华东交通大学 车辆电器装置 客车用蓄电池

1、第五章第五章 车辆蓄电池车辆蓄电池第一节第一节 概述概述在客车供电装置中，蓄电池被广泛使用。在列车单独式供电系统中，蓄电池组与轴驱式发电机并联使用，作为旅客列车低速运行或停站时车上用电器的电源；在列车集中供电系统中，蓄电池作为柴油机的起动电源和客车应急电源。客车上蓄电池被广泛使用。客车用蓄电池是一种化学电源，可多次进行充电与放电。在我国铁路客车上根据极板所用材料和电解液性质的不同，分为酸性（铅）蓄电池和碱性（铁镍和镉镍）蓄电池两种。第二节第二节 铅蓄电池铅蓄电池一、一、TG型铅蓄电池的构造型铅蓄电池的构造客车使用的酸性蓄电池为TG型（图5-1），如TG-315型蓄电池（T铁路用，G电池采用管式

2、正极板，315容量为315 Ah），电池标称电压为2.0V。组成：1.正极板群正极板群2.负极板群负极板群3.隔离板隔离板4.胶槽胶槽5.电解液，比重电解液，比重1.2600.005（30） 1正极板群 为了增大电池的容量，获得较大的放电电流，蓄电池的极板均以多片组成，称为极板群。铅蓄电池的正极板群是由10片正极板组成。每片正极板的结构由板栅铅芯片、套管和作用物质三部分组成。2负极板群负极板群见图，是由11片负极板组成。TG型电池的负极板采用涂膏式它是先用含锑量小于12%的铅锑合金铸成栅格式的基板，而后将糊状的作用物在基板上涂实。 按上述方法制成的正、负极板俗称生板，一般不能直接使用。必需经过

3、电化过程（化成）才能使用。3隔板隔板是用来隔离正、负极板的，防止它们互相短连。隔板多用微孔橡胶板，也可以用微孔塑料或其它材料，但均应具备耐酸、多孔、坚韧和不含有害成分等条件。4电池槽电池槽是盛装极板群和电解液的容器，用硫化硬橡胶制成，槽底部做有支持极板的垫脚，用以防止作用物脱落造成极板底部短连。5电池盖及浮标电池盖见图3-1-6，用硫化硬橡胶制成。电池盖上有极柱孔、注液孔和浮标乳。浮标孔在电池盖中央处，孔处装有浮标套、浮标和浮标乳盖。浮标用来指示电解液液面的高度，它的上部有三条指示线，中间一条是蓝色，其它两条为红色。当蓝色指示线与浮标盖顶面在同一水平面时，表示液面高度合适；当上端或下端红线与浮

4、标孔盖面在同一水平线时表示液面高度已达到最低或最高限，遇此情况应对电解液高度进行调整。注液孔上旋有注液孔盖，其侧面上有排气孔，充电时电池内产生的气体可从排气孔排出，注液孔盖旋下后可从此给电池补充液量。蓄电池全部组装好以后，应用沥青将盖与槽口封固，以防进入灰尘和溢出电解液。二、铅蓄电池的工作原理二、铅蓄电池的工作原理铅蓄电池是由两组极板插入稀硫酸的溶液中而构成的。将充满电的蓄电池接上负载时进行放电，将略高于蓄电池电动势的直流电源的正极与蓄电池的正极板连接，负极与蓄电池的负极连接进行充电。其充放电原理电化反应可用下列方程式表示：应注意:1.蓄电池不宜过度放电蓄电池不宜过度放电放电过程中，当其电压放

5、至规定的终止电压时，应停止放电，不宜过度放电，过放电容易导致电池容量下降。2.蓄电池不能过充电蓄电池不能过充电在充电完成后，倘若再继续充电，充电电流只能起分解水的作用，结果使负极板上有氢气（H2）逸出，正极板上则有氧气（O2）逸出，电池产生强烈冒气现象，造成电池损坏。三、电解液三、电解液铅蓄电池的电解液是用浓硫酸和纯水按一定比例调制而成的稀硫酸。所用的浓硫酸是纯硫酸，含硫酸量为93.2%。所用的水必须是不含杂质的净水，不能用自来水和其它天然水代替。（一）电解液的性质1电解液电阻电解液电阻影响蓄电池的内阻。电解液电阻可用电阻率的值来衡量。电解液的电阻率随比重和温度而改变，同一种电解液在温度不同时

