蓄电池始于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代中期阀控蓄电池已 在通讯、电力、汽车等部门铺开，生产和使用都有了相当的规模。 1 9 9 5 年5 月，第二届国际蓄电池博览会上接触到国外已有将阀控电池用于内 燃机车领域的先例，那么，我国铁路能否将这项高新技术作为管式开口蓄电池的 替代产品呢? 1 9 9 5 年1 1 月，北京“密封蓄电池在内燃、电力机车上应用的可行性 研讨会 的召开，标志着阀控电池向内燃机车上的移植研究工作的真正起步。 1 3 2 国外蓄电池 铅酸蓄电池在经历了1 9 5 7 年凝胶电池等曲折历程之后，美国盖次公司终于推 出阀控铅酸蓄电池( v r l a ) ，它以超细玻璃纪纤维建立气体通道，实现了历史性技 术突破。在工作环境要求严苛的数字通信设备领域，阀控电池首先打开局面。2 0 世纪的8 0 年代初，大容量阀控电池的生产和应用，标志着这项面向2 1 世纪的高 新技术业已成熟，从此，阀控电池迅速进入固定型电源、汽车、摩托车、动力牵 引以及铁路机车。1 9 8 8 年日本铁路公司，1 9 9 4 年英国铁路将阀控电池用于内燃机 车领域。 北京交通火学硕上学位论文 1 3 3 研究蓄电池在运行和维护中问题的意义 现代工业的发展对电源系统的可靠性提出了越来越高的要求，因而判断蓄电 池在使用过程中的质量状态，确保电源系统的可靠性和延长电池组的使用寿命， 已成为电源工作者极为关心的大事。根据可靠性工程原理可知，设计决定了电池 产品的固有可靠性：生产工艺过程保证了电池产品的可靠性；使用维护使电池产 品的可靠性得以实现和延伸。 为了延长电池组的使用寿命，保证蓄电池无故障运行，应当从两方面努力才 能实现。一是电池设计和制造技术。蓄电池性能的好坏首先取决于电池的设计水 平和原材料的选择。在生产和制造蓄电池时，必须严格把住从原材料到成品电池 直至产品出厂各个工序中的质量关，其所用的原材料级别必须符合工艺条件的要 求，这样才可以使电池设计中确定的产品固有可靠性得以实现和保证。二是电池 使用维护技术。阀控式密封铅蓄电池从设计的角度来看，它的使用寿命应当会长 达1 0 年以上。然而实际的使用时间却没有这么长，有的甚至只有3 4 年。造成 这一情况的原因除了个别由于产品质量本身欠佳之外，很多是由于使用维护不当 引起的。因此在电池使用维护技术方面应当充分了解蓄电池工作原理，对于存在 的问题，有针对性地提出应对措施，充分发挥其应有作用。 1 9 9 5 年，我国铁路开始尝试将n m 5 0 0 型电池移植到铁道内燃机车上，实践表 明，阀控密封蓄电池在高速移动的机车上使用，有着许多不同于其它场合使用的 独特规律，因此，随着阀控电池的在机车上大面积应用，出现了较多的问题和争 议，研究使用和维护过程中存在的问题，对阀控蓄电池提出新要求，进而推动我 国阀控蓄电池的技术进步有广阔的现实意义。 1 4 本文研究的主要内容 为了保证机车j 下常运行，针对机车蓄电池在运行和维护中存在的问题，本课 题主要研究以下几个问题： ( 1 ) 机车阀控蓄电池的特性 ( 2 ) 机车阀控蓄电池的维护 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 机车阀控蓄电池的充电与管理若干问题 ( 4 ) 新型阀控蓄电池充电机的设计及样机调试 北京交通大学硕斗：学位论文 2 1 蓄电池基本相关知识 2 1 1 蓄电池常用参数 2 机车阀控蓄电池 反映蓄电池的技术参数主要有以下一些： 1 、电池容量 蓄电池的容量是指对电池放电，直到电压降到终止电压为止，在这期间所能 取得的放电电荷量。容量是根据电池的放电反应来定义，因此电池容量指的是放 电时可得到的累积放电电荷量。电池容量的表示法：电池的容量的大小，可以用 电流对时间( 时间单位：小时) 的积分算得，即安时数来表示。通常额定容量指 电池1 0 小时率放电的容量。 2 、内阻 蓄电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极 化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端 电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断 变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和不断地改变。