摘要：轨道交通车辆用蓄电池主要有碱性-镍镉蓄电池和酸性-密封胶体铅蓄电池。近十年来两种蓄电池在性能上都有很大改进，在轨道交通车辆领域均得到广泛应用。简述地铁车辆中主要使用的两种蓄电池（铅酸性蓄电池以及镍镉碱性蓄电池）的结构、原理以及性能等，并通过对比分析，为地铁车辆用蓄电池提供参考以及依据。
关键词：地铁车辆；铅酸性蓄电池；镍镉碱蓄性电池；性能对比
0.前言
在现如今的社会之中，城市交通对轨道交通尤其是地铁车辆的需求日益增加，而蓄电池作为地铁车辆之中必不可少的一部分，在紧急负载的工况之下，承载着极其重要的作用。目前为止，地铁车辆选用的蓄电池产品主要有两种，铅酸蓄电池以及镍镉蓄电池。
按照蓄电池单体中的电解液划分，铅酸蓄电池属于酸性蓄电池，镍镉蓄电池属于碱性蓄电池。由于电解液的不同，这两种蓄电池的单体容量、结构、原理以及性能等均有差异性。然而在各地铁车辆中，只能选择其中一种，所以我们要对比酸性蓄电池与碱性蓄电池在各方面的优劣性，为蓄电池选型提出一个最优化的结论。
1.铅酸蓄电池介绍
铅酸电池发明于1859年，之后一直发展到1900年，富液式铅酸电池性能得到了卓越的改进。阀控式铅酸（VRLA）蓄电池于20世纪70年代被开发使用，并在美国和欧洲的一些发达国家开始小范围应用，随后快速形成产业化，并大规模投入市场。
1.1技术特性
铅酸蓄电池中主要类型为密封胶体蓄电池。该蓄电池采用（PVC）二氧化硅隔板，气相二氧化硅与硫酸液配制而成的胶体电解质；具有更强的耐过充，拓宽温度使用范围，延长使用寿命；PVC 隔板有良好的接触，电池电阻小，极板的活性物质不易脱落，具有优异抗震性；胶体有特大的热比容，电池不易发生“热失控”，而且还有抗过充/过放的自我保护能力，有电池内部“消弧”功能，大大提高使用的安全性。
基于氧复合（氧循环），正极上有氧发生（充电后期）通过PVC 隔板中微孔、胶体裂纹扩散至负极进行“去极化”作用（化学放电），氢氧复合最终变成水，回至电液，电池内压降低，实现单向阀气密，同时这一过程还是一个“氧消耗、氢抑制、水回来”的实质性变化，使完全密封成为可能，蓄电池在整个寿命周期内无需添加电液，维护工作量小。
1.2工作原理
密封胶体蓄电池由金属铅和硫酸为主要材料制作而成，通过提高负极析氢过电位、凝胶状电解液等一系列的措施使蓄电池得以密封，其电化学原理可用化学反应方程式进行概括：
1.3密封原理
阴极吸收式（负极）的密封原理，有以下几个过程：
充电过程中在正极产生氧气：2H2O→O2↑+4H++4e-
在安全阀（单向）的作用下【电池内部有一定内压时，自动开启逸出气体，而后立即闭阀，防止外部大气进入电池，开闭阀非常准确（按设定压力）】，产生的O2 通过AGM 隔板微孔向负极迁移，在负极上反应：
上述过程是基于氧复合（氧循环），正极上有氧发生（充电后期）通过PVC 隔板中微孔、胶体裂纹扩散至负极进行“去极化”作用（化学放电），氢氧复合最终变成水，回至电液，电池内压降低，实现单向阀气密，这一过程是一个“氧消耗、氢抑制、水回来”的实质性变化过程，使密封成为可能。
电池灌注的硅溶胶变成硅凝胶后，骨架进一步收缩，使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间，给正极析出的氧提供了到达负极的通道。
2.镍镉蓄电池介绍
镍镉电池发明于1894年，至1938年，发明出烧结式极板并沿用至今。1983年，镍镉电池大幅度提升，发明了FNC纤维式镍镉电池，并率先在铁路上进行应用，发展到1995年，FNC技术改进，日趋成熟，得到更大范围的应用。
2.1概述
地铁车辆中，镍镉蓄电池大多采用烧结式镉镍蓄电池，具有大电流及低温放电性能好、适用温度范围宽、自放电小、耐电气误操作能力强、使用维护简便、循环寿命长、机械强度高、安全系数高、抗冲击振动能力强等特点。
