（一）蓄电池电化学原理及典型问题处理

蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电。根据GB 5157—2013规定，地铁车辆需选用浮充蓄电池供电的设备，其标称电压应选用110 V及24 V，蓄电池容量应能满足车辆在故障及紧急情况下的车门控制、应急照明、应急通风、通信等不低于45 min。

（1）常见蓄电池分类

1）铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是电池中的一种，属于二次电池。其工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。它用填满海绵状铅的铅基板栅（又称格子体）作负极，填满二氧化铅的铅基板栅作正极，并用密度1.26～1.33 g／mL的稀硫酸作电解质。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电，它的单体电压是2 V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，最常见的是6 V、12 V蓄电池，其他还有2 V、4 V、8 V、24 V蓄电池，如汽车上用的蓄电池（俗称电瓶）是6个铅蓄电池串联成12 V的电池组。

2）磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的高比能量电池。磷酸铁锂电池的放电电压非常平稳，一般为3.2 V，放电后期（主要指剩余的10%容量）电压变化较快，截止电压一般为2.5 V。环境温度特别是低温会对磷酸铁锂电池的放电容量产生影响：－20℃的放电容量是常温容量的45%，－10℃是常温的65%，－5℃是常温的80%，0℃是常温的90%，0～20℃的放电容量变化非常小。磷酸铁锂电池的低温性能优于铅酸蓄电池。

3）镍镉蓄电池

工业碱性蓄电池初期由镍铁（1892年）和镍镉（1894年）两个分支演化而来，由1890年袋式极板发展到1938年的烧结式极板，至1995年发展为FNC极板。袋式极板结构，活性物质装入由穿孔钢带加工而成的小“口袋”里，传导物质环绕着活性物质，电极中添加石墨增加其导电性，石墨氧化后会生成碳酸盐，降低单体的电导率，降低可用容量。烧结式极板镍片在非常薄的钢箔上烧结形成极板，镍片之间的空间内充满了活性物质，金属核心和超薄设计的电极，能实现非常高倍率的放电，脆性结构，具有记忆效应——在充放电后很难得到应有的补偿造成容量的下降。

FNC结构，即纤维式结构有着灵活的厚度和尺寸、不含石墨的纯活性物质、高密度导体、高弹性的纤维结构、高孔隙率及电解液无须更换等优势，其与烧结式结构对比如图4.90所示。

图4.90　纤维式和烧结式结构对比

（2）铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的，电化学反应式如下：

正极：

副反应：

负极：

副反应：

从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70%时，开始析出氧气，负极充电到90%时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合使用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出并从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。

铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，吸液式（AGM）或阀控式胶体（GEL）电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过AGM或GEL空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。阀控式铅酸蓄电池氧循环如图4.91所示。

图4.91　阀控式铅酸蓄电池氧循环图

可以看出，在铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应生成海绵状铅。

（3）FNC-R蓄电池

FNC-R技术有着极为充沛的电化学性能、显著的机械性能，可用于低温和高温环境中，具有超长的寿命周期、可以高倍率电流充电，即使在大电流下，比能量高等特性。铅酸蓄电池与镍镉蓄电池对比，有着表4.23所示的优缺点。

表4.23　铅酸蓄电池与镍镉蓄电池优缺点对比

铅酸蓄电池一般工作温度为－20～45℃，高温环境下会降低其使用寿命，因此不适宜在高温环境下使用。一般在20℃情况下，铅酸蓄电池的设计寿命为12～15年，经容量损失界限1 000次循环后，日常维护均衡充电即可，最大充电电流为0.1C，充电系数为1.2，充电效率为83.30%，不允许过充和深放电。

袋式极板蓄电池一般工作温度为－20～45℃，高温环境下会出现石墨氧化效应，使电解液中产生更多的碳酸盐，而电池容量更低，寿命也会随之降低，因此不适宜在高温环境下使用。一般在20℃情况下，袋式极板蓄电池的设计寿命为10～15年，经容量损失界限800～1 200次循环后，日常维护需要更换电解液和均衡充电，最大充电电流为0.5C，充电系数为1.4～1.6，充电效率为71.50%，允许过充和深放电。

FNC蓄电池一般工作温度为－20～45℃，高温环境下不会出现石墨氧化效应，也不会因高温使电池容量更低，无须更换电解液，可以在高温环境下使用。一般在20℃情况下，FNC蓄电池的设计寿命为20年以上，经容量损失界限2 000次循环后，日常维护需要更换电解液和均衡充电，可用快速充电方式，最大充电电流为0.7C，充电系数为1.2，充电效率为83.30%，允许过充和深放电。

