城轨车辆蓄电池的检修与维护

1、城轨车辆蓄电池的检修与维护摘要本毕业设计针对我国铁路车辆所使用的各种蓄电池进行研究，首先概述性介绍蓄电池 的结构、种类及发展历史，之后，重点介绍了铁路车辆用蓄电池的检修与维护及维修工作 内容及要求。通过对这些方面的学习，使我对蓄电池的使用保养和小故障处理具有了一定 的认识，使这些方面的能力得到一定的提升。另外，本论文也涵盖了对新型蓄电池的部分介绍，让我对蓄电池的新技术有所了解， 拓展了蓄电池的认知度及选用范围。关键词：铁道车辆蓄电池检修AbstractThevariousbatteriesusedingraduatedesigninviewofChina"srailwayvehicl

2、e is studied, firstly generally introduces structure, types and the development history, battery, focuses on the battery repair and maintenance and repair work contentsand requirements for railway vehicle. Based on these aspects of learning, make me on the battery maintenance and fault treatment has

3、 a certain understanding, sothatthe capacity of these areas have been improved. In addition, this paper also covers the battery part, let me understand the new technology tothebattery, expand the awareness and the selection range of battery.Keywords:Railway vehiclebattery maintenance目录第1章蓄电池概述11.1 蓄

4、电池在电力机车上的应用21.2 供电蓄电池31.3 起动蓄电池41.4 碱性蓄电池与酸性蓄电池比较51.5 新型蓄电池6第2章蓄电池的结构102.1TG 型铅蓄电池102.2 镉镍碱性蓄电池122.3 阀控型铅酸蓄电池142.4 阀控式铅酸电池与胶体电池的差异17第3章蓄电池的工作原理193.1 阀控式蓄电池的结构原理193.2 阀控式蓄电池的工作原理19第4章蓄电池的故障分析234.1 影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素234.2 常见故障的原因分析26第5章阀控式铅酸蓄电池的维护与检修295.1 环境对蓄电池的影响295.2 阀控密封铅酸蓄电池常见问题305.3 蓄电池的测试305.4 阀

5、控密封铅酸蓄电池的维护325.5 阀控密封铅酸蓄电池的检修35第6章心得体会39参考文献40 第 1 章蓄电池概述蓄电池是化学能与电能相互转换的装置，它能把电能转变为化学能储存起来，使用时 再把化学能转变为电能，而且变换的过程是可逆的。以上两个过程，前者称为充电，后者 称为发电。根据极板所用的材料和电解液性质的不同，蓄电池一般可分为酸性(铅)蓄电 池和碱性蓄电池两大类。碱性蓄电池按其极板活性物质的不同，又可分为铁镍蓄电池和镉 镍蓄电池等系列。铅酸蓄电池的发明至今已有一百多年的历史，因其价格低廉、原材料易于获得，使用 上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点使其在化学电源中一

6、 直占有绝对优势。到 20 世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、 循环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：(1) 充电末期水会分解为氢、氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；(2) 气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。铅酸蓄电池是 1859年 G.plante 发明的。自铅酸蓄电池被发明以来，因其价格低廉、 原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等特点，目前已成为世界上产量最大、 用途最广泛的蓄电池品种。铅酸蓄电池经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛 应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域。以

7、产品的结构形式分类，可以分为 开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型(AGM、阀控胶体型(GEL)等几大类产品。国内小型电动车上用的铅酸蓄电池主要是AG臟附式和胶体两类阀控密封型蓄电池产品，目前AGM吸附式蓄电池在市场上占主导地位。胶体蓄电池因生产难度大、技术水平高、 国内胶体材料不稳定、生产成本高等原因，国内只有少数几家蓄电池厂在生产，而且用户 反映产品质量并没有明显的提高。据国外权威蓄电池研究机构报道，胶体动力型蓄电池综 合技术指标和寿命明显优于普通的 AGM吸附式蓄电池，胶体蓄电池是动力型铅酸蓄电池的 发展方向。根据热力学原理，铅酸蓄电池的电动势是2V,同样额定电压也是 2V

8、,所以我们日常见到的铅酸蓄电池产品的电压都是 2V的倍数。我们常用的6V和12V电池分别是由3个和 6个内部串联的2V蓄电池单元组成的。像我们日常见到的其他种类电池一样，铅酸蓄电池 的每个单元也分正极和负极。铅酸蓄电池的正极是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为 储存电能的物质，正常为红褐色，负极是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为 灰色。正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。铅酸蓄电池用纯净的稀硫酸作为电解 液，比重一般在 1.21.3g/ml 之间，电解液的主要作用是参加极板上的化学反应、导通离 子和降低电池反应时的温度。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开，吸附式密封蓄电池的 隔板是

9、由超细玻璃丝绵制作的，这种隔板可以把电解液吸附在隔板内，吸附式密封蓄电池 的名称也是由此而来。胶体蓄电池的隔板种类比较多，而且很多厂家还使用多种材料复合 的隔板。近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，实现电 池的密封，获得干净的绿色能源。 1969 年，美国登月计划实施，阀控式密封铅酸蓄电池和 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 到发展。 1992年，经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，密封铅酸蓄电池得到了广大用户的认 可。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

