阀控式铅酸蓄电池在轨道交通中的应用
摘 要：本文结合阀控式铅酸蓄电池在西安地铁二号线的实际应用情况，分析比较两类阀控式铅酸蓄电池的不同特点，总结阀控式铅酸蓄电池在城市轨道交通各子系统中的实际应用要求，同时，本文提供了两种运用较为广泛的 UPS 蓄电池容量计算方法及蓄电池的日常维护要点。
关键词：阀控式铅酸蓄电池；胶体蓄电池；恒功率法；电源法
0 引言
电池是一种将化学能直接转变成直流电能的电源，按照能量存储方式可分为：原电池，即不能周期性充电的电池，如锌锰干电池等；蓄电池，即可反复充电使用的电池，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂离子蓄电池等。在所有电池中，铅酸蓄电池因其具有电压稳、容量大等特点，在工业领域有着广泛的应用。它通常与整流模块或充电器并联浮充供电，可作为市电中断时的备用电源。阀控式铅酸蓄电池属于铅酸蓄电池中的一种，它在城市轨道交通领域中有着广泛而重要的应用，主要用于不间断电源、照明系统以及车辆、屏蔽门等动力设备上。
1 阀控式铅酸蓄电池的分类和比较
阀控式铅酸蓄电池又简称为 VRLA 电池，它可通过安装在蓄电池上的单向排气阀达到自动排出化学反应气体的目的，因为在使用期间不需加酸加水，因而具有免维护的特点[1]。阀控式铅酸蓄电池可分为 AGM 和 GEL 电池两种，本文中分别简称为普通阀控式铅酸蓄电池和胶体蓄电池。普通阀控式铅酸蓄电池采用吸附式玻璃纤维棉作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，而胶体蓄电池则以 SiO2作为凝固剂，将电解液固定在极板和隔板内或之间。
胶体蓄电池与普通铅酸蓄电池相比具有一定优势，主要表现在：胶体蓄电池由气体 SiO2及多种添加剂以胶体形式固定，可充满电池内的所有空间，电解液量及密度与富液式电池的相近，对极板腐蚀较轻；一般在 -30～45 ℃的温度范围内都能正常工作，低温放电能力更强 （特别适合北方地区）；胶体中添加特殊化学物质，极板采用特种合金，电池的循环性能和深度放电恢复能力较好；胶体蓄电池电解液的密度低，电池自放电率低，可维持较长时间不充电；胶体的散热性能强，不宜热失控，蓄电池寿命相对长。另一方面，胶体蓄电池也存在某些不足，如胶体蓄电池内阻较大，大电流放电特性一般，工艺复杂，原料成本高，采购费用大。
在国内早期的轨道交通项目中，大多采用普通阀控式铅酸蓄电池，而随着胶体蓄电池的出现和应用，目前有越来越多的城市轨道交通项目开始选用胶体蓄电池，这两类蓄电池从性能、成本、可维护性等方面比较各有优劣，但随着胶体技术的逐渐普及和制造成本的降低，广泛选用胶体蓄电池将成为趋势。目前，西安地铁二号线除了车辆仍采用传统的碱性电池外，其余系统均采用阀控式铅酸蓄电池，其中供电系统的交直流电源以及应急照明电源采用了胶体蓄电池。
2 阀控式铅酸蓄电池的应用要求
阀控式铅酸蓄电池在城市轨道交通的很多系统中都有应用，如通信系统、信号系统、供电系统、地铁车辆等，它所工作的环境、负载的类型和供电方式也因系统而异。下面列举出各系统对阀控式铅酸蓄电池的实际应用要求。
2.1 通信、计算机类系统
通信、计算机类系统的主要供电对象有：专用通信、民用通信、公安通信、综合监控、AFC 系统中的交换设备和服务器以及 BAS 系统中的 PLC 等，负载类型一般为容性和阻性负载。该类系统通过UPS 的逆变单元提供紧急供电电源，一般要求供电维持时间大于 2～4 h，多采用 12 V 蓄电池成组。
2.2 信号系统
信号系统的主要供电对象有：信号机房设备以及轨旁的转辙机、信号灯等，负载类型一般为容性和感性负载。该类系统常通过综合电源屏提供紧急供电电源，一般要求供电维持时间大于 30 min，多采用 12 V 蓄电池成组。
2.3 供电系统
