铁路机车用高功率VRLA电池的研究

《蓄电池》2009年第4期铁路机车用高功率VRLA电池的研究实验研究收稿日期：2009-05-25铁路机车用高功率VRLA电池的研究高建峰1，张娟1，王浩明2，柳颖1

（1.苏州大学化学电源研究所，江苏苏州215006；2.苏州红卫蓄电池有限公司，江苏苏州215155）

摘要：分析比较了采用不同方案的铁路机车用阀控铅酸蓄电池的额定容量、起动放电特性以及起动循环耐久能力。试验结果表明，采用低阻抗AGM隔板、经干荷电处理和负极板及经高温固化处理的正极板均可提高蓄电池的2100A起动放电特性。采用高温固化处理正极板的蓄电池具有非常好的循环耐久能力。用电池化成工艺所制造蓄电池的额定容量低，起动放电性能差。负极板的表层不可逆硫酸盐化是影响蓄电池寿命的主要原因。关键词：铁路机车用VRLA电池；容量；起动性能；循环寿命；硫酸盐化中图分类号：TM912.8文献标识码：B文章编号：1006-0847(2009)04-0147-05

ResearchonhighpowerVRLAbatteryforlocomotiveGAOJian-feng1,ZHANGJuan1,WANGHao-ming2,LIUYing1

（1.InstituteofElectrochemicalPowerSourcesofSuzhouUniversity,SuzhouJiangsu215006;2.SuzhouHongweiStorageBatteryCo.,Ltd.SuzhouJiangsu215155,China）

Abstract:Capacity,startingcapabilityandcyclelifeoflocomotiveVRLAbatterieswhichweredesigneddifferentlywereinvestigatedinthispaper.Thetestresultsshowedthatthedischargingperformanceat2100AcanbeimprovedefficientlybyusingAGMseparatorswithlowimpedance,dry-chargednega-tiveplatesandhightemperaturecuredpositiveplates.Thepositiveplateswhichwerecuredathightem-peraturehadexcellentperformanceofcyclelife.Thebatteriesmanufacturedbyusingcontainerforma-tionprocesshadpoorperformanceofcapacityandabilitytostart-up.Theprogressiveaccumulationofleadsulfateonthesurfaceofnegativeplatewasakeyinfluencingfactoronthecyclelifeofbattery.Keywords:VRLAbatteryforlocomotive;capacity;startingperformance;cyclelife;sulfation

1前言阀控铅酸（VRLA）蓄电池由于其性价比较高，使用维护方便，生产工艺成熟而且与环境友

好、可再生，正日益成为各类电动车辆、通信电源及UPS电源等的首选。由于VRLA电池自身的不足，在传统铅酸蓄电池最大的市场—SLI应用方面，一直未有突破。随着蓄电池新技术、新材料的开发和应用，特别是混合动力汽车用VRLA电池技术的开发[1-5]，适合车辆高功率起动使用的VRLA蓄电池的制造技术日趋成熟。在中国，VRLA电池作为内燃机车起动电源的

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图1试验电池I5恒流放电曲线

研究与应用起步较早，经过各生产厂家的不懈努力，基本达到机车技术规范的要求，取得了比较满意的结果。然而，在近几年的实践中，也发现了若干问题，主要是使用3～4年以后，蓄电池保有容量下降，储备放电功率减少，同时单体容量呈现不均衡衰减现象。本文分析比较了蓄电池的材料和制造工艺条件对VRLA蓄电池容量与高功率放电特性的影响，研究了高功率放电条件下蓄电池的循环特性，即容量、放电截止电压及充电截止电流的变化规律，分析了影响因素与相关的机理，对蓄电池的设计与制造提出了若干建议。2试验2.1试验电池试验用蓄电池为NM-450型，正板栅为铅钙锡合金，负板栅为铅钙合金，采用中型偏厚的极板设计，极群为16正对17负，采用AGM隔板和压缩紧装配技术。试验蓄电池共5只，极板参数相同，用不同的材料及工艺制造，详见表1。这5只电池中，如未经特别说明，负板膨胀剂均为木素与超细硫酸钡。2.2试验方法容量测试：完全充电的蓄电池以90A恒电流放电，终止电压为1.7V。起动试验：完全充电的蓄电池以2100A恒电流放电，终止电压为1.0V。起动循环耐久能力试验：用完全充电的蓄电池进行连续充/放电循环，以2100A放电80s，以2.40V恒定电压、限流80A充电1h为一个循环，如此反复进行100次；然后进行容量测试，再进行完全充电，作为一个循环单元。完全充电方法为恒流80A，限压2.4V/只，充电20h。以上试验参照了铁路标准[6]规定的方法和程序，试验过程中不允许补液和用恒电流过充电，试验在25±5℃环境条件下进行。2.3试验仪器CJK3000/150蓄电池综合性能测试仪，VIC-TOR-9803数字电压表，恒温箱。3结果与讨论3.1额定容量（C5）特性针对VRLA电池在内燃机车应用中存在的容量衰减等问题，在试验电池制备过程中，就影响蓄电池起动性能及寿命的几个主要因素，即正极板固化、化成方式、负极板干荷电及AGM隔板材料等，采用了不同的材料和制造工艺（见表1），以期获得理想的结果。