10、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，排出气体，然后自动关阀， 防止空气进入电池内部。VRIA 电池就是阀控式密封铅酸蓄电池。它诞生于 20 世纪 70 年代，到 1975 年时，在 一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市场。这种电 池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎， 特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起（或一个工作间）的用户青睐，例如 UPS电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。这是因为 VRIA 电池是全密封的，不

11、会漏酸， 而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以 从结构特性上人们把 VRLA电池又叫做密闭（封）铅酸蓄电池。为了区分，把老式铅酸蓄电 池叫做开口铅酸蓄电池。由于 VRIA电池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一 个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”。1.1 蓄电池在电力机车上的应用蓄电池作为电力机车的备用电源和启用电源，其作用主要包括：在降弓状态下位机车 的控制电路、低温预热电器、辅助压缩机、照明显示等低压电器提供 110V 直流电源，保证机车升弓并投入工作，在电力机车运行中110V控制电源发

12、生故障时,给控制电路提供电源来维持机车的短时故障运行；机车在正常运行过程中对控制电源起滤 波作用，以降低控制电源的纹波系数，提高控制电源的品质；为机车的低压试验提供控制 电源和为机车的故障检查提供照明电源。从我国首台电力机车问世直至 20世纪 90年代中期，我国电力机车一直采用普通的镉 镍碱性蓄电池（铁壳体）。随着对蓄电池性能要求的提高，原有的蓄电池固有的一些缺陷 （如漏液、故障率高、存在记忆效应、每运行半年左右需要换液维护等）与电力机车对蓄 电池的运用要求之间的矛盾愈益明显。而阀控式免维护型铅酸蓄电池作为新产品，以其比 能量高、常温放电性能平稳、少维护（终生免换液）、无记忆效应、不漏液（塑料

13、外壳）、 一次性价格低等特点迅速在电力机车领域得到广泛应用。此后，在 20 世纪 90年代末期，镉镍碱性蓄电池的研发工作取得了较大的发展，研制出具有少维护、寿命长、耐过充过放、应用温度范围宽、不漏液（塑料外壳）等特点的镉镍碱性蓄电池。从此酸碱两种少维护型 蓄电池均在电力机车领域获得了应用。下面是机车车辆用铅、碱性蓄电池的种类如表 1-1 。表 1-1机车车辆用铅、碱性蓄电池的种类种类型式极板主要使用机车车辆负荷铅蓄电池TRA12TRP15TRE（ 密封式）糊膏式JR 线客车JR 线内燃动车JR 新干线车内灯发电机组启动车内灯碱性蓄电池AEAM-PAE-S（ 密封式）QFYM （组合式）QCA-

14、T （密封式）盒式JR 线电动车组私铁电动车组JR 新干线私铁电动车组新交通国营、私营车内灯控制辅助电源 1.2 供电蓄电池传统供电电源使用的蓄电池为 TG型酸性铅蓄电池或 GN型碱性镉镍蓄电池，其主要规 格如表 1-2 所示。表 1-2供电蓄电池主要规格型号生产国额定容量（ A? h）额定电压（ V）充电放电电流（ A）电解液比重蓄电池全重量（ kg）电流（ A）时间（ h）夏季冬季酸性铅蓄电池 TG-540TG-450TG-350BH-400BH-400T4B-390中国中国中国前苏联前苏联德国540450350400440390222260504460606271571571554453

15、57062781.231.231.231.2712.81.261.281.281.281.271.281.265044.534碱性镍镉蓄电池GN-250GN-300TH-3509156.33中国中国前苏联德国2503003503751.21.25060907588506075751.201.201.201.201.281.281.201.2718.421.01715.9普通客车及德国进口空调客车，采用轴驱式发电机与蓄电池组并联供电。当车辆停站 或低速运行时，车辆停止转动或低速转动，轴驱式发电机尚未建立足够电压，车上电灯、 电扇，电动水泵以及空调机组，此时，均由蓄电池组供电。普通客车采用 48V

16、 直流电源， 蓄电池组由24只铅蓄电池串联而成；空调客车采用110V直流电源，由56只铅蓄电池或者 78 只镉镍蓄电池串联成组。DC600V/380V 兼容集中供电空调客车，为了保证照明、通风及控制电器使用不间断电 源，采用DC110V共电装置。这种装置由充电器、蓄电池组等部件组成。其中，蓄电池组 采用 78节中倍率碱性蓄电池， 200km/h 电力动车组采用德国产镉镍免维护电池额定电压为 93.6V，容量为100A? h,额定充电电压为 115V,最大允许充电电池为 25A。充电器将DC600V直流电变换成DC110V直流电，向蓄电池充电的同时，向DC110V用电负载供电。当摘挂机车或停电时

