蓄电池活化技术在地铁应用的可行性

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摘要:近年来随着中国经济的飞速发展，各大城市的轨道交通系统建设也突飞猛进，目前轨道交通已经成为大城市居民出行的首选交通方式。以地铁为主的轨道交通在给人们带来便利的同时，地铁安全运营也格外引人关注。结合UPS系统及铅酸蓄电池的发展与当前国内外主流产品技术指标，对天津地铁目前的蓄电池维护模式和弊端进行了分析，对行业内可采用的单体活化、浅循环大电流充电法、恒压限流活化、谐振技术等蓄电池活化关键技术进行了探讨，并从节能环保、节约运营成本、提高电池稳定性等几个方面对蓄电池活化技术在天津地铁应用的可行性进行了分析。

关键词：铅酸蓄电池；单体活化；

1问题提出

信号、通信、综合监控、自动售检票、火灾自动报警系统以及站台门、变电所设备等均是保障地铁安全运营的关键设备。为了防止以上设备突然断电带来的突发故障，均为其配置了高可靠性UPS电源系统［1］，这些UPS系统配备了大量的蓄电池组，可以在市电断电后通过电池的电能为地铁关键设备继续供应电力30～120min，大大降低了突然断电带来的不利影响。蓄电池的采购价格约占UPS设备成本的30%左右，地铁运营人员除了要选择性能良好的蓄电池之外，平常在使用时也要注意对蓄电池组进行维护。但现行的对于大容量蓄电池组的维护工作重要性常常被人忽视，以天津地铁信1号线信号专业的UPS电池为例，2004年出厂时，每一节蓄电池的设计使用寿命都在10年左右，然而，在蓄电池组实际使用时，一般在5年左右蓄电池组就会由于指标超标而老化报废，截至2017年已经整体更换了两批次电池。电池的提早损坏不单单造成经济上的严重损失，更对地铁运营安全构成巨大威胁。如何有效延长电池的使用寿命，成为地铁运营人员面临的一个问题。

2铅酸蓄电池简介

目前，地铁的UPS系统一般配备的都是免维护密封铅酸蓄电池，具有如下特性：安全密封，在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出来；电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置；泄气系统，电池内压超出正常水平后，VRLA电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体，维护简单，由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用VRLA电池的过程中不需要加水，使用寿命长。该类电池具有免维护、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。目前国际国内主流的密封式铅酸蓄电池品牌有：海志、赛能、汤浅、山特、松下、科士达等主流品牌。铅酸蓄电池的结构：由阳板及阴板、隔离板、安全阀、电池壳及盖等组成。影响电池寿命的因素包括：极板活性物质的脱落软化、腐蚀变形，内部物质不可逆硫酸盐化，内部短路，电解液失水过多，热失控造成的物理损坏等。以上现象由于电池超过最大使用年限或者电池维护不当造成，最终导致电池内阻过大、容量过低而无法使用.

3铅酸蓄电池在天津地铁的现有维护模式及弊端

目前天津地铁的机电、通号、供电等几大专业管理着大量的UPS系统。目前各专业对自己电池的维护方式主要是以定期带载放电的形式来活化电池为主，平时电池处于浮充充电状态，以季度为单位进行一次带载放电，放电时手动切断市电供电，让电池组进入带载放电状态。放电一定时间后，如果电池组能够对设备负载达到最低电力供应时间（一般30min），则恢复市电供电，电池组再次进入浮充充电状态。如果经过放电后，电池组容量不能满足对设备负载最低的电力供应时间，将对单体电池的端电压及内阻等电气指标进行测量，更换掉指标不合格的单体电池，从而使电池组整体容量达到既定要求。

3.1长期浮充

长期浮充电对铅酸蓄电池的危害较大，会使铅酸蓄电池内部活性物质化学反应固化，出现硫化现象，长此以往，铅酸蓄电池的容量会不断减小。

3.2带载放电

现有的带载放电试验并不是根据单个电池的具体性能来针对性的制定放电时间、放电电流，而是针对整体电池组做放电试验。由此带来满载放电情况下电流大小无法调节、无法针对性修复电池、电池过充过放或放电深度不够等技术性问题。充电电流过大产生的气体在一定量时，会超过电池吸收速率，这将使内压上升，气体从安全塞中排出，最终电解液被大量消耗。过充电会使铅酸蓄电池发生电解水反应，析出大量气泡，对极板产生冲刷，活性物质与板栅的粘合力被减弱。而长时间过充电，还会导致氢离子的浓度不断加大，使得极板附近的酸性增强，加快了极板的腐蚀速度，减少了铅酸蓄电池的使用寿命。另外过放电对铅酸蓄电池的性能影响较大，当铅酸蓄电池的端电压过低时，如果继续放电，将加速硫化的产生，导致铅酸蓄电池内部产生大量硫酸铅结晶，这些结晶将被吸附到负极表面，由于硫酸铅的导电性能很差，硫酸铅产生越多，铅酸蓄电池的内阻就越大，充放电性能就越差［2］。还有当电池组中蓄电池出现个别性能落后电池时，现有充电机制不能对其区别对待，仍然按照最初设置的浮充电压充电，由于落后电池的内阻、容量等指标已经恶化，如不调整充电电流将进一步造成硫化腐蚀等问题［3］。并对整组蓄电池性能形成恶性循环的影响。