试验电池I5恒流放电结果见图1和表2，其中1#电池为量产电池。从图表中我们可以发现：5#电池由于正极板采用高温固化工艺，化成后α-PbO2含量高，放电利用率低，容量稍低；采用

内化成工艺的2#电池容量较低，显然是化成不透，与中型偏厚的极板设计及大容量电池散热效果不佳有关；由于采用负极板干荷电工艺，3#、4#电池的初充电量减少，容量较1#电池低，其中采用B厂隔板的4#电池好于3#电池。3.2起动放电（2100A）特性起动性能是机车用蓄电池的重要指标之一。影响大功率放电的主要有以下三大因素：蓄电池及板栅的结构设计、所用材料（合金、隔板）的阻抗、

表1试验电池主要材料与制造工艺电池编号固化化成干荷处理AGM隔板1#2#3#4#5#中温高湿中温高湿中温高湿中温高湿高温高湿外化内化外化外化外化否否是是否A厂A厂A厂B厂A厂

铁路机车用高功率VRLA电池的研究实验研究

148《蓄电池》2009年第4期图3循环过程中1#蓄电池的容量变化图

图4循环过程中5#蓄电池的容量变化图图2试验电池2100A恒流放电曲线

极板制造工艺。由于试验电池采用相同的结构，因此，材料与工艺成为影响因素。试验电池2100A放电结果见表2、图2。

根据传统的蓄电池理论[7]，起动性能取决于正极板电子通道和负极板离子通道的特性。正极板内α-PbO2起导电骨架作用—电子通道。负极板干荷

电工艺使负极具有良好的表面结构—离子通道。1#、4#蓄电池具有合适的α-PbO2/β-PbO2比例，

另外1#电池容量高，而4#负极表面结构好及隔板阻抗低，所以这两只电池起动性能好。2#为内化成蓄电池，α-PbO2/β-PbO2比例低，额定容量低，起动性能最差。5#蓄电池中α-PbO2/β-PbO2

比例高，3#蓄电池的负极表面结构好，这两只蓄

电池的容量适中，起动性能一般。3.3起动循环特性3.3.1起动循环过程中容量（C5）的变化趋势

分别对具有代表性的1#、5#试验蓄电池进行了起动循环耐久能力试验。其中，1#蓄电池进行了12个单元试验；5#蓄电池进行了42个单元试验。循环过程中容量变化分别见图3和图4。

从图中不难发现，1#蓄电池进行一个单元的循环试验后，容量下降一个台级，随后继续呈下降趋势；而5#蓄电池则是略有下降后，呈上升趋势，第23个单元时达到最大值，然后才呈下降趋势。我们认为产生这一差别的原因是正极板内α-PbO2

与β-PbO2的比例问题，α-PbO2主要起粘结、骨

架作用，而β-PbO2则提供放电性能。5#蓄电池的正极板内部具备较为完善的导电网络—电子通道，相比之下，1#蓄电池内经中温固化的正极板，在经过一定的循环后，较脆弱的导电网络由于α-PbO2向β-PbO2的转化而受损[8]。由于正极板设计是相同的，高温固化极板化成后容量低是由于含有较多的α-PbO2，α-PbO2的放电利用率低。随着循环的进行，越来越多的α-PbO2转化为β-PbO2，参与放电，蓄电池容量

表2试验电池放电时间与放电量电池编号90A放电时间90A放电容量2100A放电时间1#6:32:38569.8Ah00:07:282#5:41:25512.1Ah00:05:443#5:30:33495.8Ah00:06:064#6:12:22558.6Ah00:07:315#5:50:44526.1Ah00:06:11

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