1、 毕业设计说明书 课题名称： 城轨车辆 蓄电池的 检修与维 护 二级学院 铁道牵引与动力学院 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 摘 要 本毕业设计针对我国铁路车辆所使用的各种蓄电池进行研究，首先概述性介绍蓄电 池的结构、种类及发展历史，之后，重点介绍了铁路车辆用蓄电池的检修与维护及维修工作内容及要求。通过对这些方面的学习，使我对蓄电池的使用保养和小故障处理具有了一定的认识，使这些方面的能力得到一定的提升。 另外，本论文也涵盖了对新型蓄电池的部分介绍，让我对蓄电池的新技术有所了解，拓展了蓄电池的认知度及选用范围。 关键词 ： 铁道车辆 蓄电池 检修 Abstract The various
2、batteries used in graduate design in view of Chinas railway vehicle is studied, firstly generally introduces structure, types and the development history, battery, focuses on the battery repair and maintenance and repair work contents and requirements for railway vehicle. Based on these aspects of l
3、earning, make me on the battery maintenance and fault treatment has a certain understanding, so that the capacity of these areas have been improved. In addition, this paper also covers the battery part, let me understand the new technology to the battery, expand the awareness and the selection range
4、 of battery. Keywords: Railway vehicle battery maintenance 目 录 第 1 章 蓄电池概述 . 1 1.1 蓄电池在电力机车上的应用 . 2 1.2 供电蓄电池 . 3 1.3 起动蓄电池 . 4 1.4 碱性蓄电池与酸性蓄电池比较 . 5 1.5 新型蓄电池 . 6 第 2 章 蓄电池的结构 . 10 2.1 TG 型铅蓄电池 . 10 2.2 镉镍碱性蓄电池 . 12 2.3 阀控型铅酸蓄电池 . 14 2.4 阀控式铅酸电池与胶体电池的差异 . 17 第 3 章 蓄电池的工作原理 . 19 3.1 阀控式蓄电池的结构原理 . 19
5、 3.2 阀控式蓄电池的工作原理 . 19 第 4 章 蓄电池的故障分析 . 23 4.1 影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素 . 23 4.2 常见故障的原因分析 . 26 第 5 章 阀控式铅酸蓄电池的维护与检修 . 29 5.1环境对蓄电池的影响 . 29 5.2 阀控密封铅酸蓄电池常见问题 . 30 5.3 蓄电池的测试 . 30 5.4 阀控密封铅酸蓄电池的维护 . 32 5.5 阀控密封铅酸蓄电池的检修 . 35 第 6 章 心得体会 . 39 参考文献 . 40 1 第 1 章 蓄电池概述 蓄电池是化学能与电能相互转换的装置，它能把电能转变为化学能储存 起来，使用时再把化学能转变
6、为电能，而且变换的过程是可逆的。以上两个过程，前者称为充电，后者称为发电。根据极板所用的材料和电解液性质的不同，蓄电池一般可分为酸性（铅）蓄电池和碱性蓄电池两大类。碱性蓄电池按其极板活性物质的不同，又可分为铁镍蓄电池和镉镍蓄电池等系列。 铅酸蓄电池的发明至今已有一百多年的历史，因其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点使其在化学电源中一直占有绝对优势。到 20 世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放 电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点： (1)充电末期水会分解为氢、氧气体析出，需经常加酸、加水，
7、维护工作繁重； (2)气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。 铅酸蓄电池是 1859 年 G.plante 发明的。自铅酸蓄电池被发明以来，因其价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等特点，目前已成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。铅酸蓄电池经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域。以产品的结构形式分类，可以分 为开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型（ AGM）、阀控胶体型 (GEL)等几大类产品。 国内小型电动车上用的铅酸蓄电池主要是 AGM 吸附式和胶体两类阀控密封型蓄电池产品