6、测得的比重不同，电阻率也不同。电解液的电阻率和温度的关系可以用下式表示： t=181-（t-18） 式中t电解液在t时的电阻率，（m）； 18电解液在18时的电阻率，（m）； 电阻率温度系数（18），单位是1/。由公式可知：温度升高，电解液电阻率下降。2电解液的结冰点（表5-6）电解液的结冰点随电解液比重的不同而不同，而比重又与蓄电池的充、放电状态有关，为了使蓄电池能正常工作，应保证结冰点在电池的工作温度以下，经测量可知当比重为1.300（15）附近时，稀硫酸溶液结冰点最低。（一）电解液比重的选择电解液比重的选择应考虑以下几个方面：1、电池槽的容积和蓄电池的容量；2、蓄电池放电后的比重应利于恢

7、复充电；3、结冰点应低；4、电阻率要小。综上述几个方面，最后选定TG型电池电解液比重为：充电后：1.2600.005（30）放电后：1.150（30）（二）电解液比重的测量在蓄电池的日常维护和检修工作中，经常需要测量电解液的比重和温度。最常用的比重测量方法是用胶囊式比重计（又称吸管式比重计），如图所示。 测量时用手捏胶囊，即可从电池中吸取一部分电解液至内装比重计的玻璃管中，此时比重计便垂直悬浮在吸管内的是解液中，让眼睛与管内液面平视便可读取电解液的比重值。（测量后应注明该电解液的温度）电解液的温度可用水银温度计进行测量。（三）电解液比重值与温度的关系电解液比重值与任意温度的关系可以用下式计算，

8、即：d30=dt+a（t-30）式中d30换算为30时的比重；a温度系数，一般采用0.0007(1/)；dt在温度为t时测得的比重；t测量比重时电解液的温度；注意：客车用铅蓄电池电解液的比重以注意：客车用铅蓄电池电解液的比重以30时的时的数值做为标准，如果被测电解液温度不是数值做为标准，如果被测电解液温度不是30，应将，应将测得的比重值换算为测得的比重值换算为30时的比重。时的比重。（四）电解液的调制在配制电解液时，应将浓硫酸缓缓倒入盛有水的容器中并不断搅拌，不能将水倒入硫酸中，以防烧伤。配制电解液时所用的硫酸及水应符合规定标准，如果含杂质过量，将造成电容量下降，寿命缩短的后果。运用中的TG型

9、蓄电池补充水时，也应补充净化水（蒸馏水、纯水），不能添加自来水或其它天然水。四、铅蓄电池的特性四、铅蓄电池的特性铅蓄电池的特性主要是指电池的电动势、端电压、容量、内阻、自放电和效率等方面的表现。了解蓄电池的特性是掌握电池性能和做好维护工作的必要条件。（一）电动势铅蓄电池的电动势，是电池在外电路开路时测得的端电压，亦称开路电压。客车用铅蓄电池的电动势在实际运用中，可按下式计算：E=0.85+d（V）式中d是电解液在极板有效物质细孔中的比重值（15），不是极板间电解液的比重。该比重值在1.0501.300（15）范围中变化时公式是适用的。故测量蓄电池比重值时应让蓄电池静置2h，此时可认为极板作用物

10、质细孔中和电池槽中电解液的比重大致相同。铅蓄电池在充电后电解液的比重为1.210，放电后约为1.150，根据上式可以算出蓄电池电动势约为2.06-2.00V之间，故蓄电池的电动势一般以2.0V计算。（二）端电压蓄电池的端电压，是指它在闭路时两极间的电压。蓄电池的端电压与电池的充放电状态有关，放电时端电压降低，充电时端电压升高。1充电过程中端电压的变化铅蓄电池以定电流进行充电时，其端电压的变化如图所示。 在充电初期（0-a段），电池的端电压升得很快，时间较短；充电中期（a-b段），端电压缓慢升高，时间长；充电终期（b-c-d段），端电压很快上升，大量水被电解，在两极板上有很多气泡产生。到d点后，

11、电解液沸腾，电压稳定在2.7V左右，故应停止充电，蓄电池的端电压最后慢慢降到2.06V左右的稳定状态。2放电过程端电压的变化充电后的电池，如用稳定不变的电流进行连续放电，则端电压的变化情况，如图所示。放电初期（0-a段），电压下降很快；放电中期（a-b段），端电压缓慢的降低；放电末期（b-c段），端电压很快下降。至c点（电压为1.8V左右），放电便告终了，则蓄电池电压将回升到2V左右（c-e段）。曲线中的c点，是电池电压急剧下降临界点，称为蓄电池放电终止电压，是放电时电压的最低限度，超过这个限度，电势急剧下降（c-d段的虚线），易造成电池极板硫化或反极，影响电池寿命。 （三）容量蓄电池由充电充