供电系统的主要供电对象有：断路器测控保护单位、整流器温控单元、控制信号盘、接触网控制电机等，负载类型包括了容性、阻性和感性负载。该类系统通过交直流电源屏提供紧急供电电源，一般要求供电维持时间大于 60min，且具有短时大电流放电能力和一定的抗冲击能力，多采用 12 V 蓄电池成组（发电厂则多采用单体 2V 的大容量蓄电池）。
2.4 照明系统
照明系统的主要供电对象有：地铁车站的应急照明、导向装置等，负载类型一般为感性负载。该类系统通过 EPS 的逆变单元提供紧急供电电源，要求满足满负荷运行 1.5 h 的用电需求，一般采用12 V 蓄电池成组。
2.5 车辆
车辆的主要供电对象有：车辆空调和照明、车辆控制系统、车载广播和 PIS、车门等，负载类型一般为感性负载。地铁车辆通过内置的电源装置为车辆的 110 V 控制电路提供紧急供电电源，一般要求供电维持时间大于 45 min，满足乘客安全逃生与供电需求，在紧急状态解除后能保证地铁车辆升弓并投入工作，要求蓄电池具有短时大电流放电能力和过载能力，多采用 2 V 蓄电池成组。
2.6 屏蔽门
屏蔽门的主要供电对象有：屏蔽门控制主机、门体驱动装置等，负载类型一般为容性和感性负载。屏蔽门可通过 UPS 的逆变单元或直接由蓄电池为其控制、驱动装置提供紧急供电电源，一般要求供电维持时间大于 30 min 或在一段时间内保证屏蔽门能够正常开关 3 到 5 次，要求蓄电池具有短时大电流放电能力和一定的抗冲击能力，多采用12 V 蓄电池成组。
3 蓄电池的容量计算
蓄电池的配置容量理论上应等于或略大于系统的最大折算负荷容量，容量估算较低可能造成系统的紧急状态备电时间不能满足设计规范和实际需要，而容量估算过高则可能造成蓄电池采购费用上升，运营状态下充电功耗增大带来的能源浪费和维护成本的上升，因而采用较为准确的方法估算蓄电池的容量对于地铁建设和运营维护具有非常重要的意义。
蓄电池容量的估算方法因其供电方式的不同而不同。对于由蓄电池直接给负载供电的系统，可根据直流电压等级、直流负载最大容量之和、单体蓄电池放电截止电压、系统要求的备电时间、蓄电池产品手册中的放电曲线等参数直接计算出单体蓄电池的容量和数量。
对于蓄电池经由逆变装置以交流形式给负载供电的系统，则可根据蓄电池产品手册中提供的恒功率放电资料表或者恒流放电曲线，通过恒功率法、电源法、恒流法等方法来计算所需蓄电池的容量和数量。本文将以通信系统的 UPS 蓄电池为例，介绍两种应用广泛且相对准确的容量计算方法。
3.1 恒功率法 （查表法）
这种方法首先计算在后备时间内，每单体蓄电池至少应向 UPS 提供的功率，计算步骤为：
(1)
——— 计算出蓄电池组应提供的总直流功率值 （参数含义见表 1）；
(2)
——— 计算出每单体蓄电池应提供的直流功率值。
计算出 Pnc后，可以在蓄电池产品手册的恒功率放电参数表 （对应电压 Umin） 中，找出功率值等于或略大于 Pnc的蓄电池型号，即可满足系统的备电时间要求。如果表中所列蓄电池的功率值均小于Pnc，则可以通过并联多组蓄电池的方式满足备电时间要求。
恒功率法在一般工程领域较为常用，如果蓄电池的运行环境中温度及负载 （长期保持在额定容量的 80 %以下） 等条件相对稳定，即可选用这种方法来计算出蓄电池容量。由于轨道交通中通信设备机房一般具有良好的空调环境且负载非常稳定，因此常选用这种计算方法。
3.2 电源法
这种方法是国家原邮电部为通信行业蓄电池容量选择而规定的方法，详细说明请参阅 《YDT5040-2005》 标准文件，计算步骤为：
(1)
——— 计算出蓄电池组的最大放电电流 （参数含义见表 2）；
(2)
——— 计算出蓄电池组的最小容量。
电源法是通信行业推行的蓄电池容量计算标准，该方法综合考虑蓄电池在整个寿命周期内的性能状态，更适用于蓄电池运行环境和条件变化较大的应用场合。需要特别指出的是，由于电源法具有普遍适用性且计算中充分考虑了裕量，因此其计算得出的蓄电池容量也往往高于恒功率法 30 %～40 %以上。
