城轨车辆碱性镉镍蓄电池系统安全设计与探讨.pdf

2013 第十届世界轨道交通发展研究会年会 2013 第十五届中国香港铁道学会年会 城轨车辆碱性镉镍蓄电池系统安全设计探讨 孙淑华 田 庆 摘要：本文对城轨车辆碱性镉镍蓄电池原理及充、放电情况等进行介绍，然后引出导致蓄电池出现 安全隐患的原因分析，同时有针对性的进行安全设计探讨，最后简要提出了在维护期间的注意项点。 1 前言 城轨车辆用蓄电池系统作为列车各系统上电工作前的控制电源及运行期间的后备电源，其重 要性不言而喻；蓄电池系统的安全设计考虑不周及后期维护的疏漏可能会导致严重的后果。本文 就是从这些方面入手，浅谈蓄电池组的安全设计问题。 2 碱性镉镍蓄电池介绍 （1） 电池定义：电池为把化学能直接转变成电能的装置，它可分为一次电池和二次电池。二 次电池如干电池与蓄电池，充电时，把电能以化学能的形式储存在电池中；放电时，把化学能转 变成电能。常见的蓄电池种类有碱性蓄电池、酸性蓄电池及锂电池等。 （2 ） 碱性镉镍蓄电池的特点：使用寿命长一般为 1000 次循环以上；内阻小，可供大电流的放 电，当它放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池；因为采用富液式和独特 的迷宫式阀体设计结构，因此不会有电解液漏出的现象，补充电解液时间间隔长；与其他种类电 池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便；长时间的放置下也不会使性能劣化， 当充分充完电后即可恢复原来的特性；可使用在很广的温度范围内；因为它采用阻燃塑料容器而 作成，有较强的机械性。 （3 ） 碱性镍镉蓄电池工作原理： 1) 主要组成（见图 1 和图 2 ）：正、负极，由活性物质和导电骨架组成； 图 1-1 蓄电池单体示例 图 1-2 蓄电池箱体示例 隔膜：用在正、负极板之间，防止正、负极板之间短路； 352 电解液：在电池内部通过离子导电，使蓄电池内部形成通路； 外壳： 极板、电解液、隔膜组装在外壳内。 目前城轨车辆一般配置76 只或 78 只单体组成的蓄电池组，它置于有一定 IP 防护等级的蓄电 池箱体内，配以各种短路，过载等电气保护电路。 2) 充、放电：碱性镉镍蓄电池在充、放电时会进行如下化学反应。 正常充、放电时，位于负极的镉(Cd)和氢氧化钾(KOH) 中的氢氧根离子(OH-)化合成氢氧化镉， 并附著在阳极上，同时也放出电子。电子沿著电线至阴极，和阴极的羟基氧化镍得到电子与氢氧 化钾溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附著在阳极上，氢氧根离子则又回 到氢氧化钾溶液中，故氢氧化钾溶液浓度不会随著时间而下降。 放电反应式： 负极反应： Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e- 正极反应： 2e-+NiOOH+2H2O→Ni(OH)2+2OH- 总反应： Cd+ NiOOH +2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2 充电反应式： 正极反应：Ni(OH)2+2OH- → 2e-+NiOOH+2H2O 负极反应：Cd(OH)2+2e-→ Cd+2OH- 总反应： Cd(OH)2+Ni(OH)2→Cd+NiOOH+2H2O 过充电时，镉镍蓄电池在过充电时会使水反应生成氢气和氧气。 （电解液） （负极） （正极） 2H2O → 2H2 + O2 水 氢气 氧气 过放电：对于蓄电池而言，放电电压有一个最低点，如镉镍、镍氢电池一般为 1.0V，铅酸电 池为 1.75V，锂离子电池为2.75V 。放电时低于最低电压值称之为过放电。镉镍电池具有优异的耐 过放电能力，电池放电至 0V 对电池性能没有较明显的损害。 自放电：电池在开路放置状态下荷载的电量会自发性的消耗称为电池的自放电现象。所有电 池均存在自放电现象。一般用自放电率的高低来考核电池性