地铁车辆CAT蓄电池典型故障分析与维护策略

摘要：蓄电池作为地铁车辆运行的核心部件，其性能状况直接影响地铁车辆的正常运营。本文旨在通过深入分析地铁车辆蓄电池的典型故障实例，为蓄电池的维护工作提供有价值的参考。首先介绍了蓄电池的常见类型及其性能特点。其次探讨了几种典型的蓄电池故障案例，分析了这些故障的成因及其对地铁车辆运行的影响。最后提出了一些有效的蓄电池维护策略，以预防故障并提高其使用寿命。

关键词：地铁车辆；蓄电池；典型故障；维护策略

引言

在城市轨道交通系统中，地铁作为一种高效、可靠的公共交通方式，已成为许多城市的核心交通工具。地铁车辆的正常运行不仅依赖于先进的电力系统，还高度依赖于其内部关键组件的稳定性和可靠性。其中，蓄电池作为地铁车辆的应急直流电源，确保在主电源故障时列车能够继续运行或完成紧急操作。在列车外部电源中断时，蓄电池能够为列车紧急负载供电45分钟，包括紧急照明、紧急通风、车载安全设备和通讯系统等[1]，以保障乘客和乘务人员的安全。然而，随着地铁车辆运行时间的增加以及环境因素的影响，蓄电池常常会出现各种故障问题。这些故障不仅会影响列车的正常运营，还可能导致安全隐患，甚至影响乘客的生命财产安全[2]。因此，对地铁车辆蓄电池的故障进行深入分析，并制定有效的维护策略，是确保地铁车辆安全、可靠运行的关键。

1蓄电池概述

蓄电池作为一种电化学装置，通过可逆的化学反应来实现电能的储存和释放。充电时将电能转化为化学能储存起来，放电时再将化学能转化为电能输出。地铁车辆中应用较多的蓄电池种类主要包括铅酸蓄电池和镉镍蓄电池[3]。

1.1铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是一种广泛应用的可充电电池，其主要结构包括由正负极板、隔板、电解液、安全阀和外壳，如图1所示。铅酸蓄电池采用二氧化铅作为正极材料，铅作为负极材料，并以稀硫酸作为电解质[4]。在充放电过程中，将发生以下化学反应：

电池反应：

正极反应：

负极反应：

在充电过程中，正极板上的二氧化铅转化为硫酸铅，同时负极板上的铅也转化为硫酸铅。而在放电过程中，电池内部的化学能转化为电能。铅酸蓄电池的生产成本较低，且具有良好的稳定性和安全性，能够适应各种复杂的工作环境。在适当的充放电条件下，其循环寿命通常为500到1000次。需要注意的是，铅酸蓄电池存在环保方面的问题，尤其是铅的毒性及其对生态环境的潜在危害。

图1 铅酸蓄电池的结构示意图

1.2镍镉蓄电池

镉镍蓄电池是一种使用金属镉作为负极活性材料，氢氧化镍作为正极活性材料的碱性电池[5]。镉镍蓄电池采用镍氧化物作为正极材料，镉作为负极材料，并使用氢氧化钾溶液作为电解质。在充放电过程中，将发生以下化学反应：

电池反应：

正极反应：

负极反应：

由上述反应式可知，镉镍蓄电池在充电过程中会产生水，电解液液面会上升；而在放电过程中吸收水，电解液液面会下降。镉镍蓄电池具有较高的能量密度和良好的充放电性能，适合频繁充电和放电的场景。同时，它在低温环境下表现稳定，在适当的使用条件下循环寿命可达1000次以上。但是，若未完全放电就充电会导致容量下降，影响使用效果。此外，因镉是一种有毒金属，其处理不当可能对环境造成危害，因此在许多国家对镉镍电池的回收和使用有严格监管。

(a)蓄电池组                          (b)单体蓄电池

图2 镉镍蓄电池

2蓄电池的故障分析

在实际应用中，蓄电池由于受到工作环境、操作方式和维护状况等多种因素的影响，可能导致出现各种故障。这些故障通常包括蓄电池冒烟烧蚀、漏液以及容量衰减等问题，它们不仅影响地铁车辆的正常运行，还可能对乘客的安全构成潜在威胁。因此，本文将结合具体的案例，对蓄电池故障的原因及影响进行详细分析，以期为地铁车辆蓄电池的维护与管理提供有益的参考。

2.1蓄电池冒烟烧蚀

蓄电池冒烟烧蚀通常是由于蓄电池过热、短路或内部故障等原因，导致电池材料分解或燃烧，从而产生烟雾和烧蚀现象。根据售后现场反馈，蓄电池箱体出现明显变形，箱体盖板脱落并损坏，蓄电池单体发生冒烟和烧损。

通过分析车辆运行数据和蓄电池充电情况，以及拆解检验蓄电池单体来分析蓄电池冒烟烧蚀的原因。研究发现，蓄电池烧损部位都集中在上部极柱位置，这与电池短路时烧损部位分散的情况有很大不同。对蓄电池单体拆解发现，蓄电池内部隔膜大面积发白和干涸。该车辆运行当日，出现过蓄电池60℃超温故障报警。经调查，发现该项目在2022年未能对蓄电池进行全面检查，致使一些因缺液而隔膜受损的蓄电池仍在继续使用。隔膜受损会使蓄电池的电压降低，为达到充电机的充电电压，不得不增大充电电流，从而导致蓄电池出现过充和温度升高。

