鎘鎳蓄電池在鐵道系統(tǒng)中的應(yīng)用余國華四川長虹電源有限責(zé)任公司（四川621000）通信信號系統(tǒng)、電子守車、高速列車、軌道檢測車和地鐵系統(tǒng)等方面的應(yīng)用及國內(nèi)外鐵道專用電池的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

0前言我國鎘鎳蓄電池是1955年開始研制、1960年開始批量生產(chǎn)的。當(dāng)時研制這一類電池的目的，是為了滿足特種建設(shè)整機(jī)配套電源的需要。這一產(chǎn)品剛剛延生不久，還未大批生產(chǎn)之前，于1958年就被株洲電力機(jī)車廠選作我國第一臺電力機(jī)車的升弓電源，這是我國鐵道部門最早選用的鎘鎳電池，即GN100型。眾所周知，鐵道上應(yīng)用電池的地方很多，原來是清一色的鉛酸電池，自從鎘鎳電池出現(xiàn)后，使用者逐漸認(rèn)識到鎘鎳電池的優(yōu)越性和鉛酸電池的弊病，致使鎘鎳電池在鐵道系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。如繼電力機(jī)車使用后，又用于客車照明、鐵道信號系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)車啟動和列車尾部安全監(jiān)控電子守車等。這樣，既促進(jìn)了鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展，也使我國鐵道系統(tǒng)應(yīng)用電池上了新臺階。同時，也形成了鉛酸電池與鎘鎳電池的競爭局面，有利于鎘鎳和鉛酸電池的改進(jìn)和提高。

1鎘鎳電池的類型及技術(shù)發(fā)展1.1鎘鎳電池的類型鎘鎳電池是以金屬鎘為負(fù)極，氧化鎳為正極，氫氧化鉀（或氫氧化鈉）水溶液為電解液的堿性蓄電池。

我國鎘鎳電池從1955年開始研制至今已有45年了，45年來我國鎘鎳電池經(jīng)歷了一個高速發(fā)展過程，目前鎘鎳電池已開發(fā)出6大類產(chǎn)品（幾百個品種）即袋式鎘鎳電池、矩形燒結(jié)和全密封鎘鎳電池。目前國內(nèi)生產(chǎn)量較大，技術(shù)較成熟應(yīng)用較廣泛的是前3類鎘鎳電池，而且這3類鎘鎳電池，在鐵道系統(tǒng)也都得到廣泛應(yīng)用。因此，我們將對這3類鎘鎳電池進(jìn)行專門介紹，而后3類鎘鎳電池生產(chǎn)較少應(yīng)用范圍較窄，如全密封鎘鎳電池只用于衛(wèi)星上與太陽能電池匹配組成電源系統(tǒng)。

1.23類鎘鎳電池的技術(shù)進(jìn)展1311.2.1袋式鎘鎳電池的技術(shù)進(jìn)展袋式鎘鎳電池是將正極活性物質(zhì)（氫氧化鎳）和負(fù)極活性物質(zhì)（氧化鎘和四氧化三鐵）分別用穿孔鋼帶包起來，制成類似口袋的極板盒。極板盒在專用設(shè)備和工裝上經(jīng)拼條、壓紋、剪切、裝筋、訂筋、壓槽、切筋頭和焊接等工序做成正、負(fù)極板（組），再裝配成袋式鎘鎳電池。

袋式鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展大致可分為4個階段，即仿造研制階段、塑殼化階段、中倍率電池系列化階段，第4階段就是目前正在研制開發(fā)的高倍率袋式鎘鎳電池和少維護(hù)、免維護(hù)的袋式鎘鎳電池。