（4）FNC蓄电池的原理正极

负极

图4.92　充电反应过程

在充电过程中的顺序为单体充电反应完成后，就开始另一个需要高能量的水分解反应。

正极：

负极：

总方程式：

从上述内容看，当单体完成充电后，持续充电产生高能会使电解液发生水解反应，产生氧气和氢气，因此，蓄电池附近严禁烟火！

（5）镍镉蓄电池的电化学反应

镍镉蓄电池电解反应

作为比较，铅酸蓄电池的主要电解反应为：

对于镍镉蓄电池25℃时热力学数据为（＋／－表示放电）：反应焓ΔH≈－276 kJ，自由反应焓ΔG≈－247 kJ，反应熵ΔS≈－97 kJ／grd，均衡电压E0：

式中　n——电荷量；

F——法拉第。

放电反应放热／充电过程吸热：

每单位质量可以存储的能量，每转换最初物质质量的能量根据公式：

183 g＋112 g＝295 g

转换电量：

2×96 500 As＝53.61 A·h　　　能量被存储。

理论值：

表4.24　FNC蓄电池各型通用参数

续表

（6）FNC-蓄电池的浮充方式

“电流”的作用被分为两部分，即总电流和水分解的电流。

①总电流：在单体／电池终端测量到的电流。

②水分解的电流：为总电流中分解电解液中水的电流（通常计算在浮充操作下单体／电池的水损失）。

总电流和水分解的电流的区别：水分解的电流用于补偿单体／电池的自放电。

温度对过充的影响：“经验法则”：温度升高10 K所有化学过程的反应速度加倍；温度每升高10 K电流增大1倍。

图4.93显示L、M、H蓄电池系列在浮充方式下电压与电流的关系。

（7）蓄电池中的水损耗

蓄电池中的水损耗以富液式蓄电池中为例。

规律：过充1 A·h分解0.336 g（mL）的水。

在这个过程中产生如下气体：

氧气（O2）：0.299 g＝0.209 1

氢气（H2）：0.037 g＝0.418 1

估计加水间隔时间：

①根据浮充电压计算电流I。

②根据单体的标签计算电解液量V，乘以最大和最小液位线之间的距离。（电池上标注）减去25%的极板和隔膜。

③加水时间间隔：。

（8）自放电

在开路状态储存（无电源），每一个电化学系统都有一定容量的损失，可以观测到开路电压的逐步降低，在图4.94中可以看出镍镉电池的自放电率。

它取决于储存的温度和时间。

图4.93　浮充方式不同温度下电压与电流的关系(www.daowen.com)

（9）FNC蓄电池的充电

1）固定应用

蓄电池按IU充电特性充电：浮充电压1.40～1.45 V／cell，在特殊应用中电压达到1.50 V／cell。

图4.94　镍镉电池的自放电率

2）均衡充电

减少充电时间，均充电压1.55～1.65 V／cell，恒流充电直到达到设定电压，接着在恒压下减小充电电流后充电，在8～12 h均充后一般自动切换到浮充状态。

运行或均衡充电：蓄电池恒流充电7.5 h，电池可以达到非常高的电压，电池单体电压为1.85＋／－0.05 V／cell，当电池电压过高时必须采取适当措施，以保护负载。

（10）浮充效应

1）浮充的现象介绍

①电压下降。蓄电池经过长时间的浮充（约6个月）后，电池自放电率小于刚充满电的电池，电压损失。而“电压下降”取决于浮充电的持续时间、浮充电压、放电电流。

②这种效应可能会导致降低放电容量（取决于允许的放电电压）。

2）产生浮充的原因

长期浮充电可导致在电极形成更大的结晶，从而造成更高的极化放电、更高的电压损失。

正极镍电极充电状态：在充电过程中，产生高价的4价镍离子，这些高价离子保证了放电过程中的高电压。在低电压浮充过程中这些4价镍离子转化为3价的镍离子，结果逐步降低放电电压水平。

3）记忆效应

如果电池只是循环地浅放电后就充电，从此，电池将不能提供浮充电后的电池总容量，而只能在“正常”的电压水平放出以前的部分容量，其余的容量只能在较低的电压水平放电，看起来就像电池只“记住”以前的局部放电，表现出明显的容量损失或电压下降。

