閥控式蓄電池在內(nèi)燃機(jī)車上的應(yīng)用研究
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摘要：介紹了供內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)使用的閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池的研制及應(yīng)用。討論了蓄電池電性能測(cè)試及裝車實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出的優(yōu)良啟動(dòng)能力。DF8CJ型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明：閥控式GNC170 蓄電池在不同荷電狀態(tài)下全電壓、低電壓?jiǎn)?dòng)柴油機(jī)能力完全達(dá)到鐵道部TB/T2362—93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，該蓄電池隨車正在正常運(yùn)行中。
關(guān)鍵詞：閥控式鎘鎳蓄電池、超高倍率、內(nèi)燃機(jī)車 啟動(dòng)
1. 前言：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，起到了越來越重要的作用。為了更好的配合經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，列車在一次次地提速，因此，提速列車對(duì)蓄電池也提出了更高的要求。目前，內(nèi)燃機(jī)車大多采用鉛酸蓄電池作為直流啟動(dòng)電源，但鉛酸蓄電池存在著體積大、質(zhì)量重、壽命短、酸霧腐蝕、高倍率放電性能差等缺點(diǎn)。我公司研制的內(nèi)燃機(jī)車用堿性蓄電池與酸性蓄電池相比質(zhì)量輕40%，體積小30%，且啟動(dòng)性能優(yōu)良，對(duì)列車提速起到很重要地作用。當(dāng)今，許多國(guó)家的高速列車、地鐵、動(dòng)車公共交通系統(tǒng)很大一部分使用的就是啟動(dòng)性能好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、使用維護(hù)方便的堿性蓄電池。
國(guó)內(nèi)于2001年成功地研制出了以GNC170為代表的用于內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)的新型蓄電池——閥控式鎘鎳超高倍率堿性蓄電池。該結(jié)構(gòu)電池不僅具備了鎘鎳堿性蓄電池的優(yōu)良性能，而且具有少維護(hù)性能，維護(hù)周期在兩年以上，極大的方便了用戶，頗受用戶青睞。該蓄電池按鐵道部TB/T2362—93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了不同荷電狀態(tài)下全電壓、低電壓?jiǎn)?dòng)能力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該電池完全滿足內(nèi)燃機(jī)車要求。
2. 閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池設(shè)計(jì)及技術(shù)特點(diǎn)。
2.1設(shè)計(jì)特點(diǎn)：
2.1.1 為滿足鐵路內(nèi)燃機(jī)車瞬時(shí)大電流啟動(dòng)放電的特殊要求，在電池設(shè)計(jì)中，加大負(fù)極板容量，調(diào)整正負(fù)極容量比（正極容量：負(fù)極容量=1：1.3～1.4），從而有效地控制充電電壓，保證蓄電池有較高的充電效率，有效地控制充電后期兩電極氣體的析出，尤其控制氫氣析出；另外，選用合適的負(fù)極添加劑，提高析氫過電位，也能起到抑制或減少氫氣析出的作用。
2.1.2 選用新型微孔隔板加無紡布，替代原用的接枝膜加尼龍布隔膜，一方面可以使正極產(chǎn)生的氧氣通過微孔擴(kuò)散到負(fù)極進(jìn)行鎘氧復(fù)合，不僅可以減少水消耗，同時(shí)也能保持電池電極電位的穩(wěn)定；另一方面采用新型隔膜可有效地控制極板間距，改善極間狀態(tài)，使極板間不僅有足夠的電液量，降低極化電阻，同時(shí)有效地控制電池溫升，防止電池?zé)崾Э亍Ａ硗獠捎眯滦透裟?qiáng)度好，能有效地地控制微短路發(fā)生，從而可以延長(zhǎng)電池壽命，提高可靠性。
2.1.3負(fù)極處理：為提高負(fù)極充電過程中氧復(fù)合能力，負(fù)極物質(zhì)或負(fù)極表面進(jìn)行親水和疏水處理，以保證電極有足夠活性表面，從而有效地控制電池內(nèi)壓。
2.1.4 嚴(yán)格控制電池裝配松緊度，因?yàn)殡姵匮b配松緊度的大小直接影響電池的大電流放電性能。若裝配較松，兩個(gè)電極之間電阻增大，工作電壓偏低，不能滿足啟動(dòng)要求，并使極板嚴(yán)重膨脹，影響電池壽命；而裝配較緊，不僅操作困難，長(zhǎng)期充電后所引起的極板膨脹，會(huì)導(dǎo)致電池短路等質(zhì)量隱患。通過對(duì)不同裝配松緊度的電池進(jìn)行綜合性能測(cè)試，確定出適合大電流放電的裝配松緊度。
2. 2 技術(shù)特性：
2.2.1 少維護(hù)性：閥控式GNC170 鎘鎳超高倍率堿性蓄電池采用閥控式技術(shù)，氣塞采用閥控式結(jié)構(gòu)，平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，減少電解液的碳酸鹽化。當(dāng)蓄電池充放電產(chǎn)生氣體過多，蓄電池內(nèi)部氣體壓力達(dá)到一定值時(shí)，蓄電池氣閥自動(dòng)打開減壓；當(dāng)內(nèi)部壓力減小時(shí)，氣閥自動(dòng)關(guān)閉，減少了水的損失，從而使其補(bǔ)水周期由原來的3個(gè)月提高到2年以上，大大延長(zhǎng)了維護(hù)周期，達(dá)到了少維護(hù)的目的。