12、足状态，放电至规定的终止电压时所放出的总电量称为蓄电池的容量，它表现出蓄电池的贮电能力。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量C等于放电电流I放和放电时间T放的乘积，单位为Ah，即：C=I放T放影响运用中蓄电池容量大小的主要因素有下述两个方面：1放电率蓄电池放电到终了电压的快慢叫做放电率。例如：一只315Ah容量的蓄电池，以52.5A电流放电，6h后到达终止电压。此时，如用电流表示放电率，称为52.5A；如以时间表示则称为6小时率。一般蓄电池放电率多用时间表示。同一蓄电池放电率不同时容量不同，放电电流大时放出的电量少，放电电流小时放出的电量多。一般电池的标称容量，均指在规定的放电率下所放出的电量。

13、客车蓄电池考虑到停车时放电电流较大，采用了6小时放电率。2电解液温度蓄电池电解液温度不同时容量不同。当电解液温度高时，蓄电池容量增大，当电解液温度低时，电池容量下降。因此，确定蓄电池的容量时，应注意到电解液的温度条件。 客车用TG型蓄电池的标称容量是以电解液平均温度30（6小时率）时的放电容量作为标准。如果在检测蓄电池容量时，电解液温度不是30，应按下式换算，求得30时的容量值。)30(008. 01130tCC 依此求得的容量即是该电池在标准温度时的容量，蓄电池定检牌上填写的就是这种容量值。（四）内阻蓄电池的内阻主要为作用物质的电阻和电解液的电阻。内阻的大小，影响了蓄电池的性能。蓄电池的内阻

14、与电解液的温度有关，温度高时内阻小，温度低时内阻大。此外，电池的内阻还随电池充放电温度而变化，充电时内阻逐渐减小，放电时内阻逐渐增大。（五）自放电蓄电池在外电路开路时其容量的无益消耗称为自放电。自放电会导致电池容量的减少和电动势的下降。为减缓铅蓄电池自放电的速度，可在蓄电池负极板或电解液中加人少量腐植酸（1.5%）时，铅的溶解速度可降低到原来的1/7，若加入0.5%的木素磺酸可降低到原来的1/51/3。（六）效率表示蓄电池电量或能量利用程度的百分数称为蓄电池的效率。蓄电池效率的表示方法有两种，即安时效率和瓦时效率。五、蓄电池的检修及充放电工作五、蓄电池的检修及充放电工作客车用蓄电池在客车做定检

15、时，将它从车上卸回车间进行定期检修和充放电工作。（一）蓄电池的检修工作电池在正常情况下，施行不分解检修，即对其进行外观检查后，用蒸汽吹净外表面，更换电解液，然后按容量、型号分类后，排放在充电台上，进行充、放电试验。在遇到容量严重减退、自放电严重或胶槽破裂等情况时，必须分解检修。分解时，先烫开沥青封口，取下电池盖，小心地提出极板群，故障排除后，按分解的相反顺序组装好，注入新的电解液，然后进行充放电试验。段修后的TG型蓄电池的技术性能需将符合下列要求：1蓄电池的容量应为额定容量的70%以上（按标准温度换算）。 （1）一律采用6小时率充放电试验，第二次（落成）充电用10小时率。 （2）在放电试验中，

16、应将所测的容量，换算成30时标准容量。2蓄电池容量试验后调整电解液比重标准（温度30时）为1.2600.005。3放电终止电压限度须符合规定（放电终止应立即充电）。4同车各蓄电池的容量差不得超过1%。5充电时，电解液温度不超过45（个别电池温度过高时，属故障引起的应个别修理）。6硫酸成分应符合规定要求。7蓄电池用蒸馏水须符合规定要求。段修后的TG型电池外观应符合下列要求：1、不同规格的蓄电池不得编入同辆车。2、电池壳无裂损、漏液，电解液液面高度应为上限（浮标下刻度线上）。3、各配件须清洁、完整、齐全、作用良好，极柱花帽螺母须紧固，连接线铝螺栓铜杆处涂少量凡士林油。蓄电池的充电方法有以下几种：（

17、1）定电流充电法）定电流充电法（2）定电压充电法）定电压充电法（3）分级定电流充电法）分级定电流充电法客车电池定检中的充电均采用了分级定客车电池定检中的充电均采用了分级定电流充电法。电流充电法。此种方法是在充电开始时用较大的电流，经过一定时间后改用较小的电流。这种方法充电时间较短，且有利于延长电池寿命，应用较广。1初充电初充电是指新造电池使用的第一次充电。目的是恢复新造电池在化成后的部分放电，和极板作用物质未被化成的部分充分化成。初充电的好坏直接影响着电池的容量和使用寿命，工作中应严格执行操作规程，保证充电质量。初充电时，应先将电池内、外部冲洗和擦拭干净，而后列放在充电台上，注入比重1.250