蓄电池极板组主要由镍正极、镉负极、隔膜和极柱组成，极板组牢固装配在阻燃性聚丙烯制造的蓄电池壳内，蓄电池壳和盖用热板焊接在一起，蓄电池盖上有用于电流传输的正负极柱，蓄电池的极柱处用O形密封圈密封。
蓄电池盖上靠近正极端有“+”符号作为永久标记；蓄电池盖上安装有塑料螺塞或装配气塞。蓄电池工作时使用装配气塞，它们能阻止外部杂物进入，排出充电过程中产生的气体，保证蓄电池安全可靠地工作。
正负极片主要由冲孔镀镍钢带、储能物质构成。正极活性物质为氧化镍，负极活性物质为氢氧化镉或氧化镉，正负极片间用由主隔膜与接枝膜组成的复合膜分隔，防止正负极片接触而短路。接枝膜可以阻止正极产生的氧气到负极复合，防止蓄电池在充电过程中出现过热现象。
在与外接线路接通后，充电态蓄电池内的正、负电极上发生电化学反应，将化学能转变为电能，从而向负载供电。
2.2工作原理
镉镍蓄电池是一种在充电时将电能转变成化学能储存起来，而在放电时将化学能转变为电能的装置。充放电时，蓄电池正负极上发生氧化还原反应，其电化学反应方程式如下：
3.对比分析
镍镉碱性蓄电池的特点是：充放电特性平稳、耐过充放能力强、应用温度范围广、使用寿命长。
铅酸性蓄电池的特点是：安全、环保、免维护（免加液）、比能量高、抗振性和机械强度好、不漏液（胶体电解质）、全寿命周期成本低。
3.1性能
3.1.1单体电气特性
就蓄电池单体的额定电压来看，铅酸性电池要高于镍镉碱性电池。铅酸性电池的单体额定电压大多在2.0V，而镍镉碱性蓄电池的为1.2V，相对应的，单体容量铅酸性电池也要高于镍镉碱性电池。所以，如果做相同倍率的蓄电池组，铅酸性电池所需单体的数量要小于镍镉碱性电池。
3.1.2耐过充过放能力
镍镉碱性电池单体最低电压为1.0V，可以从1.2V放电至1.0V，深度放电至100%，循环次数多，并且可以继续过放。因为正负极板为纤维式极板，对过充过放的耐受能力强。
而铅酸性电池，可深度放电至80%，循环次数少，尤其可见，镍镉碱性电池寿命周期为12-15年比铅酸性电池的8-10年要长；且铅酸性电池为PVC极板耐过充过放能力较弱，因此对蓄电池控制电路中低压保护以及对浮充电电压的要求较高。
3.1.3低温性能
蓄电池在低温下使用，电极会发生钝化，电化学反应速度和传质速度都将降低，因此低温会影响蓄电池的放电性能，但对寿命影响较高温小。
铅酸性电池化学反应中的活性物质对比镍镉碱性电池，在低温情况下，反应及分解电离子能力要低，需要进行温度补偿，所以，铅酸性电池不太适用于北方城市的地铁车辆。
3.2环保性
铅酸性电池和镍镉碱性电池都含有部分污染物质，所以，在生产和使用的过程之中，应注意保护以及小心操作，以免造成环境污染以及次生灾害。
然而铅酸性电池的回收利用率高、污染较小，所以铅酸性电池更适用于环保。
3.3成本分析
在现如今的市场中，铅酸性电池的初次采购成本均比镍镉碱性电池要低很多。而且镍镉碱性电池要时常补液，维护成本也相应增加一些。
虽然镍镉碱性电池的寿命长，但铅酸性电池可进行有价回收，全寿命成本较碱性也要低。
4.小结
通过以上各方面对铅酸性电池和镍镉碱性电池的对比分析，可以发现两种电池在不同的方面，具有各自的优劣之处。综合来看，铅酸性电池将是未来的趋势所在，然而镍镉碱性电池的技术在国内已经比较成熟。所以，要根据不同地铁车辆的不同特性要求，选择相应更改合适的蓄电池种类。
参考文献：
[1]汪海霞，等.电力系统用阀控式密封铅酸蓄电池的选择与应用[M].中国电力出版社，2002，1.
[2]梁明晖.阀控式铅酸蓄电池在城市轨道交通中的应用[J].蓄电池，2012，49（5）.
论文作者:蔡和旭,裴云庆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：蓄电池论文; 电池论文; 酸性论文; 碱性论文; 镍镉论文; 负极论文; 极板论文; 《基层建设》2019年第7期论文;