17、，由蓄电池供给照明、通风及控制电器等用电。1.3 起动蓄电池发电车和带有空调装置的软卧车或公务车中的柴油发电机组，用起动蓄电池驱动直流 电动机起动柴油机，使柴油机转速达 100r/min 以上。起动蓄电池具有大电流（4001000A）放电、蒸馏水消耗多、充放电频繁的工作特点常用的铅蓄起动蓄电池型号和规格如表 1-3。表 1-3 铅蓄起动蓄电池型号和规格型号额定电压（ V）计量标准（ kV? A? h）净重（ kg ）+30C起动放电经常充电第一阶段第二阶段电流（ A）时间（ min）容量（ A? h）电流（ A）时间（ h）电流（ A）时间（ h）6-Q-1266-Q-14012121.512

18、1.68046503804205.55.53538.612.614.08 108106.37.06 86 81.4 碱性蓄电池与酸性蓄电池比较 现在国内铁路客车常用的蓄电池为铅酸蓄电池和镍镉碱性蓄电池，下面是这两者的区别。1.4.1 铅酸蓄电池特点（ 1 ）铅蓄电池单只初置成本较低。（2）酸性蓄电池可以用测电解液密度的方法来了解容量，碱性蓄电池则无此项简单 方法。（3）单位重量的容量较小、寿命小于1000 次充放电循环（约 3 4 年）。4）静置 1 个月的自放电损失电能达 30%左右5)应用和维护保养工作中有氢气和硫酸污水产生，制造过程要防止工人铅中毒。(6)铅蓄电池使用 H2SO4乍为电解

19、液，腐蚀蓄电池池箱，容易造成车体漏电。1.4.2镉镍碱性蓄电池的特点(1) 理论重量比能量 K大于铅酸蓄电池(2) 镉镍碱性蓄电池自放电较铅酸蓄电池笑，常温下贮存1 个月，自放电为 10%。(3) 镉镍碱性蓄电池在-40C环境下工作容量降低至 65%铅酸电池则为30%左右。(4) 寿命长。全充电放电达 10002000次循环，浮充电(指蓄电池与恒压直流电源一直并联在一起，使其保持全充电状态的一种充电方式)状态使用寿命可达15 年左右。( 5)结构牢固，耐高温及大电流充电。镉镍碱性蓄电池虽具有上述优点，但加工较复杂加之原材料昂贵，故初置成本较高， 而且镉也会造成环境污染和工业中毒问题。此外季节不

20、同，使用的电解液成分也不同。1.5 新型蓄电池下面就是国内新型蓄电池一一阀控式密封铅酸(VRIA)蓄电池和胶体电池的介绍。1.5.1 阀控式密封铅酸蓄电池目前国内外生产的VRLAS电池主要采用两种技术：AGM技术和GEL技术。AGM 技术是贫液式设计，电池内部没有流动的电解液，它采用超细玻璃棉隔板，隔板 吸收了足够的电解液后仍保持 10%左右的孔隙作为氧气的复合通道，正极析出的氧到负极 复合，以实现氧的循环。它具有自放电小、充电效率高的优点，极群采用紧装配，内阻小， 适合大电流放电，气体复合效率高，酸雾逸出少，初期容量较高，有较好的低温放电性能。GEL 技术即生产胶体电池的技术。胶体电池中氧的

21、复合通道是胶体收缩时所产生的裂 纹，由于采用富液式设计，深放电的恢复特性较好，能防止电解液干涸，胶体的固定作用 使电解液几乎不存在分层现象，在较高的环境温度下，胶体电池有较长的寿命。但胶体电 池在使用初期，裂纹少，复合效率低，控制阀经常打开排放酸雾，无法充分体现密封蓄电 池在环保方面的优越性。经过一段时间，裂纹增多，这个缺点自然而然就会被克服。1.5.2 胶体电池胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂， 使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言，胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固 态的水性胶体，从电化学分类

22、结构和特性看同属胶体电池。又如在板栅中结附高分子材料，俗称陶瓷板栅，亦可视作胶体电池的应用特色。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶 向偶联剂，大大提高了极板活性物质的反应利用率，据非公开资料表明可达到 70wh/kg 的 重量比能量水平，这些都是现阶段工业实践及有待工业化的胶体电池的应用范例。胶体电池与常规铅酸电池的区别，从最初理解的电解质胶凝，进一步发展至电解质基 础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用推广。其最重要的特点为：用 较小的工业代价，沿已有 150 年历史的铅酸电池工业路子制造出更优质的电池，其放电曲 线平直，拐点高，比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大20%以上

23、，寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右，高温及低温特性要好得多。胶体电池是目前世界上各项性能最优越的阀控式铅酸免维护蓄电池，它在使用时性能 稳定,可靠性高,使用寿命长 ,具有以下的技术特点 :（1）采用固体凝胶电解质。在同等体积下，电解质容量大，热容量大，热消散能力 强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象。对环境温度的适应能力（高、低温）强。（2）内部无游离的液体存在 , 无内部短路的可能。（3）电解质浓度低 , 对极板腐蚀弱 ;浓度均匀 , 不存在酸分层的现象。（4）采用无锑合金电池极板 ,电池自放电率极低 . 在20摄氏度下电池存放两年不需补 充电.（5）超强的承受深放电及大电流放电能力 ,