18、（30）的电解液，注入量通常以浮标下红线露出为限，令其静置34h后，开始充电。此时记下充电开始的时间，并在同组电池中确定两个标示电池，记下它们的端电压、电解液的比重和温度，以后每隔2小时或4小时测记一次。初充电的进行过程，大致分为两个阶段。从充电开始到电池电压上升到2.32.5V且发生大量气泡，电解液呈乳白色，比重达到1.2501.260，且温度上升较快，这时为第一阶段。这一阶段的充电电流为10小时率（TG-315型电池为35A），时间约需3040h。此后直至充电结束为第二阶段，第二阶段的充电电流为第一阶段电流的一半（TG-315型为17.5A），时间约需2030h。充电过程中，如发现电池温度

19、过高（接近45）时，应采取降温措施，通常用强迫通风冷却；或将电池事先放在水槽中用循环水降温；或适当减小电流，必要时也可短时停止充电，但时间不宜超过2h，待电池温度下降后立即恢复充电。如果采用减小电流或中断充电电流的措施时，电流的充电时间应注意适当延长。初充电末期，当观察到下述现象时，可以判定充电结束，切断电源停止充电。（1）电流端电压上升到2.62.8V，且在23h内基本不变;（2）电解液比重和温度在36h内基本不变；（3）电解液由乳白色逐渐变为透明，水被电解放出大量气体。初充电完毕的电池，应进行一次放电试验，检查一下它的容量是否达到使用标准。放电试验后再经普通充电即可交付使用。2普通充电普通

20、充电是指运用电池，因放电或经过检修后为恢复容量而进行的充电。充电过程也大致分为两个阶段。第一阶段电流为6小时率（TG-315型用52A），时间约需57h。第二阶段电流为第一阶段的一半或稍大（TG-315型用26A或35A），时间约需35h。此间如遇电池温度接近45时亦应适当减小电流或采取降温措施。普通充电过程中，也要选定两个标示电池，每隔12h测记一次电池的端电压、比重和温度。3放电试验为了检查电池充电后的容量，都要进行放电试验。放电试验是在电池初充电或第一充电完成后，令期静置30min，接上可调负载，以6小时率的恒定电流（TG-315型为52.5A）进行放电。定检后的电池，当测得的实际容量低

21、于标称容量的70%以下，一般不再装车使用。经过全容量的放电试验后的电池，应及时接通电源进行第二充电，在充电完成前一小时将电解液比重调至规定值。最后擦试干净，装齐配件，填写定检牌，交付使用。4补充电在列车上运用的电池，当遇到某些特殊情况，如列车中途意外停车，或列车编组母车不足，以及长期停用的母车电池自放电严重等，造成电流容量过亏时，可在车库内进行补充电。补充电所用电流的大小，可根据电池的具体情况而定，一般以10小时率电流为宜。过放电严重的电池，电流应适当小些，利于充分恢复容量。六、蓄电池的常见故障六、蓄电池的常见故障（一）极板硫化（二）内部短路（三）极板弯曲或破裂（四）反极（五）自放电严重（六）

22、极板作用物质过量脱落第三节 镉镍蓄电池我国铁路客车从一九八七年开始使用镉镍蓄电池，近几年应用更是越来越广泛。镉镍蓄电池为碱性蓄电池，与酸性蓄电池相比：优点：优点：1.腐蚀性小、对环境污染小；腐蚀性小、对环境污染小；2.寿命长（预计浮充使用寿命长（预计浮充使用15年左右）；年左右）；3.维护简单；维护简单；4.自放电小及低温性能好；自放电小及低温性能好；5.过充与过放恢复能力强。过充与过放恢复能力强。缺点：缺点：1.价格较高；价格较高；2.电压变化率大。电压变化率大。碱性镉镍蓄电池的型号规格有多种，如：GN300（3）型（G负极镉代号，N正极镍代号，300容量为300Ah，（3）为3型单体镉镍蓄

23、电池）电池标称电池标称电压为电压为1.2V。一、镉镍蓄电池的构造一、镉镍蓄电池的构造镉镍蓄电池是方形口袋式，主要由正极板、负极板，由正极板、负极板，隔离物（隔膜），壳体和电解液五大部分组成隔离物（隔膜），壳体和电解液五大部分组成。（一）正极板 正极板由氢氧化镍粉（二）负极板 氧化镉粉，活性铁粉以及变压器油混合而成。 （三）隔离物（隔膜）为了防止交错排列的正、负极板互相接触而造成短路，故在正负极板之间用橡胶棒或塑料注射而成的隔板极叉或隔极栅进行隔离。隔离物还起着固定正、负极板相对位置的作用。（四）电解液 氢氧化钾（KOH+少量LiOH） 氢氧化钠（NaOH+少量LiOH）（五）壳体袋式镉镍电池的