记忆效应取决于浅放电循环次数、浮充电电压、温度，主要存在于密封烧结式电池单体中。

过充效应：在过充中得到的活性物质不能完全用于局部放电，过充导致形成巨大的结晶，在放电过程中需要更高的能量来激活这些巨大的结晶。在放电过程中开始激活这些巨大晶体，将会导致电压下降。

记忆效应在FNC单体／电池和其他工艺中是不能完全避免的，但是它是非常小的，在正常测量的精度范围内，它可以被忽略不计。

电压下降和记忆效应都可以被消除，消除记忆效应可以采用标称电流循环充放电，消除FNC电池的电压下降，可以在放电后进行均衡充电。

（二）蓄电池整流模块

整流电路是电力电子电路中出现得最早的一种，它的作用是将交流电变为直流电能供给直流用电设备，整流电路的应用十分广泛，可分为相位控制整流电路和斩波控制整流电路，本节讲述相控整流电路。

（1）单相半波可控整流电路

典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路及单相桥式半控整流电路。单相可控整流电路的交流侧接单相电源，本节讲述单相半波可控整流电路。

带电阻负载的工作情况如下所述。

单相半波可控整流电路的原理图及带电阻负载的工作波形如图4.95所示。图4.95（a）中，变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。

在工业生产中，很多负载呈现电阻特性，如电阻加热炉、电解、电镀装置等。电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。

在电路分析过程中，认为各元器件均为理想工作状态，即晶闸管导通时其压降为零，晶闸管断开时其漏电流为零且晶闸管的通断均为瞬时完成。

在晶闸管VT处于断开状态时，电路中无电流，负载电阻两端电压为零，u2全部施加于VT两端。如果u2正半周VT承受正向阳极电压期间的ωt1时刻给VT门极加触发脉冲，如图4.95（c）所示，则VT导通。忽略晶闸管通态电压，则直流输出电压瞬时值ud与u2相等。至ωt＝π即u2将为零时，电路中电流也将为零，VT关断，之后ud和id均为零。图4.95（d）、图4.94（e）分别给出ud和晶闸管两端电压uVT的波形。id的波形与ud波形相同。

改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件——晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。

从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，用α表示，也称触发角或控制角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，如果用θ表示，θ＝π－α。

α＝0时，整流输出电压平均值为最大，用Ud0表示，Ud＝Ud0＝0.45U2。随着α增大，Ud减小，当α＝π时，Ud＝0，该电路中VT的α移相范围为0°～180°。可见，调节α角即可控制Ud的大小。这种通过控制触发脉冲的相位控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

图4.95　单相半波可控整流电路的电路原理图及带电阻负载的工作波形

（2）三相桥式全控整流电路

蓄电池作为城市轨道交通车辆重要组成部分，其中弱电系统需要配置阀控式密封铅酸胶体蓄电池作为后备电源，如录音、广播、CCTV（视频监控）、PIS（乘客信息系统）、时钟、信号、ATS（综合监控）、BAS（车站设备监控）、FAS（火灾自动报警）、AFC（自动售检票）、ACS（门禁）、SCADA（电力监控）、屏蔽安全门控制及驱动电源、变电所操作电源、低压开关柜MCC柜控制电源、OA（办公自动化）、EPS（应急照明）等，该类电池具有体积小、质量轻、密封好、无泄漏、无污染、放电性能好、维护量小等优点。如此庞大的蓄电池数量，如何优化设计、合理配置，精细化维护，从而有效延长使用寿命，延长更换周期，在保证安全前提下降低运行成本，节约能源，值得深入探讨，下面就城市轨道交通车辆蓄电池充电电路（三相桥式全控整流电路）作介绍。

目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理如图4.96所示，人们习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1～6的顺序导通。为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。以下首先分析带电阻负载时的工作情况。

图4.96　三相桥式全控整流电路

带阻性负载时的工作情况如下所述。

可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α＝0°时的情况。此时，对共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小（或者说负得最多）的一个导通。这样任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某线电压。此时电路工作波形如图4.97所示。

图4.97　电路工作波形

α＝0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析Ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可从线电压波形分析。

从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，以变压器二次侧的中点n为参考点，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud＝ud1－ud2，是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周期的包络线。

为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60°，如图4.97所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况见表4.25。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

表4.25　阻性负载α＝0°时晶闸管工作情况

从触发角α＝0°时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点，如下所述。

每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

对触发脉冲的要求：6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT3—VT6的顺序，相位依次相差60°；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次相差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次相差120°；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。

整流输出电压ud一周期脉动6次，每脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。

在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60°（一般取80°～100°），称为宽脉冲触发。另一种是在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为20°～30°，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。