24、 有过充电及过放电自我保护 . 电池在 100% 放电后仍可继续接在负载上 , 在四周内充电可恢复至原容量。（6）长时间放电能力及循环放电能力强。（7）采用高灵敏度低压伞式气阀 （ 德国阳光公司专利 ）, 无渗液 鼓胀现象。（8）采用滑动密闭技术 （ 德国阳光公司专利 ）, 即允许由电化学反应必然产生的电池使 用后期的的极柱生长 , 又能保证其极高的密封性能。（9）大容量电池采用正极管式极板 , 电池单体最大可做到 2V3000AH; 浮充使用寿命最长可达 20 年。1.5.3 两种新型电池的对比我们从热失控、使用寿命和复合效率来进行比较。首先我们先了解下热失控和复合效 率的定义。热失控指的是

25、：电池在充电后期 （或浮充状态 ） 由于没有及时调整充电电压，使电池的 充电电流和温度发生一种累积性的相互增强作用，此时电池的温度急剧上升，从而导致电 池槽膨胀变形，失水速度加大，甚至电池损坏复合效率指的是：充电时正极产生的氧气被负极吸收复合的比率。充电电流、电池温 度、负极特性和氧气到达负极的速度等因素，均会影响密封电池的气体复合效率。当AGM密封铅蓄电池在使用不当时.而出现的一种具有很大破坏性的现象。这是由于AGM密封铅蓄电池采用了贫液式紧装配设计，隔板中必须保持 10%的孔隙不准电解液进入，因而电池内部的导热性差，热容量 小。充电时正极产生的氧到达负极和负极铅反应时会产生热量，如不及时导

26、走，则会使电 池温度升高；如若没有及时降低充电电压，则充电电流就会加大，析氧速度增大，又反过 来使电池温度升高。如此恶性循环下去，就会引起热失控现象。对于开口式铅蓄电池而言，由于不存在阴极吸收氧气现象，再加上其电解液量比较大， 电池散热容易，热容量也大，当然不会出现热失控现象。胶体密封铅蓄电池的电解液量用 得和开口式铅蓄电池相当，极群周围及与槽体之间充满凝胶电解质，有较大的热容量和散 热性，不会产生热量积累现象。影响阀控式密封铅蓄电池使用寿命的因素很多，既有电池设计和制造方面的因素，又 有用户使用和维护条件方面的因素。就前者而言，正极板栅耐腐蚀性能和电池的水损耗速 度乃是两个最主要的因素。由于

27、正板栅的厚度加大，采用Pb- Ca- Sn -A1四元耐蚀合金,则根据板栅腐蚀速度推算，电池的使用寿命可达1015年。然而从电池使用结果来看，水损耗速度却成为影响密封电池使用寿命的最关键性因素。对于AGM密封铅蓄电池而言，由于米用贫液式设计，电池容量对电解液量极为敏感。 电池失水 10%，容量将降低 20%；损失 25%水份，电池寿命结束。然而胶体密封铅蓄电池采 用了富液式设计，电解液密度比 AGM密封铅蓄电池低，降低了板栅合金腐蚀速度；电解液 量也比后者多 15%20%，对失水的敏感性较低。这些措施均有利于延长电池使用寿命。根 据德国阳光公司提供的资料，胶体电解液所含的水量足以使电池运行12

28、14年。电池投入运行的第一年，水损耗 4転5%随后逐年减少，4年之后总的水耗损只有 2% 2V型密 封电池在 2.27V/ 单体条件下浮充运行 10年后，其容量还有 90%。从国内一些邮电通信部 门的反映来看，虽然胶体密封铅蓄电池售价较高，但其使用寿命却长于国产的AGM密封铅酸蓄电池。胶体密封铅蓄电池产品使用初期，氧复合效率较低，但运行数月之后，复合效率可达 95%以上。这种现象也可以从电池的失水速度得到验证，胶体密封铅蓄电池运行第一年失 水速度较大，达到 4% 5%，以后逐渐减少。造成上述特性的主要原因，看来胶体电解质在 形成初期，内部没有或极少有裂缝，没有给正极析出的氧提供足够的通道。随着

29、胶体的逐 渐收缩，则会形成越来越多的通道，那么氧气的复合效率必然逐渐提高，水损耗也必然减 少。AGM 式密封铅蓄电池隔膜中有不饱和空隙，提供了大量的氧气通道，因而其氧气复合 效率很高，新电池可以达到 90%以上。第2章蓄电池的结构2.1TG 型铅蓄电池在我国铁路客车上使用的酸性蓄电池为TG型（T表示铁路用，G为本型电池采用管式正极板）。TG型铅蓄电池的结构如图 2-1所示。图2-1TG型铅蓄电池结构图1-负极板2-胶槽3-正极板4-防护板5-沥青6-注液孔7-浮标8-浮标孔盖9-电池盖10-极柱卡11-浮标套12-隔板1.正极板群：为增大蓄电池的容量，获得较大的放电电池，蓄电池的极板由10 片