蓄电池的内阻一般是非 常小的。 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系， 常随电流密度和温度都在不断地改变。 3 、放电终止电压 蓄电池在放电时其电压会随着电池电量的减少而逐渐降低，当电压降到所要 求的电位时就不再让它继续放电，称为放电终止，而此电位称之为放电终止电压。 电压放电到此电位时电量几乎已经放光，此状况称为完全放电。如果电池已经完 全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去，就会成为过度放电，电压会急速下 降直到o v 为止，这样，不但没有电力可以推动负载，对电池也会造成损害。而且 北京交通大学硕1 ：学位论文 一旦不慎让电压继续下降到几乎等于0 v 时，就算想终止放电把负载移走恐怕也来 不及了，电池的电压无法再自动回升，充电器也无法再把电充进去，严重损伤电 池。 4 、充电终止电压 蓄电池充足电时，极板的活性物质己达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的 电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。 5 、能量 蓄电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时 ( w h ) 表示。 蓄电池的能量分为理论能量和实际能量。理论能量w 理可用理论容量和电动势 ( e ) 的乘积表示，即 w 理= c 理e 蓄电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量c 实与平均工作电压u 平的乘 积，即 w 实= c 实u 平 常用比能量来比较不同的电池系统。比能量是指电池单位质量或单位体积所 能输出的电能，单位分别是w h k g 或w h 1 。 比能量有理论比能量和实际比能量之分。前者指l k g 电池反应物质完全放电 时理论上所能输出的能量。实际比能量为l k g 电池反应物质所能输出的实际能量。 由于各种因素的影响，蓄电池的实际比能量远小于理论比能量。实际比能量 和理论比能量的关系可表示如下： w 实= w 理k v k r k m 式中k v 一电压效率；k ，广反应效率；k i l r 质量效率。 电压效率是指电池的工作电压与电动势的比值。电池放电时，由于电化学极 化、浓差极化和欧姆压降，工作电压小于电动势。 北京交通人学硕十学位论文 反应效率是表示活性物质的利用率。 蓄电池的e v , - 量是综合性指标，它反映了电池的质量水平，也表明生产厂家 的技术和管理水平。 6 、功率与比功率 蓄电池的功率是指电池在一定放电制度下，于单位时间内所给出能量的大小， 单位为w ( 瓦) 或k w ( 千瓦) 。单位质量电池所能给出的功率称为比功率，单位为w k g 或k w k g 。比功率也是电池重要的性能指标之一。一个电池比功率大，表示它可以 承受大电流放电。 蓄电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数。因为电池要与用电 的仪器、仪表、电动机器等互相配套，为了满足要求，首先要根据用电设备要求 功率大小来选择电池类型。当然，最终确定选用电池的类型还要考虑质量、体积， 比能量、使用的温度范围和价格等因素。 7 、电池的使用寿命 在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。蓄电池发生 内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时蓄电池使用失效，这时 电池的使用寿命终止。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，包括蓄电池的存放时间。使用周期是指蓄电池可供重 复使用的次数。使用寿命不言而喻，自然是越长越好。 