4 阀控式铅酸蓄电池的维护要点
4.1 蓄电池的运输和存储
蓄电池在运输过程中发生损伤，或是在存储过程中未按规范要求长期随意存放，都会对蓄电池的性能指标及实际使用寿命造成不利影响，这一点往往容易被人们忽视。因此，无论是在工程建设阶段还是运营维护阶段，对于未投入使用的蓄电池加强管理和维护是非常必要的。
4.2 蓄电池的使用环境
阀控式密封铅酸蓄电池由于结构等原因散热困难，其充电电压及容量受温度影响较大。温度过高会破坏物质的定向移动和化学反应，加速蓄电池极板的变形和腐蚀。现有的科学研究及统计数据表明，长期运行在高温环境下的蓄电池，其实际使用寿命会明显缩短，如 35 ℃条件下蓄电池寿命将减半，因此应尽量为蓄电池提供良好的工作环境。
4.3 充电参数设置
一些配置参数 （如浮充电压、均充电压、均充的频率和时间、环境温度、温度补偿系数、直流过欠压告警门限、充电限流值等） 需要跟蓄电池厂家沟通后再确定具体数值，平时应定期检查蓄电池的实际使用状态，评估是否需要重新设定参数,以保证蓄电池始终处于良好的充放电状态。
4.4 日常检查重点
日常检查中应详细记录浮充电压、充放电电流、环境温度、均浮充转换时间及次数、剩余容量等参数，同时，应重点观察蓄电池壳体、极柱、安全阀的状态，一旦发现异常应及时进行处理。
4.5 均充及充电方式
当蓄电池满足下列条件之一时，需对其进行均充：新电池安装调试后，需要进行连续 12 h 的均充；搁置不用时间超过三个月；蓄电池放电超过30 %的额定容量；全浮充运行六个月以上；单体蓄电池的电压低于 2.2 V。
对蓄电池进行均充时，建议采用限流限压法，即先限定电流，将充电电流限制在 0.25C10以下，待蓄电池端电压上升到 2.30～2.35 V/ 单体时，立即以 2.35 V 电压恒压连续充电，直到充电电流降到 0.006C10以下且 3 h 内基本不变化时，则认为蓄电池已充足。
4.6 蓄电池容量核对性测试
为保证蓄电池能够满足忙时最大平均负荷的需要，每半年应按实际负荷做一次核对性放电测试，放出额定容量的 30 %～40 % （额定容量按实际放电率计算），同时，最好每三年进行一次全容量放电测试，放出额定容量的 80 %，记录蓄电池单体电压和总电压，并评判蓄电池组的性能状态。
4.7 其他注意事项
每半年应使用专业仪器检测一次单体蓄电池的端电压和内阻，当测量数据明显异常时，应及时对其进行活化或更换；严禁将不同型号、不同使用年限的蓄电池混用；建议安装先进的蓄电池在线监测系统，实时监测其运行状态，并将信息传输至监控中心。
5 结束语
阀控式铅酸蓄电池因其优良的性能、较好的可维护性和较低的采购维护成本在城市轨道交通中有着广泛的应用。蓄电池的选用和容量计算要从供电对象的特性、逆变装置的技术要求、使用环境、维护成本等多方面综合考虑。同时，蓄电池的使用寿命取决于它在全寿命周期内的维护情况，尤其是蓄电池上电投用前的管理和维护在很大程度上将直接决定它们的实际使用寿命，因而应该给予足够的重视。
参考文献：
[1] 朱品才, 等. 阀控式密封铅酸蓄电池的运行与维护[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.
[2] 漆逢吉. 通信电源[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2005.
[3] 顾保南, 叶霞飞. 城市轨道交通工程[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2010.
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