钟永飞
（中铁十六局集团铁运工程有限公司，河北 高碑店 074000）
1 电力机车亏电问题简介神朔铁路进行接触网检修时必须停电，机车在线路上必须随机降弓等待约4～5 h。部分韶山4 改型机车由于蓄电池可供电时间、可供电容量不足，不能满足现场需要，出现蓄电池电压过低，不能正常升弓[1]，导致机车出现堵塞区间机破或救援，严重打乱了铁路的正常运输秩序，造成运输任务不能顺畅进行。
2 机车蓄电池亏电问题原因分析2.1 机车蓄电池简介机车的蓄电池是一种阀控式免维护铅酸蓄电池，单节蓄电池的标准电压为2 V，额定容量170 Ah；每节机车由48 节蓄电池串联，电压达到96 V，给控制电路供电[2]。
2.1.1 铅酸蓄电池工作原理简介
免维护铅酸蓄电池充电过程是利用充电电源让内部活性物质再生，把电能以化学能形式储存，放电过程是把化学能转换为电能。蓄电池使用AGM 隔板，在蓄电池正负极之间留有气体通道，让正极产生的氧气沿着气体通道传递至负极复合成水，实现无酸雾逸出，无需注水维护的效果[2]，以下是蓄电池充放电化学反应：
2.1.2 蓄电池充电原理
机车受电弓从接触网取流后，电源变压器670TC降压到220 V 后送入半控桥，再通过晶闸管VT1、VT2和二极管VD1、VD2 半控桥式整流及671L、663C 滤波后，成为直流电源[3]。通常情况下，110 V 整流电源与蓄电池并联运行，向机车控制电路提供110 V 电源，同时蓄电池一直处于均充状态，没有转浮充充电的设计，不是很科学，长期使用容易造成蓄电池性能的下降或损坏。
2.2 机车亏电问题原因分析2.2.1 外部因素
1）蓄电池负载电流过大。随着机车功能的不断扩展，先后加装了万吨无线重连、视频监控、轴温在线检测等设备，蓄电池载荷不断增大，经实际测量放电电流达到11～12 A，理论上放电时间应达10 h 以上。完全可以满足机车降弓等待约4～5 h 的需要，故此并不是主要原因。
2）蓄电池工作环境恶劣。蓄电池容量会受温度的影响，图1 为蓄电池放电容量与温度的关系曲线，过低温度（低于-15 ℃）会降低电池有效容量[2]，过高温度（高于50 ℃）则会导致热失控并损害电池。但机车出现亏电问题，并不是完全在极端的气候条件时集中出现，故恶劣的气候环境只是蓄电池亏电的部分原因，并不是全部原因。
2.2.2 内在因素
在出现故障后，我们逐个对单体蓄电池进行检查，发现电压不一致问题。结合理论及维护现状进行分析：
1）理论分析。蓄电池在出厂时虽有容量匹配筛选，但容量的差异性是不可避免的。电池在串联工作状态下，由于单体存在容量差异，在充电过程中产生相应的电压差异，导致部分蓄电池处于过充或欠充状态[1-2]，过充的蓄电池加速老化，欠充的蓄电池的储能不足，直接缩短了放电时间。而在放电过程中，容量低的蓄电池电压下降较快，当容量低的蓄电池电量全部放出，降低至放电终止电压1.8 V 时，整组电池的电压依旧远未降低至86.4 V（1.8 V×48=86.4 V），此时放电仍然继续，容量低的蓄电池将处于过放的状态，直至电压低于0，此蓄电池就有极大的概率失去再充电能力，从而完全失效。整组蓄电池的电压也会而大幅跌落，降低至86.4 V 终止供电，而此时容量高的蓄电池仍有部分电量没有被利用、释放。如此重复的充放电过程中，单体蓄电池的容量差异也将逐渐增大，整组蓄电池的整体容量将逐渐减小，整体寿命也将大大缩短。
2）维护现状。在机车使用蓄电池组为机车控制电路供电时，往往未达到设计要求时间，蓄电池便出现亏电情况。在实际的运用中，出于成本的考虑，当整组蓄电池中有某一节电池出现问题时，处理方式是更换问题蓄电池[1]，其余蓄电池继续使用。这种做法直接造成整组蓄电池中单体容量存在差距，亏电隐患将持续存在。
由此，可以基本确定蓄电池组内的单体蓄电池的容量差异，随着蓄电池的使用时间而不断增大，是导致蓄电池整体亏电的主要原因。