2 1 2 阀控式蓄电池的分类 阀控式蓄电池分为a g m 和g e l ( 胶体) 电池两种，a g m 采用吸附式玻璃纤维棉 ( a b s o r b e dg l a s sm a t ) 作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电 池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作；胶体( g e l ) s i 0 2 作 凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。目前文献和会议讨论的v r l a 电池除非特别指明，皆指a g m 电池。 这两种类型的阀控蓄电池的原理结构都是在原铅酸蓄电池基础上，采取措施 促使氧气循环复合及对氢气产生抑制，任何氧气的产生都可认为是水的损失。如 北京交通大学硕士学位论文 果水过量消耗，就会使电池干涸失效，电池内阻增大而导致蓄电池的容量损失。 2 2 阀控式铅酸蓄电池的基本原理 2 2 1阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理 阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池 内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过 电化学反应完成的，电化学反应式如下： 放电反应： p b 0 2 + 2 h 2 s 0 4 + p b - p b s 0 4 + 2 h ：0+ p b s o , , 充电反应： p b s 0 4 + 2 h 2 0+ p b s 0 4一p b 0 2 + 2 h 2 s 0 4 + p b 副反应： j 下极：h ：0 1 20 j + 2 h + + 2 e 一 ( 充电到7 0 ，电池电压达到2 2 7 v 开始析出氧气) 负极：充电2 h + + 2 e 一一h 2 ( 充电到9 0 ，电池电压达到2 3 5 v 开始析出氢气) 放电时，海绵状铅和二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅，这种硫酸铅的结构疏 松，晶体非常细小，电化学活性很高，充电时，在电流作用下能重新生成正极的 二氧化铅和负极的海绵状铅。可见，在正常状态下，这种电化学反应是完全可逆 的。 从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当j 下极充电到7 0 时， 开始析出氧气，负极充电到9 0 时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应 产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电 池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加 酸加水维护的重要原因；而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用， 北京交通人学颐士学位论文 同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。 2 2 2 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理 阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，a g 或g e l 电解液吸附系统， 正极在充电后期产生的氧气通过a g m 或g e l 空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发 生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所 以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维 护。阀控式铅酸蓄电池氧循环图示如下： 正极p b s 0 4 负极 查里p b o ：查仝皇兰二! 兰 充电 _ p b0 2 0 2 a 谢散k _ j 。 h 2 s 0 4 + p b o 可以看出，在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过 充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的o 。