24、壳体有铁质外壳和塑料外壳两种。蓄电池盖上有注液口及正负极引出口。注液口装有泄气装置。它既能排出蓄电池内部所产生的气体和防止外部空气进入，还能保证蓄电池倾斜30时不致流出电解液。泄气装置有气塞和气塞阀两种型式。二、工作原理三、镉镍蓄电池的主要性能参数三、镉镍蓄电池的主要性能参数（一）电压1充电电压指蓄电池在充电时两极的电位差。其大小可用下式表示。U充=E0+I充R内2放电电压指电池在放电时两极的电位差。其大小可用下式表示：U充=E0+I放R内由此可见：电池在放电时，由于内阻R的影响，其电压低于电池的电动势，放电电流越大，电压下降越快。充电电压和放电电压统一称为蓄电池的工作电压。3额定电压 指蓄电

25、池放电时的中段电压，或者指放电过程中的平均电压，镉镍蓄电池单只额定电压为1.20V。（二）容量 容量指电池由充电充足状态放电至终止电压所放出的总电量。其大小为： C=I放T放（Ah） 影响容量大小因素很多： 1.一般物质利用率越高，容量就越大； 2.放电电流越大，放出容量就越小； 3.电解液温度较高时，放出的容量就较大。 镉镍蓄电池在室温下充电后，在（-201）下能放出额定容量的75%以上；在（-401）下能放出额定容量的20%以上，其低温放电性能较铅蓄电池强。（三）自放电率镉镍蓄电池自放电率的定义与铅蓄电池相同。镉镍蓄电池在室温下充电后，在205环境中搁置20昼夜，电池的剩余容量，一般情况下

26、不低于额定容量的90%，其自放电率不大于25%，其自放电比酸性蓄电池小得多。在一般情况下，镉镍蓄电池搁置1.52个月完全停止自放电，容量一直在额定容量的75%左右。可见，镉镍蓄电池与铅蓄电池相比更不易自放电。（四）寿命蓄电池每充、放电一次叫一次循环。蓄电池在保持输出一定容量的情况下，所能进行的循环次数叫寿命。次数越多，表明寿命越长，电池的质量就越好。镉镍蓄电池寿命长，其使用寿命一般为1520年，维护特别好的可使用30年以上。四、镉镍蓄电池的特性四、镉镍蓄电池的特性（一）充电特性镉镍蓄电池通常采用7h，1/4额定容量恒流正常充电。如图所示，前4.5h充电电压慢慢上升到1.5V（A-B段），此后充

27、电使电池电压迅速上升到1.7V，并保持电池电压充足为止。图中BC段，负极开始析出氢气。到CD段，正极析出氧气，大部分充电电流用于电解水，电池进入高充电状态，充电可以停止。 铅酸、铁镍和镉镍蓄电池的充电曲线示如图。从图中可以看出它们之间的差异：铅酸电池充电终止电压为2.75V，镉镍蓄电池为1.75V。此外，镉镍蓄电池耐大电流充电和过充电。（二）放电特性镉镍电池的放电特性如图4-2-4所示。图3-2-3铅酸、铁镍和镉镍蓄电池的充电曲线 图3-2-4铅酸、铁镍和镉镍蓄电池的放电曲线1-铅酸电池；2-铁镍电池；3-隔镍电池如以E0表示电池的开路电压，U为电池稳定工作电压，则放电过程的电压变化率为：对于

28、铅酸电池，E0=2.1V，U=2V，故其U%=5%，而镉镍电池E0=1.4V，U=1.2V，故其U%=17%。由此可见镉镍电池的电压变化率大于铅酸电池，这在客车供电系统中使用时，必须引起注意。五、电解液五、电解液碱性蓄电池电解液的主要作用是传递离子，起导电作用，它是电池内部的主要导电体，在电化作用时，对正、负极作用物质影响较大，因此其质量的好坏，对电池容量和寿命均有很大影响。（一）电解液的组成及其适用的温度范围通常以比重1.191.21的苛性钾溶液作为碱性电池的电解液，而在低温（-10以下）使用时时，则应把比重提高到1.271.30。 KOH+ LiOH(常温） NaOH+ LiOH（高温）（二）电解液比重换算以15时的比重为标准比重，如果电解液的温度不是1