2.2.2 高容量特性：作為內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)用蓄電池在啟動(dòng)過程中，瞬時(shí)放電電流高達(dá)2000A左右。根據(jù)機(jī)車使用條件及啟動(dòng)功率，確定蓄電池容量為170Ah；根據(jù)大電流放電所需的電流密度，正負(fù)極板裝配比例為34：33。由于極板片數(shù)較多且極板面積較大，為確保質(zhì)量，便于拆卸、修理，極板組采用裝配式結(jié)構(gòu)。
2.2.3 寬溫度特性：閥控式GNC170 鎘鎳超高倍率堿性蓄電池工作溫度范圍寬：能夠在-40℃——+55℃范圍內(nèi)正常使用。
2.2.4 大電流放電特性：由于閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池內(nèi)阻很小，可持續(xù)提供1～15C5A放電,便于啟動(dòng)機(jī)車的啟動(dòng)使用。
3. 測(cè)試結(jié)果
按上述性能設(shè)計(jì)制造的閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池，其電性能結(jié)果見表1：
從表1可看出，閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池各項(xiàng)性能都遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，一致性好，能滿足大電流放電需要。
4. 裝車實(shí)驗(yàn)
裝車前，機(jī)車廠在地面上對(duì)該電池進(jìn)行了容量檢測(cè)，其平均容量為193.8Ah。閥控式GNC170蓄電池裝車后按照鐵道部TB/T2362-93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池進(jìn)行不同荷電狀態(tài)下全電壓、低電壓的啟動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)。測(cè)試環(huán)境溫度34℃，測(cè)試結(jié)果見表2。
表1. 閥控式GNC170蓄電池電性能測(cè)試結(jié)果
測(cè) 試 項(xiàng) 目
|
標(biāo) 準(zhǔn) 要 求
|
測(cè) 試 結(jié) 果 |
1# |
2# |
20℃
放電
性能 |
0.2C5A |
≥5h |
5h45min |
5h30min |
1 C5A |
≥54min |
67 min |
65 min |
5 C5A |
≥8 min |
13.2 min |
12.8 min |
10 C5A |
≥2 min |
4.5 min |
4.1 min |
－18℃
放電
性能 |
0.2C5A |
≥3h45 min |
4h54 min |
4h48 min |
1C5A |
≥35 min |
62 min |
58 min |
2C5A |
≥12 min |
31 min |
29 min |
5 C5A |
≥3.5 min |
8.4min |
7.8 min |
荷電保持 |
0.2C5A |
≥4h |
5h30min |
5h18 min |
恒壓充電接受能力 |
0.2C5A |
≥3h30min |
5h17min |
5h10 min |
表2 閥控式GNC170蓄電池全電壓（91.2V）、低電壓（79.2V）啟動(dòng)柴油機(jī)測(cè)試結(jié)果
狀 態(tài) |
容量百分?jǐn)?shù)% |
啟動(dòng)次數(shù)
|
開路電壓V
|
啟動(dòng)電流A
|
啟動(dòng)電壓V
|
啟動(dòng)時(shí)間S |
全電壓 |
100 |
3 |
97.3 |
1850 |
53.3 |
6.0 |
100 |
11 |
91.2 |
1803 |
53.5 |
6.2 |
60 |
1 |
93.5 |
1834 |
51.7 |
6.4 |
60 |
6 |
92.7 |
1803 |
51.7 |
6.4 |
20 |
1 |
91.4 |
1803 |
51.0 |
6.7 |
低電壓 |
100 |
1 |
87.6 |
1772 |
18.3 |
7.0 |
100 |
6 |
85.5 |
1741 |
17.5 |
7.0 |
50 |
1 |
80.8 |
1680 |
16.7 |
7.2 |
50 |
3 |
80.3 |
1650 |
16.7 |
7.4 |
注：GNC170蓄電池全電壓保留100%容量連續(xù)啟動(dòng)11次，保留60%容量連續(xù)啟動(dòng)6次，保留20%容量連續(xù)啟動(dòng)5次，低電壓（去掉10只電池，僅有66只電池串聯(lián)），保留100%容量連續(xù)啟動(dòng)6次，保留50%容量連續(xù)啟動(dòng)5次。?
可看出，閥控式GNC170蓄電池完全達(dá)到鐵道部TB/T2362—93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同荷電狀態(tài)下全電壓、低電壓?jiǎn)?dòng)能力的要求。
5．結(jié)論
5.1閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池設(shè)計(jì)合理，具有優(yōu)良的電性能，完全達(dá)到前述性能指標(biāo)要求。
5.2閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池具有啟動(dòng)功率大、內(nèi)阻小、殼體儲(chǔ)液室大、透明度好、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、耐過充過放電、高低溫性能好、壽命長(zhǎng)、無腐蝕、可靠性高等特點(diǎn)，可滿足內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)要求。
5.3閥控式GNC170鎘鎳超高倍率堿性蓄電池研制成功填補(bǔ)了該系列蓄電池用于內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)的國(guó)內(nèi)空白。
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