30、组成每片正极板又由板珊铅芯、套管和作用物质三部分构成。2.负极板群：负极板群是由 11 片涂膏式负极板组成，每片负极板由珊格状基板和铅膏两部分构成。在蓄电池极板群的制作中，均令负极板片数比正极板片数多一片，这是由于蓄电池在放电时正极板上的二氧化铅要变成硫酸铅，作用物质体积发生膨胀，如果正极板和负极板数量相同，放电时最外侧的一块正极板只一面发生作用，易产生单面膨胀造成极 板弯曲。新造蓄电池在工厂内要进行化成充电，其目的是使两极板上的作用物质（ 此时的极板为生板）电化成有用的作用物质，即正极板上为多孔性的二氧化铅，负极板上为海绵 状铅，同时具有疏松适度的结构3.隔板：隔板用来隔离正、负极板，防止它

31、们互相短接。4.电池槽：电池槽是盛装极板群和电解液的容器，其底部做有支持极板的脚垫，以防止 作用物脱落造成极板底部短接。5.电池盖及浮标：电池盖见图 2-2 ，电池盖上有极柱孔、注液孔及浮标孔，浮标孔盖中 央处装有浮标套、浮标和浮标孔盖，浮标是指示电解液液面高度的装置，它的上部有三条 指示线，中间为蓝色，其他两条为红色。当蓝色指示线与浮标孔盖顶面在同一水平时，表 示液面高度合适，当上端或下端红线与浮标孔盖顶面在同一水平线时表示液面高度已达到 最低或最高限，遇此情况应对液面高度进行调整。注液孔上旋有注液孔盖，其侧面有排气 孔。注液孔盖旋下后可以给电池补液，充电时电池内产生的气体可从排气孔排出。电

32、池盖 及浮标结构如图 2-2 图 2-2 电池盖及浮标结构图1-电池盖2-注液孔盖3-浮标孔盖4-排气孔5-浮标套6-浮标6.铅蓄电池电化反应方程式：PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO42.1.1 电解液铅蓄电池的电解液是用浓硫酸和纯水按一定密度调制而成的稀硫酸。所用的浓硫酸是一种无色、无臭的透明油状体，在15C时的密度为1.835，含纯硫酸93.2%，所用的水必须是经过净化的水(蒸馏水)，不能用自来水和其他天然水代替。其中蒸馏水中氯离子含 量不得大于 5.5mg/L ，铁离子含量不得大于 5.0mg/L ，蓄电池用蒸馏水作电导实验时，其 绝缘值应大于或等于 0.3M

33、Q。TG型电池充电后的密度一般选为 1.260 ±0.005 (30C)；放 电后的密度不宜过低，一般选为1.150(30C)。2.1.2 铅蓄电池的特性1.电动势：在实际运用中，铅蓄电池的电动势可按E=0.85+d计算，式中d是电解液在极板有效物质细孔中的密度值(15C)。蓄电池的电动势在充电后略有降低，在放电后略 有升高。2.端电压：蓄电池的端电压随电流充放电的状态而变化。放电时端电压降低，充电时端 电压要比电动势高，相差的数值等于放电电流或充电电流在电池内阻上的电压降。3.容量：蓄电池由充电充足状态，放电至规定终止电压时所放出的总电量为蓄电池的容 量，它表现出蓄电池的蓄电能力。

34、当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量C等于放电电流值I放放电时间T放的乘积，单位为 A? h,即C=I放T放。蓄电池的容量大小与很多条件 有关，如蓄电池的充电程度、放电电流、放电时间；电解液的比重、温度；电池的效率和 新旧程度以及蓄电池极板表面进行电化反应时参加反应的作用物质的多少等。影响运行中 蓄电池容量的主要因素有以下两个方面：(1) 放电率：蓄电池放电至终了电压的快慢叫做放电率。放电率可以用放电电流的大小或者放电至终了电压的时间长短来表示。例如：一只315A? h容量的蓄电池，以52.5A电流放电，6h后到达终了电压。此时，如用电流表示放电率为52.5A率；如以时间表示则为 6h 率。一般

35、放电率多用时间表示。(2) 电解液温度：电解液温度高时,蓄电池容量增大。反之容量下降。4.内阻：蓄电池的内阻包括极板的电阻,电解液的电阻以及作用物质细孔内所含电解液 的电阻等,其中主要是作用物质的电阻和电解液的电阻。蓄电池的内阻与电解液的温度成 反比,温度高时内阻小,温度低时内阻大。此外,电池的内阻还随电池充放电程度而变化, 充电时内阻逐渐减小,放电是内阻逐渐增大。5.自放电：蓄电池在外电路开路时其容量的无益消耗称为自放电。造成铅蓄电池自放电 的因素很多，如负极板海绵状铅的自动溶解，正极板二氧化铅的自动还原和电解液中混有 有害杂质等，都能引起自放电的产生。6.效率：表示蓄电池电量或能量利用程度