整流电路原理较为简单，由于篇幅限制本节中不再展开深入讲解，如需要深入了解相关知识，可参照相关电力电子的教材及期刊等。

（三）辅助逆变器实时数据监控及数据分析

辅助逆变器标准监视器主要用于读取辅助装置逻辑控制部分内记载的事故信息，可以将故障信息读出，并对事故信息进行管理、分析、打印等，同时可以设定辅助装置中的时钟。辅助逆变器数据记录触发条件见表4.26。

表4.26　辅助逆变器数据记录触发条件表

触发条件在各个保护动作产生时，仅限于对应条件成立时才会触发，但是，空级状态除外，下面将举例进行说明。

某日，某地铁日系牵引系统高压通电试验，1车SIV装置未正常启动，报逆变器转流失败CFDI故障，对调1群和2群V1相门极驱动电路板，故障转移。

测量V1相IGBT G-E间电阻，阻值无异常；检查光纤配线状态，光纤光亮度正常，配线无异常。结合以上信息，判定为V1相门极驱动电路板故障。

将故障门极驱动电路板取下，更换新的门极驱动电路板，再次启动SIV电源装置，SIV继续报转流失败故障，故障仍存在。

转流失败是控制单元发送的门极信号与其从门极反馈回来的信号不一致的故障表现形式，主要是电力电子功率器件的控制信号和反馈信号之间存在不一致。在SIV电源装置的电路中有两种转流失败故障，为逆变器转流失败CFDI和IvHB转流失败CFDH。转流失败是SIV电源装置的重故障类型，一旦发生该故障，SIV电源装置将停止工作不输出。

考虑到转流失败故障对SIV电源装置工作影响较大，现对产生转流失败故障原因的多种可能进行罗列和小结，并结合这些可能原因分析该车转流失败故障，整理转流失败故障的调查方法和调查思路。转流失败故障可能原因和调查部件见表4.27，具体故障调查思路（从故障可能原因逐个调查）如下所述。

表4.27　转流失败故障可能原因和调查部件

控制逻辑装置产生转流失败的可能原因有：SCU基板故障（发出信号指令）和光纤连接有误（传递信号指令媒介）。

（1）SCU基板状态确认

首先是确认SCU基板输出状态LED的状态，为正常色：绿色；同时，更换1车的1群SCU基板和2群SCU基板，故障无转移，再次判定转流失败与SCU基板状态无关，且SCU基板工作状态正常。

（2）光纤连接状态确认

检查SCU基板上光纤插座标签，确认与光纤插头对应的插头标签完全一致，具体调查结果见表4.28，传递信号指令输出侧光纤连接没问题。

表4.28　光纤连接状态确认结果

续表

对门极电源的CP1和CP2接线端子进行输出电源测量，测量结果和标准值见表4.29，并判定门极电源状态正常。

表4.29　门极电源输出标准值和测量结果

通过使用手电对光纤的输入侧进行间歇式光照，光纤的输出端对应变化且亮度良好，判定光纤无衰减，光亮信号功能正常（光纤的光亮较弱也会影响信号的传输）。

功率单元故障产生换流失败的可能原因有：IGBT功率元件故障、门极驱动电路板故障和光纤连接有误。因IGBT元件是密封并集成于功率单元内部，IGBT功率元件故障通常是使用排除法，即其他故障均排除后判定IGBT元件故障，经分解拆卸对IGBT元件的外观、测试和试验进行最终判定，为IGBT功率元件故障。

1）门极驱动电路板状态调查

对调1群和2群V1相门极驱动电路板，故障转移，判定为门极驱动电路板（制造编号：SHX-008GDC-02B）故障，更换新的门极驱动电路板。

再次启动SIV电源装置，SIV1群继续报转流失败故障，对调1群和2群门极驱动电路板，故障未转移，恢复电路板原始安装状态。判定是非门极驱动电路板部件故障。

查看1群门极驱动电路板，标签标示不清晰，仔细观察V1相门极信号和其反馈信号安装时交叉装反，更正后，SIV可正常启动。

2）门极驱动侧光纤连接状态检查

检查门极驱动侧光纤连接状态，驱动板标签和光纤标签完全一致；使用手电间歇式光照，光纤的另一端对应间歇式变化，光亮信号功能正常。

通过上述产生转流失败故障可能原因的调查，该牵引系统SIV转流失败故障是因V1相门极电路板故障和门极电路板安装有误而导致的。