阀控密封铅酸蓄电池是一种可以重复充电和放电的二次电池,它通过化学反应实现化学能和电能的相互转换,从而达到存储电能的作用。普通的铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成,正负极板之间为平板结构,如图1所示。
　　
　　阀控密封铅酸蓄电池作为成熟、稳定而又性价比高的储能介质,在各个行业得到广泛应用。但是由于其组成部分中包含有液态电解液以及其固有的电化学特性,其在低温环境下放电性能并不理想。而在我们的日常生活和工业应用中,需要采用蓄电池实现后备供电的应用场景是极其普遍的,例如在具备远动功能的电气化铁路沿线都装设了大量的智能型箱式变电站,这些箱式变电站都会配备带蓄电池的UPS。由于箱式变电站密封性不高,对内部元器件的防护较差,因此蓄电池的运行环境较为恶劣,尤其是在冬季北方地区的低温环境下,蓄电池经常不能放电或者放电容量非常低,不能满足远动系统安全运行所需要的后备时间要求,成为铁路安全运行的潜在隐患。因此有必要寻找更适合的储能介质以适应这种低温环境下应用场景。
　　
　　目前可以作为储能介质的产品有很多,包括阀控密封铅酸蓄电池、卷绕式纯铅蓄电池、锂电池、超级电容等等。由于锂电池在低温环境下的容量衰减也较为严重,超级电容的能量密度比太低,经过多方面比较分析,发现卷绕式纯铅蓄电池是目前相对比较合适的一种储能介质。
　　
　　卷绕式纯铅蓄电池是以卷绕方式组合成形的电芯所组成的电池,称为卷绕电池(图2)。其最早主要作为室外工程机械或汽车的启动电池使用,主要特点是启动电流大,高低温特性好,循环使用寿命长,没有游离电解液,能适用于各类复杂环境,-55℃～65℃均可正常使用。安装方便,密封式结构使得电池可以随意横向或倒立安装,不会漏液。同时,卷绕式纯铅蓄电池采用圆形结构设计,解决了壳体在高温情况下,热失控鼓胀而变形问题。结构如图2所示。
　　
　　为了定性及定量地比较卷绕式纯铅蓄电池和普通阀控密封铅酸蓄电池在低温环境下的放电性能，我们分别在实验环境和实际工程应用环境下对两者进行了比较试验，给出试验的相关方案及其结果。
　　
　　1 研究方法
　　
　　在实验室测试(以阻性负载为主，配合施耐德塑壳开关电动操作机构)，在实际运行场所测试(接近于实际负载)，并在哈尔滨铁路局齐齐哈尔供电段进行实地试验，以及在我局管段范围内实验性应用。
　　
　　2 测试方案
　　
　　(1)准备
　　
　　①某品牌普通阀控密封蓄电池4只(12V/24Ah),每次试验前在室温环境下完全充满电,蓄电池选用某合资品牌。
　　
　　②某品牌卷绕式纯铅电池4只(12V/25Ah),每次试验前在室温环境下完全充满电,卷绕式纯铅电池选用某国产品牌。
　　
　　③配备高低温箱、万用表、负载仪、耐德塑壳断路器(配电动操作机构)、蓄电池测试仪等实验仪器。
　　
　　(2)试验室测试方案
　　
　　以2kVAUPS连接4只蓄电池，高低温实验箱设置温度-40℃，分别将全部阀控密封铅酸蓄电池或卷绕式纯铅蓄电池整体放置于高低温箱中冻8h，外接阻性负载以及施耐德塑壳断路器电动操作机构。断开交流输入电源，使UPS完全工作于电池逆变输出模式。每半小时分合闸6次(模拟3个电动开关各分合闸2次)。测量电池电压6次，并计算平均值。
　　
　　(3)实际应用工况测试方案
　　
　　在东北地区冬季低温环境下，将UPS及4节阀控密封铅酸蓄电池或卷绕式纯铅蓄电池放置箱式变电站内(不采暖、不加热)，经完全冻透一晚(超过8h)后，以蓄电池模式逆变输出。采集每天的室外气温条件以及前天夜间最低气温。每半小时分合闸6次(模拟3个电动开关各分合闸2次)。测量输出电压(交、直)、电池电压。两种不同蓄电池测试时，要尽量在室外温度相差不大的天气下进行测试。
　　
　　3 研究过程和相关数据
　　
　　(1)实验室测试结果见图3、图4、表1、表2从以上试验数据结果可以看出,在低温-40℃环境及同样负载情况下,阀控密封铅酸蓄电池的放电时间为204min,卷绕式纯铅蓄电池为282min,卷绕式纯铅蓄电池的放电容量约比阀控密封铅酸蓄电池的多40%。
　　
　　     

(2)东北地区冬季实际测试结果
　　
　　在哈尔滨铁路局管段范围内的齐齐哈尔供电段训练基地,2018年1月22日和1月24日,分别用卷绕式蓄电池和阀控密封铅酸蓄电池作为UPS配套蓄电池进行了实际测试,实际测试结果,见表3、表4。
　　

从以上试验数据结果可以看出,在低温-25℃左右环境及同样负载情况下,阀控密封铅酸蓄电池的放电时间270min,卷绕式纯铅蓄电池为330min,卷绕式纯铅蓄电池的放电容量约比阀控密封铅酸蓄电池的多22%。同时由于在现场实际测试时测试了蓄电池的内阻,可以看出卷绕式纯铅蓄电池在放电前5h内平均内阻均低于10mΩ,但是阀控密封铅酸蓄电池在前第1个小时平均内阻就已超过16mΩ并在其后急剧上升,其放电能力快速下降。
　　
　　(3)哈尔滨-佳木斯快速铁路电力远动箱变的实际应用
　　
　　哈佳快速铁路是从中国黑龙江省哈尔滨市至佳木斯市的一条国铁Ⅰ级双线快速铁路,也是中国高寒地区最长快速铁路。哈佳快速铁路于2014年7月9日正式开工。配置了耐低温UPS及卷绕式纯铅蓄电池的铁路电力远动箱变从2018年1月份陆续安装调试完成,全线于2018年5月1日开始联调联试;于2018年9月30日全线正式通车。从已经过去的两个冬季储存及运行情况来看,目前低温UPS及卷绕式纯铅蓄电池运行情况良好,未出现一次因蓄电池不放电或者衰减过快而导致的运行故障,良好地保障了哈佳快速铁路的安全运行。
　　
　　4 结束语
　　
　　从以上测试结果以及实际应用情况可以看出,在零下-25℃左右的实际测试环境中,同等容量的卷绕式纯铅蓄电池与普通阀控密封铅酸蓄电池相比,放电容量大约多22%。而在零下-40℃左右的高低温箱测试环境中,同等容量的卷绕式蓄电池与普通阀控密封铅酸蓄电池相比,放电容量大约多40%,且卷绕式纯铅蓄电池有更低的内阻。因此,在低温环境下使用蓄电池时,卷绕式纯铅蓄电池具有更好的适应性。
　　
　　作者简介
　　
　　佟岗,高级工程师,中国铁路哈尔滨局集团有限公司供电部,主要研究方向铁路电力系统应用。
　　
　　赵福柱,高级工程师,中国铁路哈尔滨局集团有限公司齐齐哈尔供电段,主要研究方向铁路电力系统应用。
　　
　　梁伦发,深圳蓝信电气有限公司,主要研究方向为交流、直流不间断电源及蓄电池特性研究。
　　
　　王翰信,深圳蓝信电气有限公司,主要研究方向为交流、直流不间断电源应用研究。
　　
　　编辑：Harris