36、的百分数称为蓄电池的效率。蓄电池的效率的 表示方法有两种，即安时效率和瓦时效率。蓄电池的安时效率一般能达到85%- 90%瓦时效率能达到 70%。2.2 镉镍碱性蓄电池某些城市轨道交通车辆采用的 GN-100型镉镍碱性蓄电池组，由 74个蓄电池串联而成, 每个蓄电池的标称电压为 1.25V，容量为100A? h,蓄电池组的标称电压为 92.5V。其型号 意义如下：G- 镉（负极板材料）N- 镍（正板极材料）100- 蓄电池容量（ A? h）。城市轨道交通车辆的蓄电池组与辅助逆变装置输出的低压电源并联,是城市轨道交通 上直流控制电源的辅助电源,并兼作低压电源的滤波元件。在升弓前及低压电源发生故障

37、 时,由蓄电池组向车辆控制电路供电；低压电源正常工作时,蓄电池处于浮充电工作状态。蓄电池主要由两种不同金属组成的正负极板、电解液以及容纳极板和电解液的电槽组成，GN-100型镍镉碱性蓄电池结构如图 2-3所示。图 2-3GN-100 型镉镍碱性蓄电池结构1- 正极板； 2- 正极板引线端； 3- 负极板； 4- 负极板引线端；5- 硬橡胶棍； 6-电槽； 7-带有开关作用的螺钉塞； 8-电解液正、负极板用穿孔钢带制成的匣子分别装入正、负活性物质（氧化镍、镉铁合金等） 构成,钢带上的小孔用于排出充电时所形成的气体,便于电解液的流通。正、负极板分别 焊在各自带有接线柱的汇流排上,组成极板组。安装时

38、将正、负极板交错排列,并采用硬 橡胶棍隔离,再通过各自的引线端柱固于槽盖上。正极板与电槽直接相连,负极板与电槽 绝缘,故负极板比正极板略窄,以防负极板与电槽相连,形成正、负极板间的短路。由于 正极板活性物质单位质量的电容量少于负极板的活性物质,故在镉镍蓄电池中,正极板比 负极板多一块,即 6块正极板, 5块负极板。电槽用镀镍钢板制成。由于碱性电池的电槽本身也是一个电极，所以必须注意各电池 之间以及电池与地之间的绝缘，以防短路。槽盖上有三个小孔，左、右两孔用于引出正、 负极性，并在正极柱旁注明有“ +”号标志；中间一个为注液孔，孔内装有带开关作用的 气塞。气塞有三个作用：一个是防止外部空气中的二

39、氧化碳侵入后产生了碳酸盐，降低电 池的容量；二是防止蓄电池短时翻转电解液外流；三是能使电池内部的气体增加到一定量 时通过气塞排除，以免电池中气压过高。电解液是根据使用蓄电池的环境温度配制的，使用合理，可以延长蓄电池的寿命，保 证其额定容量。车辆在运行一段时间以后，当蓄电池电压低于终止电压（一般规定终止电压为 1.1V ） 时，蓄电池不适宜继续放电，应及时的充电，并须补充蒸馏水或者电解液。蓄电池以恒定 的电流充电时，其充电制有初充电制、标准充电制和快速充电制三种。对GN-100型镉镍碱性蓄电池，不同充电制时的充电电流和充电时间如下。初充电制：先用 25A充6h，再用12.5A冲6h （放电时用1

40、2.5A放4h）;标准充电制：25A充7h；快速充点制：50A充2.5h，再用25A充2h。快速充电方法仅在特殊情况下使用，不能 作为经常的充电制度。2.3 阀控型铅酸蓄电池2.3.1 阀控型铅酸蓄电池的结构组成板栅：由铅合金经过模具铸造形成栅格状的物体，用于支撑活性物质、传导电流。极板：板栅上涂膏后称为极板，它提供电化学反应的活性物质，是电化学反应的场所， 电池容量的主要制约者。根据所涂铅膏性质的不同分为正极板和负极板。隔板：储存电解液；作为氧气复合的气体通道；防止活性物质脱落；防止正负极之间 短路。槽盖：盛装极群。极柱：直接焊接在汇流排上，用以连接连接条，传导电流。安全阀：安全阀安装在电池

41、盖上，由阀体和安全阀共同组成，使电池保持一定内压， 提高密封反应效率；过充电或高电流充电时，安全阀打开排出气体，防止电池变形甚至生 爆炸；防止外界空气进入电池；防止电解液挥发。2.3.2 阀控型铅酸蓄电池的容量电池在一定放电条件下所能给出得电量称为电池的容量，以符号 C 表示。常用的单位 为安培小时，简称安时（A.h）或毫安时（mA.h）。通常在C的下角处标明放电时率，如 C10表明10小时率的放电容量；C3表明3小时率的放电容量。（ 1 ）容量分类电池的容量可分为理论容量、额定容量、设计容量和标称容量。理论容量是活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列 的电池，常用比