图3 发生冒烟烧损的蓄电池

2.2蓄电池漏液问题

漏液通常会导致蓄电池的极柱和接线柱被腐蚀，进而增大电池的内阻。同时，电解液的减少还会释放有害物质，从而影响电池的容量和使用寿命。根据售后现场反馈，该蓄电池组的补液管严重损坏，存在明显的漏液痕迹，如图4所示。托盘正面出现电解液结晶体，箱体底部和烧损附近发现有泄漏的电解液，但未出现明显的烧损痕迹。

图4 发生漏液的蓄电池组

调查发现，该蓄电池组中的蓄电池单体电解液偏高，在车辆在运行中过高的电解液进入补液管。同时补液管与补水小车接触处没有防护到位，补液管与补水小车接触处发生打火（拉弧）现象，引起补液管损坏，进入补液管的电解液经破损处流出，造成漏液。

2.3蓄电池容量衰减

蓄电池在多次充放电循环后，其存储和释放电能的能力逐渐降低，具体表现为可用容量减少或使用时间缩短。在进行蓄电池车下维护时，测试发现蓄电池容量不足80%。该项目的蓄电池于2016年从荷贝克公司采购并投入使用，目前已使用6年。根据当时的采购要求，蓄电池的使用寿命应不少于10年。

为进一步调查分析，对其中10个性能较差的电池单体进行复测和拆解。经过恢复性充放电试验，复测结果表明蓄电池容量没有明显改善，部分电池的容量甚至出现了下降。对蓄电池进行拆解检查（见图5）时，观察到正极板的隔板存在明显的粘连情况，并且正极板的活性物质发生了脱落现象。一般来说，造成活性物质脱落的原因主要有两种：一是蓄电池在充电时电流过大，导致电池温度过高，使活性物质膨胀变软易脱落；二是蓄电池经常过充电，造成极板孔隙中逸出大量气体，形成压力，从而促进活性物质的脱落。根据蓄电池的实际运行数据，发现该蓄电池在使用过程中存在过充电现象，并且经常在高温环境下运行，从而导致了蓄电池容量下降。

图5 蓄电池被拆解的正极板隔板

3蓄电池的维护策略

3.1定期检查

进行定期检查是提升蓄电池工作性能和延长其使用寿命的一种重要措施。对蓄电池定期检查主要包括以下几个方面：首先，需要仔细检查蓄电池的外观。这包括观察蓄电池组的连接是否存在松动，蓄电池是否有漏液、裂纹或鼓胀等异常现象。其次，应定期对蓄电池进行电压测试。电压的异常波动可能预示着蓄电池内部存在故障或性能下降。而通过电压测试可以及时识别这些危险信号，并采取相应的预防措施，以确保设备的安全运行。再者，电解液的检查也不容忽视。需要检查电解液的液位是否在正常范围内，以及电解液的密度和颜色是否发生变化。对液面较低的蓄电池及时补充电解液，这可以有效防止因液面不足而导致的电池损坏。此外，评估蓄电池的容量也是定期检查的重要一环。通过进行容量测试，可以精准评估电池当前性能，避免因电量不足导致设备故障。

3.2充电管理

蓄电池的充电方式主要包括恒流充电、恒压充电和脉冲充电三种。其中，恒流充电因其恒定且较小的电流特性，成为保护电池免受大电流损害、确保稳定充电的首选方式。此方式充电时间较长，但能有效维护电池健康。蓄电池在充电前要确保蓄电池组内所有单体电池的电解液液面正常，要确认所有单体电池已正确串联，正负极连接无误。同时，蓄电池的充电环境温度应维持在5℃至35℃之间，以保障其充放电性能正常。温度过低会降低蓄电池充电效率，温度过高则会加速电池内部化学反应，可能导致短路和电解液蒸发。需特别注意的是，当蓄电池充电温度达到或超过60℃时，应禁止充电，以避免电池损坏。此外，在充电过程中，应严格控制充电电压和电流，避免发生过充情况。

蓄电池长时间存放会出现自放电情况，因此需要对蓄电池进行补充电。补充电周期依据平均存放温度而定；在0℃至30℃范围内，补充电时间间隔为6个月；若温度超过30℃，则时间间隔缩短至3个月。补充电应采用恒压限流的方式进行。

3.3温度监测

温度监测是确保蓄电池安全和保障地铁运营的重要手段。目前，大多数地铁蓄电池系统仅设置了60℃的超温报警。为了确保电池更稳定地运行，建议增加45℃和55℃等多级预警，并增设任意两个蓄电池单体温差超过10℃的预警机制。通过预警提示，可以在蓄电池温度逐渐升高到危险水平之前，及时发出预警信号，从而采取相应的高温预防措施，降低因高温引发的故障风险。同时，采取适当降温措施也至关重要，如引入液冷或气冷系统以实时调控温度，并在电池箱外部应用隔热材料，有效隔绝外界热量，使护蓄电池在适宜的温度环境下工作。

4总结

蓄电池作为地铁车辆不可或缺的应急直流供电系统，在无电网供电情况下，为紧急负载提供必要的电力保障。蓄电池的工作性能直接影响地铁的正常运营和乘客的生命安全。因此，本文通过深入分析蓄电池的典型故障，并提出了一系列有效的维护策略，以提高蓄电池的工作性能和使用寿命，从而降低运营风险。此外，通过强化蓄电池的充电管理流程和温度监控机制，可进一步增强地铁车辆运营的安全性和可靠性。