浅谈HXN5B调机蓄电池亏电原因分析

黄敬云

摘 要： 根据用户反馈蓄电池亏电问题，开展对HXN5B机车用蓄电池的情况调查和运用分析，针对蓄电池特性、用电负载、充电方式等方面进行分析，得出大功率负载长时间使用会对蓄电池造成容量衰减，由此引发蓄电池亏电，导致柴油机无法起机。根据造成问题主要原因，对线路进行研究，提出优化改进方案。

关键词： HXN5B调机；铅酸蓄电池；容量衰减

一、问题来源

根据用户反馈，HXN5B调机在使用过程中多次出现蓄电池亏电导致机车柴油机无法起动的情况。根据用户蓄电池使用情况以及公司售后管理系统记录的信息，对故障蓄电池相关故障信息进行了统计分析，大部分故障反映出来的都是蓄电池容量不足、电压下降，微机报警导致机车无法起机。

二、原因分析

为找到造成无法起机的原因，针对故障电池组进行上线检测，经在线检测，电池容量严重衰减，已经低于额定容量的80%。现场抽取电池进行解剖分析，发现电池内隔膜已干涸、且与极板发生粘结，极板出现严重硫化现象。蓄电池在运用过程中的出现极板硫化容量衰减主要与使用环境温度、放电深度、使用负载功率、充电条件及使用习惯息息有关，因此主要从蓄电池的性能、机车上蓄电池的用电负载、蓄电池的充电装置等方面进行分析。

（一）蓄电池特性

内燃机车用铅酸蓄电池的主要作用是为机车起动柴油机供电和机车检修维护时为控制系统供电。首先由于采用了超级电容辅助蓄电池启动柴油机，蓄电池大电流放电不超过1000A，起动放电时间在3s内，蓄电池在启动阶段所消耗的能量比直流车起动时消耗能量有所降低。其次根据权威第三方检测机构出具的型式试验报告，NM450蓄电池满足TB/T3061的相关使用要求，并且其实际电池容量不低于标称容量的115%，蓄电池的容量比较富余。再者由于HXN5B机车是控制用电设计基础借鉴HXN5机车，据HXN5机车大批量运用NM450蓄电池的经验，证明HX5NB机车采用铁路内燃机车NM450通用型号铅酸蓄电池能够满足HXN5B机车的常规运用。对铁路用蓄电池的要求NM450蓄电池设计的理论寿命如下图1和图2所示。从下图1和图2可知蓄电池的可用电量受放电倍率影响，使用寿命受环境温度和放电深度影响。

（二）HXN5B调机蓄电池用电负载

根据调机机车总体设计方案要求，在机车柴油机未起动时，蓄电池可供直流辅助控制负载用电。根据机车原理图进行分析，可以分为直接接在蓄电池两端的负载和通过断路器、闸刀等间接使用蓄电池的负载，负载汇总如下表3所示（部分3W以下的低功耗设备不包括在内）：

分析HXN5B机车在未起机时用电负载，从上表可发现冬季的用电负载最大，大约为15.5KW（其中取暖器为8kW）。根据对蓄电池的特性进行分析，冬季长时间用功率大取暖器取暖，使NM450蓄电池在低温、持续放电倍率242A（远超出其额定放电倍率45A）的工况下使用，很容易使电池深度放电。随着电池的使用时间加长，电池内阻增大，蓄电池容量衰减，在低温或者高温时大功率负载持续用电时可放出的容量随之下降，就会出现过放电现象，产生极板硫化，造成蓄电池不可逆损伤。最终导致蓄电池容量衰减。

虽然起动机油泵和燃油泵只在起动时短时工作，在计算时忽略不计，但是在启动准备阶段，由于柴油机在启动前需要打滑油4min。根据以往试验数据可知，在柴油机启动准备阶段4min内，蓄电池的放电电流在85A左右，如果蓄电池出现容量下降，其他负载又同时用电，蓄电池的负荷会更大。起机阶段蓄电池需要释放上千安培的电流，对处于即将亏电的蓄电池可能产生的结果就是无法起机。

HXN5B机车的蓄电池系统是由32个单节NM450电池组成，与其他传统110V控制系统采用的48节蓄电池组成相比，总能量减少了1/4，而且大功率用电负载取暖器和空调都可以直接使用蓄电池的电量，所以用户在使用习惯上应与其他机车区别对待。

（三）充电分析

重载大功率交流传动调车机车采用NM450型酸性蓄电池，单节电池额定电压2V，额定容量450Ah，每台机车共32节电池，機车蓄电池额定电压为64V。最大充电电流67A；蓄电池欠压报警值56V，机车最高直流充电电压为76.8V。最高保护电压83V，最高充电保护电流70A。

由于蓄电池的特性受温度影响，在充电过程中应根据不同的温度对充电电压进行补偿调整，相比传统的直流机车，HXN5B机车蓄电池充电机中根据电池特性参数设置了温度补偿充电方式，以保护电池在低温或者高温的正常充电。

电源充电装置可以根据蓄电池状态对蓄电池执行不同的充电方式：均衡充电和浮充充电。据了解该机车蓄电池充电方式中只做了浮充充电模式。对于这种只有浮充充电模式，对经过深度放电后的蓄电池难以充满。但是从以往大批量的DF系列机车的蓄电池控制方式也只有浮充一种方式来看，说明固然充电机的这种充电方式是存在一定的影响，但不是造成这次蓄电池容量急剧衰减的主要原因，这种充电方式对电池的影响较小，不会造成蓄电池短期内容量衰减至无法使用现象。

（四）结论

根据上述分析可知，NM450蓄电池的选用能够满足HXN5B的常规控制负载停机供电和柴油机的起动要求，但是无法满足车上功率大负载取暖器和空调的长期使用要求。目前的车载充电方式虽然与理论充电要求有一定的差异，但是不会造成蓄电池短期内容量衰减至无法使用现象。所以可以说明大负载长时间使用蓄电池的用电习惯，导致蓄电池深度放电，使蓄电池容量急剧下降，无法启动柴油机，最终导致极板严重硫化，损坏蓄电池。

（五）优化改进

内燃机车上的NM450蓄电池的主要作用是供柴油机起动用电和短时间内控制照明系统小功率负载用电。针对上述分析，为了保护蓄电池，防止出现蓄电池过度用电的情况，将取暖器和空调大负载设备的取电线路由蓄电池供电更改为辅助变流柜充电机供电，杜绝大负载设备直接使用蓄电池的电量，为此对机车蓄电池接线原理进行了优化，保证了蓄电池的正常运用。