反应而被氧化成一氧化铅，另 一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅 反应成海绵状铅。 在电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。 氧的移动过程越容易，氧循环就越容易建立。 在阀控式蓄电池内部，氧以两种方式传输：一是溶解在电解液中的方式，即 通过在液相中的扩散，到达负极表面；二是以气相的形式扩散到负极表面。传统 富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区h 。s o 。溶液中溶解，然后依靠在液 相中扩散到负极。如果氧呈气相在电极问直接通过开放的通道移动，那么氧的迁 移速率就比单靠液相中扩散大得多。充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微 的过压，而负极化合了氧，产生一轻微的真空，于是正、负间的压差将推动气相 氧经过电极间的气体通道向负极移动。阀控式铅蓄电池的设计提供了这种通道， 从而使阀控式电池在浮充所要求的电压范围下工作，而不损失水。 北京交通大学硕十学位论文 对于氧循环反应效率，a g m 电池具有良好的密封反应效率，在贫液状态下氧复 合效率可达9 9 以上；胶体电池氧再复合效率相对小些，在干裂状态下，可达7 0 - - - 9 0 ；富液式电池几乎不建立氧再化合反应，其密封反应效率几乎为零。 2 2 3 阀控蓄电池的容量分类及结构特点 阀控蓄电池容量分为大型、中型和小型三种，单体电池容量2 0 0 h h 及以上为 大型，2 0 - - , 2 0 0a h 为中型，2 0 h h 以下为小型。 阀控蓄电池正常充放电运行状态下，处于密封状态，电解液不泄漏，也不排 放任何气体，不需要定期加水或加酸，正常时极少维护，这是因为阀控蓄电池的 结构具有以下特点： 1 、板栅采用无锑( 或低锑) 多元合金制成正极板，保证有最好的抗腐蚀、抗 蠕变能力。负极板采用铅钙合金，以提高析氢过电位。 2 、采用吸液能力强的超细玻璃纤维材料作为隔膜，它具有良好的干、湿态弹 性，从而使较大浓度的电解液全部被其储存而电池内无游离酸( 贫液) 。或者使用 电解液与硅胶组合为触变胶体。 3 、负极容量相对于正极容量过剩，使其具有吸附氧气并将其化合成水的功能， 以抑制氢氧气体发生速率。 4 、装设自动关闭的单向节流阀( 安全阀) 当电池在异常情况下析出盈余气体， 或长期运行中残存的气体时，经过节流阀泄放，随后减压关闭。 2 2 4 机车常用阀控式蓄电池 我段机车常用阀控式蓄电池先后采用的有1 m - 2 5 0 、n - 4 2 0 、n m - 4 2 0 、n m - 4 5 0 、 d m 一2 0 0 、d m - 4 0 0 等规格型号。通过大量使用阀控式蓄电池，减小职工劳动作业强 度，蓄电池维护周期变长，故障率降低，深受广大职工好评。 北京交通大学硕士学位论文 额定电额定容量 电池规格型号生产厂家 压( v ) ( a h ) d m - 2 0 0 22 0 0中国船舶重工集团公司第七一二研究所 g f m - 5 0 024 5 0 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 n m - 4 5 02 4 5 0 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 g f m - 6 0 026 0 0吉林市泰维电源有限公司 n m - 4 5 0 24 5 0 浙江南都电源动力股份有限公司 n m - 3 6 023 6 0 浙江南都电源动力股份有限公司 n f m - 4 5 0 2 4 5 0 威海文隆电池有限公司 4 n m - 4 5 044 5 0 威海文隆电池有限公司 n m - 4 5 024 5 0 长沙丰日电气集团有限公司 北京交通人学硕士学位论文 3 阀控蓄电池的寿命与运用管理维护分析 3 1 影响阀控式蓄电池寿命的因素 阀控密封铅酸蓄电池克服了普通铅酸蓄电池的三大缺陷：一是充电时，水分 解为氢气和氧气逸出，失水失容，维修作业量大；二是极板腐蚀，寿命太短，三 是容易漾漏，酸雾弥漫，故障率高，污染环境。