8、，目前 AGM 吸附式蓄电池在市场上占主导地位。胶体蓄电池因生产难度大、技术水平高、国内胶体材料不稳定、生产成本高等原因，国内只有少数几家蓄电池厂在生产，而且用户反映产品质量并没有明显的提高。据国外权威蓄电池研究机构报道，胶体动力型蓄电池综合技术指标和寿命明显优于普通的 AGM 吸附式蓄电池，胶体蓄电池是动力型铅酸蓄电池的发展方向。 根据热 力学原理，铅酸蓄电池的电动势是 2V，同样额定电压也是 2V，所以我们日常见到的铅酸蓄电池产品的电压都是 2V 的倍数。我们常用的 6V 和 12V 电池分别是由 3 个和 6 个内部串联的 2V 蓄电池单元组成的。像我们日常见到的其他种类电池一样，铅酸蓄
9、电池的每个单元也分正极和负极。铅酸蓄电池的正极是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的物质，正常为红褐色，负极是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为灰色。正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。铅酸蓄电池用纯净的稀硫酸作为电解液，比重一般在 1.21.3g/ml 之间，电解 液的主要作用是参加极板上的化学反2 应、导通离子和降低电池反应时的温度。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开，吸附式密封蓄电池的隔板是由超细玻璃丝绵制作的，这种隔板可以把电解液吸附在隔板内，吸附式密封蓄电池的名称也是由此而来。胶体蓄电池的隔板种类比较多，而且很多厂家还使用多种材料复合的隔板。 近二十年来，为了解决以
10、上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，实现电池的密封，获得干净的绿色能源。 1969 年，美国登月计划实施，阀控式密封铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技 术从此得到发展。 1992 年，经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，密封铅酸蓄电池得到了广大用户的认可。其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有 单 向排气阀（也叫安全阀），该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），即当电池内部气压升高到一定值时，排气阀自动打，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。 VRIA
11、 电池就是阀控式密封铅酸蓄电池。它诞生于 20 世纪 70 年代，到 1975年时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快 就形成了产业化并大量投放市场。这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎，特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起 (或一个工作间 )的用户青睐，例如 UPS、电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。这是因为 VRIA 电池是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把 VRLA 电池又叫做密闭 (封 )铅酸蓄电池。为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅
12、酸蓄电池。由于 VRIA 电池从结构上来看，它不但是全密封的，而 且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以 VRLA 铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”。 1.1 蓄电池在电力机车上的应用 蓄电池作为电力机车的备用电源和启用电源，其作用主要包括：在降弓状态下位机车的控制电路、低温预热电器、辅助压缩机、照明显示等低压电器提供110 V直流电源，保证机车升弓并投入工作，在电力机车运行中 110V 控制电源发生故障时，给控制电路提供电源来维持机车的短时故障运行；机车在正常运行过程中对控制电源起滤波作用，以降低控制电源的纹波系数，提高控制电源的品质；为机车的低压试验提供控制 电源和为机
13、车的故障检查提供照明电源。 从我国首台电力机车问世直至 20 世纪 90 年代中期，我国电力机车一直采用普通的镉镍碱性蓄电池（铁壳体）。随着对蓄电池性能要求的提高，原有的蓄电池固有的一些缺陷（如漏液、故障率高、存在记忆效应、每运行半年左右需要换3 液维护等）与电力机车对蓄电池的运用要求之间的矛盾愈益明显。而阀控式免维护型铅酸蓄电池作为新产品，以其比能量高、常温放电性能平稳、少维护（终生免换液）、无记忆效应、不漏液（塑料外壳）、一次性价格低等特点迅速在电力机车领域得到广泛应用。此后，在 20 世纪 90 年代末期，镉镍 碱性蓄电池的研发工作取得了较大的发展，研制出具有少维护、寿命长、耐过充过放、
14、应用温度范围宽、不漏液（塑料外壳）等特点的镉镍碱性蓄电池。从此酸碱两种少维护型蓄电池均在电力机车领域获得了应用。 下面是机车车辆用铅、碱性蓄电池的种类如表 1-1。 表 1-1 机车车辆用铅、碱性蓄电池的种类 种类 型式 极板 主要使用机车车辆 负荷 铅蓄电池 TRA12 TRP15 TRE(密封式） 糊膏式 JR 线客车 JR 线内燃动车 JR 新干线 车内灯 发电机组 启动 车内灯 碱性蓄电池 AE AM-P AE-S(密封式） QFYM（组合式） QCA-T（密封式） 盒式 JR 线电动车组 私铁电动车组 JR 新干线 私铁电动车组新交通 国营、私营 车内灯 控制 辅助电源 1.2 供电