3.3温度波动与维护工作关联缺失

目前天津地铁各专业机房的室内温度一般在10℃-30℃之间，暑期根据环控制冷设备的工作效率，个别机房温度甚至可以达到35℃的高温。从技术角度而言，蓄电池的浮充、均充电压，需要根据环境温度的不同进行相应的补偿，补偿系数大约在3-5mV/℃。但在现有的维护模式中无法做到温度补偿，铅酸蓄电池的工作环境温度过低，会使铅酸蓄电池出现硫化；如果环境温度过高，会加快气体的析出，消耗更多的水，如果不能及时补充，会导致电解液的酸性增强，加快极板的腐蚀速度，这也是许多蓄电池无法达到设计寿命的原因之一。

3.4备用电池管理

现有模式下如果发现个别电池性能失效、物理损坏等问题，需要进行更换时，必须走公司的紧急物资采购模式进行单体电池补充替换。急采周期往往过于冗长，物资到货期间，电池组其他单体电池性能可能进一步恶化，并且造成UPS系统安全的不稳定因素。如果提前采购备用电池，又会出现储存中的备用电池易老化问题。因为非浮充状态下的电池处在一个慢性自放电的状态，电池易出现过放电及硫化现象。

4蓄电池活化工作开展的目标

4.1新到货及在用电池的性能鉴定

目前，地铁公司为UPS系统购置的铅酸蓄电池，由于价格较高，部分不良商会以次充好，选择低价不正规渠道供货来获利。所以有必要成立机构，利用专业的仪器设备，对新购置的电池产品进行性能鉴定，对不符合要求的电池产品及时予以拒收，电池内阻与标准值偏差应小于10%，10h率容量应在第一次循环不低于0.95C10，第5次循环应达到C10标准。在用电池日常维护中有必要利用专用仪器对单体蓄电池的内阻值、容量值等指标进行检测，一般经验在电池的内阻超过标准值一倍、容量低于80%时，电池应该被及时报废更换。进而提前淘汰掉指标不合格的电池，使蓄电池组达到最佳状态。

4.2电池定期活化养护

在经过专业仪器检测鉴定后发现单体电池性能退化，但是还未达到报废标准的电池，可以通过单体活化仪［4］活化的方式，凭经验的积累合理设定放电电量、放电电流、放电电压、放电时长，对电池性能指标实现修复［5］，以达到延长电池使用寿命的效果。在延长电池寿命的同时为公司节约不菲的更新电池产生的采购费用。随着国家加大环境保护力度，重污染的铅酸电池的报废流程也势必更加严格。通过活化电池也可以节约公司报废电池产生的管理成本，并响应国家环保政策。

4.3备用与在用电池轮换

通过组建蓄电池活化班组和备用蓄电池存储库，可以实现天津地铁各专业设备UPS不合格单体电池的及时更换。通过定期利用单体活化仪活化的方式，对备用搁置的蓄电池做好补充充电待用。并且省去了当有单体电池损坏的情况发生时，备用电池物资采购不及时产生的设备管理风险。

5蓄电池活化关键技术分析

5.1单体活化

由于一组蓄电池的容量是由其中最小落后单体电池容量决定的，所以首先需要找到其中的落后单体电池，给予特别关注。当找到一组电池中的落后电池后，利用单体在线活化装置，则可以实现针对该落后单体电池在线进行反复充放电，激活电池失效的活性物质，实现蓄电池组中落后单体电池性能的在线恢复，从而提高蓄电池组的一致性，延长蓄电池的使用寿命。

5.2浅循环大电流充电法

对已硫化电池，利用单体活化装置采用大电流5h率以内的电流，对电池充电至稍过充状态，控制液温不超过40℃为宜，然后放出电池容量30%，如此反复数次可减轻和消除硫化现象。此技术的机理，是用过充电析出气体对极板表面轻微硫化盐冲刷，使其脱附溶解并转化为活性物质。此技术的特点，对于轻微硫化可明显修复，但对老电池不适用。

5.3恒压限流活化

恒压限流法实际上是将恒压充电和恒流充电相结合，又可称为混合充电法。在充电开始阶段，由于蓄电池电压过低，为避免电流过大而损坏电池，就采用恒流充电法来限制充电电流。当电压达到预定值时，进入恒压充电方式。由于蓄电池充电电压较低，充电后期电流很小，因此电解液中产生的气泡很少，可以节省电能，降低蓄电池的温升，避免损坏电池的极板。

5.4谐振技术

任何晶体都有自己的固有谐振频率，谐振频率与晶体的尺寸有关，尺寸越大，谐振频率越低。如果充电采用尖峰脉冲［6］，会产生大量的谐波，可以使粗大的硫酸铅晶体获得巨大的谐振能量，将粗大硫酸铅结晶转变成细小的晶体，而这些细小的晶体比较容易被还原。谐振脉冲还可以破坏生成硫酸铅结晶的环境。谐振修复技术修复效率较高，对铅酸蓄电池的损害较小，但设计比较复杂，成本相对较高。

6结束语

随着地铁建设的快速发展，各地铁公司的UPS蓄电池的保有量会逐年增长，蓄电池的维护技术从降低运营成本、提高设备稳定性、节能环保等方面具有良好前景。

作者：王枫博 单位：天津市地下铁道运营有限公司研修中心