特别是2 0 世纪8 0 年代，大容量 阀控密封铅酸蓄电池的生产和应用，标志着这项面向2 1 世纪的高新技术已经成熟。 但是，阀控密封铅酸蓄电池同时存在一些缺陷，直接影响蓄电池使用的可靠性和 使用寿命。这些缺陷，归纳为“五怕 ：怕失水、怕过充电、怕过放电、怕硫酸盐 化、怕落后电池。解决存在的缺陷，一方面需要蓄电池生产厂家进行技术创新， 生产出更适应发展需要的新产品，另一方面需要使用工作者针对蓄电池存在的问 题，提出应对措施，在不同使用和工作条件下用好阀控蓄电池，延长使用寿命。 根据我段多年对机车蓄电池的运行和管理资料、数据进行分析，总结起来影 响机车蓄电池特性和寿命的主要因素有以下： 1 、环境温度对电池的影响 阀控式密封蓄电池受温度影响较大，电池容量与环境温度密切相关，2 5 。c 时 蓄电池的容量为l o o ；在2 5 以上时，每升高1 0 蓄电池的容量会减少一半； 在2 5 以下时，温度每降低l ，容量将下降l ( 如表1 所示) 。除了温度会影 响到电池内部电解液的粘度以及电阻( 电解液温度受环境影响升高后，扩散系数 增大，电阻降低，其电动势也会稍有增加，从而电池容量及活性物质利用率随温 度增加而增加；温度降低时反之) 外，还与环境温度对正负极活性物质利用率的 影响有关。在低温工作条件下，负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒，致 使p b s o 。极易被冻结和堵塞，从而大大降低了活性物质的利用率。假若在低温恶劣 情况下大电流放电使用，负极活性物质中的小孔将会被阻塞得更严重。海绵状铅 可能变为致密的p b s 0 4 ，使得电池可放出的电量大大降低。对于j 下极板，其温度系 数为负值，因而在低温下具有较高的电极电势，从而在低温情况下正极放电速率 远大于负极放电速率，这样，在负极生成p b s o 。层前，正极p b 0 2 转化为p b s o 。的过 北京交通人学顾十学位论文 程已经结束，所以正极板在低温下不生成致密的p b s o 。晶粒。但是环境温度较高时， 蓄电池正极板析氧加速，极板的腐蚀速度会大大增加，同时电池的水消耗也会大 大增加，从而使得电池的寿命大大缩短。长期运行温度若升高i o 。c ，使用寿命约 降低一半。 温度( )2 52 01 51 0 5 0 当前电池容量( ) i 0 09 59 08 47 67 l 表1在2 5 。c 以下时温度与容量的关系 蓄电池工作在2 1 - - , 2 5 之间时，其寿命是最长的，在此温度区间，其容量也 是最大的，因此应该尽量使v r l a 蓄电池工作在2 5 。c 的环境之中。 2 、过度放电对电池的影响 蓄电池按照一定电流放电，放到终止电压后仍继续放电，当电池单节电压低 于i 8 v 时，会造成过放电，不同倍率的放电电流会使蓄电池有不同的容量。当蓄 电池被过度放电到其电压过低时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到蓄电 池的阴极表面，在电池的阴极造成“硫酸盐化 。硫酸铅是一种绝缘体。它的形成 必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐 越多，蓄电池的内阻越大。电池的充、放电性能就越差。蓄电池的使用寿命就越 短。此外，应该注意到小电流放电会使电池形成硫酸铅，而大电流放电产生硫酸 铅晶体速度要比小电流条件下慢，如果长期小电流放电，硫酸铅得不到分解，必 然会影响电池容量和寿命。 3 、热失控现象对电池的影响 热失控是指电池充电电流增大与电池温度升高相互助长的恶性循环，最终导 致电池的失效。由于阀控铅酸蓄电池多采用贫液设计，电池中灌注的电解液都吸 附在玻璃纤维板上，小电流正常充电时安全阀不开放。但当充电电流增大时，就 需要通过安全阀来释放气体。因而造成了蓄电池失水、内阻增大、容量衰减。密 封铅蓄电池是紧装配，内部散热困难；不像开口式自由电解液铅酸蓄电池，可以 在充电析气时搅拌电解液，有利于散热。在充、放电过程中产生大量的热量来不 北京交通大学硕上学位论文 及扩散，就使温度剧增，形成热失控。在热失控严重的情况下如果放电，有可能 使蓄电池瞬间电压骤降和蓄电池壳体温度上升至7 0 c , - - , 8 0 c ，会使电池槽变形 “鼓肚子，缩短电池寿命，并逐渐导致电池失效。 