15、蓄电池 传统供电电源使用的蓄电池为 TG 型酸性铅蓄电池或 GN 型碱性镉镍蓄电池，其主要规格如表 1-2 所示。 表 1-2 供电蓄电池主要规格 型号 生产国 额定容量（ Ah） 额定电压（ V） 充电 放电电流（ A） 电解液比重 蓄电池全重量（ kg） 电流（ A） 时间（ h） 夏季 冬季 酸性铅蓄电池 4 TG-540 TG-450 TG-350 BH-400 BH-400 T4B-390 中国 中国 中国 前苏联 前苏联 德国 540 450 350 400 440 390 2 2 2 2 2 2 60 50 44 60 60 62 7 15 7 15 7 15 54 45 35
16、70 62 78 1.23 1.23 1.23 1.27 12.8 1.26 1.28 1.28 1.28 1.27 1.28 1.26 50 44.5 34 碱性镍镉蓄电池 GN-250 GN-300 TH-350 9156.33 中国 中国 前苏联 德国 250 300 350 375 1.2 1.2 50 60 90 75 8 8 50 60 75 75 1.20 1.20 1.20 1.20 1.28 1.28 1.20 1.27 18.4 21.0 17 15.9 普通客车及德国进口空调客车，采用轴驱式发电机与蓄电池组并联供电。当车辆停站或低速运行时，车辆停止转动或低速转动，轴驱式发
17、电机尚未建立足够电压，车上电灯、电扇，电动水泵以及空调机组， 此时，均由蓄电池组供电。普通客车采用 48V 直流电源，蓄电池组由 24 只铅蓄电池串联而成 ;空调客车采用110V 直流电源，由 56 只铅蓄电池或者 78 只镉镍蓄电池串联成组。 DC600V/380V 兼容集中供电空调客车，为了保证照明、通风及控制电器使用不间断电源，采用 DC110V 供电装置。这种装置由充电器、蓄电池组等部件组成。其中，蓄电池组采用 78 节中倍率碱性蓄电池， 200km/h 电力动车组采用德国产镉镍免维护电池额定电压为 93.6V，容量为 100A h，额定充电电压为 115V，最大允许充电电池为 25A
18、。充电器将 DC600V 直流电变换成 DC110V 直流电，向蓄电池充电的同时，向 DC110V 用电负载供电。当摘挂机车或停电时，由蓄电池供给照明、通风及控制电器等用电。 1.3 起动蓄电池 发电车和带有空调装置的软卧车或公务车中的柴油发电机组，用起动蓄电池驱动直流电动机起动柴油机，使柴油机转速达 100r/min 以上。 起动蓄电池具有大电流（ 400 1000A)放电、蒸馏水消耗多、充放电频繁的工作特点。常用的铅蓄起动蓄电池型号和规格如表 1-3。 5 表 1-3 铅蓄起动蓄电池型号和规格 型号 额定电压（ V） 计量标准（ kV A h） 净 重（ kg） +30起动放电 经常充电
19、第一阶段 第二阶段 电流（ A） 时间（ min） 容量（ A h） 电流（ A） 时间（ h） 电流（ A） 时间（ h） 6-Q-126 6-Q-140 12 12 1.512 1.680 46 50 380 420 5.5 5.5 35 38.6 12.6 14.0 8 10 8 10 6.3 7.0 6 8 6 8 1.4 碱性蓄电池与酸性蓄电池比较 现在国内铁路客车常用的蓄电池为铅酸蓄电池和镍镉碱性蓄电池，下面是这两者的区别。 1.4.1 铅酸 蓄电池特点 （ 1）铅蓄电池单只初置成本较低。 （ 2）酸性蓄电池可以用测电解液密度的方法来了解容量，碱性蓄电池则无此项简单方法。 （ 3）
20、单位重量的容量较小、寿命小于 1000 次充放电循环（约 3 4 年）。 （ 4）静置 1 个月的自放电损失电能达 30%左右。 （ 5）应用和维护保养工作中有氢气和硫酸污水产生，制造过程要防止工人铅中毒。 （ 6）铅蓄电池使用 H2SO4 作为电解液，腐蚀蓄电池池箱，容易造成车体漏电。 6 1.4.2 镉镍碱性蓄电池的特点 （ 1）理论重量比能量 K 大于铅酸蓄电池 （ 2）镉镍碱性蓄电池自放电较铅酸蓄电池笑 ，常温下贮存 1 个月，自放电为 10%。 （ 3）镉镍碱性蓄电池在 -40环境下工作容量降低至 65%，铅酸电池则为30%左右。 （ 4）寿命长。全充电放电达 1000 2000 次
21、循环，浮充电（指蓄电池与恒压直流电源一直并联在一起，使其保持全充电状态的一种充电方式）状态使用寿命可达 15 年左右。 （ 5）结构牢固，耐高温及大电流充电。 镉镍碱性蓄电池虽具有上述优点，但加工较复杂加之原材料昂贵，故初置成本较高，而且镉也会造成环境污染和工业中毒问题。此外季节不同，使用的电解液成分也不同。 1.5 新型蓄电池 下面就是国内新型蓄电 池 阀控式密封铅酸（ VRIA）蓄电池和胶体电池的介绍。 1.5.1 阀控式密封铅酸蓄电池 目前国内外生产的 VRLA 蓄电池主要采用两种技术： AGM 技术和 GEL 技术。 AGM 技术是贫液式设计，电池内部没有流动的电解液，它采用超细玻璃棉
22、隔板，隔板吸收了足够的电解液后仍保持 10%左右的孔隙作为氧气的复合通道，正极析出的氧到负极复合，以实现氧的循环。它具有自放电小、充电效率高的优点，极群采用紧装配，内阻小，适合大电流放电，气体复合效率高，酸雾逸出少，初期容量较高，有较好的低温放电性能。 GEL 技术即生产胶体电 池的技术。胶体电池中氧的复合通道是胶体收缩时所产生的裂纹，由于采用富液式设计，深放电的恢复特性较好，能防止电解液干涸，胶体的固定作用使电解液几乎不存在分层现象，在较高的环境温度下，胶体电池有较长的寿命。但胶体电池在使用初期，裂纹少，复合效率低，控制阀经常打开排放酸雾，无法充分体现密封蓄电池在环保方面的优越性。经过一段时间，裂纹增多，这个缺点自然而然就会被克服。