3 蓄电池容量差异的解决方法我们利用电力电子技术，将部分能量从整组电池抽出，补充到容量偏低的电池上，补偿能力强，将成组电池寿命提升到接近单体电池寿命水平。
电路按充电或放电电流的大小，按一定比例（一般低于20%）控制开关电源的总体输出功率，经高频变压器后分为N 个隔离的补充电源，经整流后分别给各单体电池提供补充电流，这些电源的输出阻抗在设计时基本保持一致，充电情况下在各单体电池电压相等时，它们从各供电电源所获取的电流是基本一致的。而当电池电压本身差异产生时，电压高的电池将会获得较少甚至得不到补充的充电电流，而电压较低的电池会从变压器获取更大的电流，从而使各电池充电电压得到均衡。放电时，各补充电源在电池电压一致时是均匀为每个单体电池补充的，在某些容量偏低的电池电压下降较快时，其补充电源同理会自动提供更大的补充电流，相反容量偏高的电池将减少得到的补充电流。极限情况下，某单体电池完全损坏时，其补充电源会将足够能量补充到这一节电池，取代本节电池本身，保证整组电池在正常端电压情况下释放出所有的容量（电路框图如图2 所示）。
上述电路在均衡充电时提供最大10 A 均衡电流；放电时，在12.5%的单体电池完全失效时，仍可保障未失效电池的容量正常输出供电。
4 验证试验模拟机车实际工况，选取48 节蓄电池（48 节蓄电池中12 节电池容量低于80%，其余36 节为新电池）。采用电阻器作为放电负载，电阻器阻值为9.3 Ω，计算得到放电电流为：96÷9.3≈10 A。
4.1 试验过程第1 次将蓄电池组充满电量，在蓄电池管理系统装置不工作的情况下，直接使用蓄电池作为电源，电阻器作为负载，进行放电试验，同时监测蓄电池组的总电压，当蓄电池组总电压低于86.4 V 时，停止放电，记录放电时间。第2 次将蓄电池组充满电量，蓄电池管理系统装置开启工作，使用同样的放电条件，进行放电试验，直至总电压达到86.4 V 时，记录放电时间。比较两次放电时间，即可验证系统装置的功能，如图3 所示。
4.2 试验记录4.2.1 第一次试验
进行48 节电池充电，充电采用DC110 V 直流电源充电，电压稳定在110 V，电流10 A。
08：30，切断充电电源，电压即下降至109.6 V。
08：30，开始放电，放电负载为9.3 Ω 电阻器。
08：36，出现电压低于1.8 V 的单体电池，三个。
08：43，总电压95.2 V，电压低于1.8 V 的单体电池有四个。
08：53，总电压95.4 V，电压低于1.8 V 的单体电池有五个。
09：02，总电压95.2 V，电压低于1.8 V 的单体电池有七个。
10：49，总电压90.1 V，电压低于1.8 V 的单体电池有八个。同时一个电池电压出现负值，表示其电量全部放空。
11：08，电池组总电压降低至86.4 V。
第1 次试验放电时间为2 h 38 min。
4.2.2 第二次试验
进行48 节电池充电，充电采用DC110 V 直流电源充电，电压稳定在110 V，电流10 A。
08：30，切断充电电源，电压即下降至109.6 V，开启蓄电池管理系统装置。
08：30，开始放电，放电负载为9.3 Ω 电阻器。
11：51，放电电压92.5 V，电流9.92 A，电量显示剩余20%。
15：30，总电压90.0 V，电流9.76 A。
16：18，总电压86.4，电流9.44 A。
关闭放电电阻器，试验结束。
第2 次试验放电时间为7 h 48 min。
4.3 试验结论通过试验验证，可以证明投入蓄电池管理系统后，蓄电池放电时间明显延长，能够满足接触网检修停电后机车的使用需求。
5 结语通过使用蓄电池管理系统对机车串联蓄电池组充、放电过程的有效管理，能大大减少单体电池因充、放电不均衡而产生的失效。同时能对因其它原因失效的单体电池采用能量转移的方式进行替代，从而延长整组串联电池组的寿命，确保铁路正常的运输秩序和运输任务的顺利完成。