这是因为蓄电池充电末期由正极产生的氧跟负极起反应，上述反应为放热反 应，总放热量高达3 9 2k j m o l ，氧再化合使浮充电流增加，而且电池充电末期， 电压会快速上升，此时充电电能绝大部分转化为热能，从而引起电池温升加剧。 由于放热反应引起电池温度升高，如不及时调整浮充电压，则浮充电流就会升高， 后者又能引起电池温度继续升高；如此反复积累的结果，将会导致电池出现热失 控。热失控是一种具有很大破坏性的现象。 4 、失水现象对电池的影响 蓄电池在充放电过程中，内阻产生大量的电阻热，电阻热使电解液中的部分 水变为水蒸气，如果蓄电池排气孔畅通，水蒸气就会排出蓄电池外，长期如此将 导致蓄电池缺水。阀控密封蓄电池因过充电、安全阀开阀压力低、氧吸收不完全、 极板腐蚀、渗漏等原因同样存在失水问题，水损失必然带来蓄电池容量下降，失 水率达到2 5 ，密封蓄电池容量全部消失。 5 、落后电池对蓄电池组的影响 因失水、负极板的硫酸盐化和塌缩、正极板板栅腐蚀，活性物质同板栅分离， 以及过度的检修照明用电、蓄电池中间抽头供电等情况，都会使部分蓄电池的容 量下降，产生落后电池，特别是蓄电池运用后期，落后电池更是无可回避的现实。 当蓄电池处于充电状态时，其中容量较小的电池就会提前析气，电压升高，温度 升高，电解水反应加快，这些变化反过来又促使温升加大失水量加剧，甚至出现 热失控，加速电池恶化进度，直到失效。电池组中原先容量较大的电池，其充电 电压上升很慢，容易造成充电不足。当蓄电池处于放电状态时，如果外负载变化 不大，则蓄电池组中各单只电池之间的差别还不太明显。一旦外负载变化较大、 则容量较小的电池放电深度就加深，有时候也可能使放电电压降至规定的终止电 压以下，给电池造成“内伤 ，其结果必然进一步缩短电池寿命。蓄电池组的均匀 性出现明显下降时，则会产生恶性循环，促使均匀性加速下降。 6 、蓄电池开、闭阀压力的不均匀性的影响 北京交通人学硕十学位论文 安全阀的开阀压力和闭阀压力有严格要求，应根据气体复合压力条件确定， 开阀压力太高，易使电池内气体超出极限值，导致电池外壳膨胀或炸裂，影响电 池安全。如开阀压力太低，气体和水蒸气严重损失，电池可能因失水过多而失效。 为防止外部气体进入电池内部，破坏电池性能，要及时关闭安全阀，闭阀压 力过低，将造成外部气体进入蓄电池内部，使蓄电池处于开放状态，不利于蓄电 池的气体复合。闭阀压力长期过低会造成蓄电池干枯，从而大大缩短蓄电池的使 用寿命，由此引起整组电池不均匀性的加剧。 3 2 阀控式铅酸蓄电池的使用维护注意事项 1 、减少环境温度的变化对阀控式密封蓄电池的影响。 机车蓄电池安装在机车外部，环境温度变化相当大，虽然标准中允许电池在 一1 5 - - - + 4 5 范围内工作，但最好使电池温度不超过3 0 ，短时间内也不超过3 5 。同样，低温会导致负极性活性物质利用率下降，影响蓄电池的容量，如电池 在一i o c 的环境温度下放电时，负极板容量仅能达到3 5 的额定容量。因此，应对 蓄电池的安装方式进行改进，冬季进行保温处理，夏季保持通风畅通，尽量保证 在最佳使用温度2 5 左右。 2 、控制放电。 防止电池过放电，尤其是绝对禁止深度放电。放电控制包括放电电压控制和 放电电流控制。放电电压控制是放电过程中，根据电池组的总电压降低到某一值 时就结束放电过程，或根据电池组中任一单体电池端电压降到某一值时就结束放 电过程。放电电流控制是指在放电过程中根据放电电流的大小、放电时问的长短 控制放出电量的过程。放电控制是保护蓄电池的有效手段，蓄电池端电压不要低 于终止电压，防止蓄电池过放电，导致蓄电池性能下降，缩短电池的使用寿命。 3 、杜绝热失控 为杜绝热失控的发生，可采用的相应措施有：充电设备应有温度补偿功能 或限流功能；严格控制安全阀质量，以使电池内部气体正常排出；蓄电池要 设置在通风良好的位置，并控制电池温度。 北京交通大学硕1 二学位论文 4 、尽可能做到电池不失水或少失水。 如果充电时间允许的话，就要尽可能降低并严格适时控制充电过程中的电压 值。在要求充电时间短而必须大电流充电时，可以采用多级恒电流充电方式。当 充电电流 0 0 5 c 时，充电电压应不高于2 4 0 v ；当充电电流 o 0 2 c 时，充电电压 可适当提高到2 5 0 v ，但时间不宜过长。 5 、及时查找更换落后电池 由于