42、容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为 A.h/kg 或 A.h/L 。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放 电时间的成绩，单位为 A.h，其值小于理论容量。因为组成设计电池时，除活性物质外还 包括非反应成分如外壳、导电零件等，同时还与活性物质被有效利用的程度有关。额定容量是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的 最低限度的容量。标称容量是用来鉴别电池安时值，只标明电池的容量范围而没有确切值， 因为在没有指定放电条件下，电池的容量是无法确定的。（2）影响实际容量的因素电池的实际容量主要与电池正、负极活性物质的数量及利用

43、的程度（利用率）有关， 而活性物质利用率主要受放电制度、电极的结构、制造工艺等方面的影响。使用过程中影 响实际容量的是放电率、放电制度、终止电压和温度。放电制度指放电速率、放电形式、终止电压和温度。高速率即大电流。低温条件下放 电时，将减少电池输出的容量。放电速率简称放电率，常用倍率和时率表示。时率是以放电时间表示的放电速率，即以某电流放电至规定终止电压所经历的时间。 例如某电池额定容量是 10小时率时为500Ah,即以C10为500Ah表示，则电池应以 500/10 = 50A （即卩I1O=5OA）的电流放电，连续放电 10h为合格。倍率是指电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。电池放电

44、倍率越高，放电电流 越大，放电时间就越短，放出的相应容量越少。如放电电流表示为 0.1C10 ，对于一个 500Ah （C10）的电池，即以 0.1 X 500= 50A的电流放电；1C10意指 500A的电流放电。C的下脚标表示放电时率。终止电压指电池放电时电压下降到不宜再继 续放电时的最低工作电压。一般在高倍率、低温条件下放电时，终止电压规定得低一些。 阀控电池 10小时率的终止电压为 1.8V/ 单体。由于铅酸蓄电池本身的特性，即使放电的终 止电压继续降低，电池也不会放出太多的容量，但终止电压过低对电池的损伤极大，尤其 当放电到较低电压而又不能及时充电时，将大大缩短电池的寿命。下列为2V

45、系列的阀控式铅酸蓄电池，通过这个结构图，能容我我们更好地了解到电池的容量构成。阀控式铅酸 蓄电池如图 2-4 。图 2-42V 系列的阀控式铅酸蓄电池结构图下面是关于 TRK15-12、TRP15-6 型蓄电池比较表，通过观察这张表格，我们能更好地 了解到不同类型的蓄电池他们各个规格的不同之处。TRK15-12、TRP15-6型蓄电池比较表2-1 。表 2-1TRK15-12、TRP15-6型蓄电池比较表项目技术数据备注TRP15-8 型TRK15-12 型电压（ V）容量（ A? h）放电时间率（ HR）放电终止电压（ V）充电效率（ %）电解液比重电解液量（ L）外形尺寸（ mm）重量电池

46、箱体格栅合金寿命次数 617555.1125 以下1.280±0.005约 8.0292X 520X 141.5约 27聚丙烯低锑合金100012175510.2125 以下1.280±0.005约 13.5292X 520X 283约 65硬橡胶锑合金800额定电压额定容量充电量 / 放电量20 C完全充电后咼x长x宽除电解液 2.3.2 内燃机车阀控式密封铅酸蓄电池用智能保护器1 智能保护器研究的主要作用阀控密封式电池与普通开口式铅酸蓄电池相比具有明显的技术优势，但也必须对密封 电池的技术特点有充分的认识，才能合理应用，科学维护，使密封电池在运用过程中达到 最优的性能、

47、最长的寿命和最佳的经济效益。为此，铁路内电机车应用阀控密封式铅酸蓄 电池的同时应具有如下作用：（1）在辅助发电机停止发电期间，监测蓄电池过放电。一旦放生过放电，应能断开放电回 路，防止发生过放电而损坏蓄电池组。（2）及时检测落后电池，发出警告和维修指示。（3）应具有温度补偿的浮充电控制。（4）应具有适应机车行驶距离短的快速均衡充电控制算法2 智能保护器主要功能的实现途径（1） 选择8位微电子控制器，具有智能管理理功能，它同PWM控制器和IGBT组成的 咼频开关电压控制器配合，成功地满足了阀控电池所需特殊运行环境条件，而且，还具备了比电压调整器控制精度更高的功能 （达到士 0。2V）。（2）解决

48、了阀控电池现场检测和过程监测难题关键检测参数选择机车柴油机起动功 率（起动电流与电压的乘积 ） 。2.4 阀控式铅酸电池与胶体电池的差异2.4.1 电池结构和工艺上的主要差异AGM 密封铅蓄电池使用纯的硫酸水溶液作电解液，其密度为 1 .29 1 .3lg/cm3 。除了 极板内部吸有一部分电解液外，其大部分存在于玻璃纤维膜之中。为了给正极析出的氧提 供向负极的通道，必须使隔膜保持有 10%的孔隙不被电解液占有，即贫液式设计。为了使极板充分接触电解液，极群采用紧装配的方式。另外，为了保证电池有足够的寿命，极板 应设计得较厚，正板栅合金采用 Pb"-q2w-Srr-A1 四元合金。胶体

49、密封铅蓄电池的电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低，通常为1.261.28g/cm3。电解液的量比 AGM式电池要多20%跟富液式电池相当。 这种电解质以胶体状态存在，充满在隔膜中及正负极之间，硫酸电解液由凝胶包围着，不 会流出电池。由于这种电池采用的是富液式非紧装配结构，正极板栅材料可以采用低锑合金，也可 以采用管状电池正极板。同时，为了提高电池容量而又不减少电池寿命，极板可以做得薄 一些。电池槽内部空间也可以扩大一些。2.4.2 电池放电容量的差异近来的研究工作表明，胶体电解液配方，控制胶粒大小，掺入亲水性高分子添加剂，降低胶液浓度提高渗透性和对极板的亲合力，采用

50、真空灌装工艺，用复合隔板或AGM隔板取代橡胶隔板，提高电池吸液性；取消电池的沉淀槽，适度增大极板面积活性物质的含量， 结果可使胶体密封电池的放电容量达到或接近开口式铅蓄电池的水平。AGM 式密封铅蓄电池电解液量少，极板的厚度较厚，活性物质利用率低于开口式电池， 因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。与当今的胶体密封电池相比，其放电容量要小一些。2.4.3 电池内阻及大电流放电能力的差异铅蓄电池的内阻是由欧姆内阻、浓差极化内阻、电化学极化内阻组成的。前者包括极 板、铅零件、电解液、隔极电阻。AGM密封铅蓄电池所用的玻璃纤维隔板具有90%勺孔率,硫酸吸附其内，且电池采用紧装配形式，离子在隔

51、板内扩散和电迁移受到的阻碍很小，所 以AGM密封铅蓄电池具有低内阻特性，大电流快速放电能力很强。胶体密封铅蓄电池的电解液是硅凝胶，虽然离子在凝胶中的扩散速度接近在水溶液中 的扩散速度，但离子的迁移和扩散要受到凝胶结构的影响，离子在凝胶中扩散的途径越弯 曲，结构中孔隙越狭窄，所受到的阻碍也越大。因而胶体密封铅蓄电池内阻要比AGM密封铅蓄电池要大。然而试验结果表明胶体密封铅蓄电池的大电流放电性能仍然很好，完全满足有关标准 中对密封电池大电流放电性能的要求。这可能是由于多孔电极内部及极板附近液层中的酸 和其他有关离子的浓度在大电流放电时起到关键性的作用。第3章蓄电池的工作原理3.1 阀控式蓄电池的结

52、构原理相对于防酸隔暴式蓄电池组就是把所需的电解液在出厂前就注入到极板和隔板中，没 有游离的电解液，通过负极板潮湿来提高吸收氧的能力，为防止电解液减少把蓄电池全密 封，所以阀控式铅酸蓄电池又称为“贫液式蓄电池”。3.2 阀控式蓄电池的工作原理阀控式蓄电池在充电过程中和充电终止时会出现水被电解的现象，通常情况下，正极 出现氧气，负极出现氢气。由于电池采用免维护极板，使氧气析出时电位提高，加上反应 区域和反应速度的不同，使正极出现氧气先于负极出现氢气。由于阀控式蓄电池结构，使 电池内部保留一定压力和气体，保证上述反应循环进行，与此同时也抑制负极氢气的析出， 控制了电池内水分的消耗，因此电池可以密封运

53、行。在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池 充、放电化学反应的原理方程式如下：正极：PbO2+2e+HSO4-+3H+PbSO4+2H2O负极：PbHSO4-PbSO4+H+2e总反应：PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化 铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫 做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一 种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松 细密的硫酸铅

54、，在外界充电电流的作用下会重新变成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于 充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功 能。人们在日常使用中，通常使用蓄电池的放电功能，把充电阶段作为对蓄电池的维护工 作。铅酸蓄电池在充足电的情况下可以长时间保持电池内化学物质的活性，而在蓄电池放 出电以后，如果不及时充足电，电池内的活性物质很快就会失去活性，使蓄电池内部产生不可逆转的化学反应。所以无论是电动车电池还是其他用途的铅酸蓄电池，一般生产厂家 都会要求使用者对蓄电池充足电保存，并定期对电池补充电。图 3-1 为充电电压与气体吸 收率的关系图。图 3-1充电电压与气体吸收率关系

55、图铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用 1.28 的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在 放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反 应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后， 它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二 次电池。它的电压是 2V,通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个2铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解 质保持含有2228 %的稀硫酸。？?？铅酸电池工作原理：（1）阀控式密封铅酸蓄电池在充放电过程中的化学反应如下：PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4催化剂：Pb,加热（2）实现电池密封的设计原理：正极活化物（二氧化硅）正极活化物（硫酸铅）电解液（硫酸）电解液（水）负极活化物（海绵状铅）负极活化物（硫酸铅）放电时充电时正极板耳朵二氧化铅和负极板的海绵状铅与电解液中的硫酸反应,生成硫酸铅,电解 液中的硫酸浓度降低硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和海绵状铅,电解液中的硫