1.2.2矩形燒結(jié)式（半燒結(jié)）鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展13矩形燒結(jié)式鎘鎳電池是采用沖孔鍍鎳鋼帶在低密度鎳粉和粘合劑（發(fā)孔劑）制成的鎳漿中拉漿，經(jīng)刮漿、干燥和燒結(jié)而成燒結(jié)基帶。然后，分別在硝酸鎳（正極）和硝酸鎘（負(fù)極）溶液中負(fù)壓浸漬，經(jīng)干燥、堿化、水洗和再干燥而獲得正、負(fù)極片。用這種正、負(fù)極片和隔膜裝配成的電池就是燒結(jié)式電池，燒結(jié)式電池的比能量比袋式電池高50%左右。燒結(jié)式極板較薄，僅為袋式電池的1/4~16內(nèi)阻小，所以燒結(jié)式電池能高倍率和超高倍率電流放電，廣泛用于各類飛機(jī)上的應(yīng)急啟動和隨航備用電源，也用于電力部門的分合閘直流系統(tǒng)配套電源以及鐵道內(nèi)燃機(jī)車的啟動電源。

矩形燒結(jié)式電池的技術(shù)發(fā)展大致可分為4個階段，即仿制階段、技術(shù)改進(jìn)階段（主要對電極性能改進(jìn)、熱板焊接新技術(shù)應(yīng)用和新材料聚乙烯輻射接枝膜的采用）、矩形半燒結(jié)鎘鎳電池開發(fā)階段（主要為電力部門開發(fā)的經(jīng)濟(jì)實用型電池，即負(fù)極不采用燒結(jié)式而是粘結(jié)式電極）。第4階段就是少維護(hù)和免維護(hù)（密封型）矩形燒結(jié)（半燒結(jié)）電池開發(fā)。

少維護(hù)矩形燒結(jié)式電池。為了達(dá)到少維護(hù)的目的，在技術(shù)上主要從3個方面采取措施，一是加大電池殼體尺寸，降低電極高度，增加盛裝電解液的空間。二是對電池氣塞設(shè)計要進(jìn)行特殊處理，既要便于排氣，又要避免電解液的損失和空氣中二氧化碳的進(jìn)入。三是根據(jù)不同的用戶要求選擇好浮充電壓。只要這三項措施有效就能達(dá)到少維護(hù)目的。

免維護(hù)（密封型）矩形燒結(jié)式電池。免維護(hù)電池屬于密封型電池，在設(shè)計原理上與圓柱密封電池類似，即利用“鎘氧循環(huán)”原理，采取負(fù)極容量過量以利于吸收正極產(chǎn)生的氧氣，在兩極間增設(shè)了二次防爆裝置。

1.2.3圓柱密封鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展141圓柱電池具有體積小、質(zhì)量輕、密封性好、可以任意位置工作、不需維護(hù)、放電電壓平穩(wěn)、使用溫度范圍寬（可在一40C~+50C下使用）、機(jī)械強(qiáng)度好、堅固耐用、部分器具中可以與干電池互換等特點，廣泛用于特種電臺、移動電話、無繩電話、電動工具、電動玩具、應(yīng)急燈等方面。

我國圓柱密封鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展一般可分為5個階段，即：基礎(chǔ)研究階段，主要進(jìn)行材料選擇、工藝參數(shù)摸索試驗，擇優(yōu)選擇最佳工藝路線。

重點發(fā)展半燒結(jié)板式圓柱電池階段，擴(kuò)充品種上規(guī)模、建立生產(chǎn)線、實現(xiàn)產(chǎn)品系列化。

箔式電極圓柱電池的研制開發(fā)階段，使電極的生產(chǎn)實現(xiàn)連續(xù)化、自動化、電池裝配單機(jī)自動化。

發(fā)泡式電極圓柱電池發(fā)展階段，發(fā)泡式電極的出現(xiàn)，使圓柱電池的比容量上了一個新臺階，由于制造簡單投資少，使圓柱電池的制造廠大大增加，促進(jìn)了鎘鎳電池的技術(shù)發(fā)展。

不同性能圓柱電池的高速發(fā)展階段。近幾年來，由于不同性能的新電極大量涌現(xiàn)，這些新電極既有我國自主開發(fā)的，也有引進(jìn)國外技術(shù)如正極制造的工藝方法就有6種，即袋式、壓成式、燒結(jié)式、發(fā)泡式、塑料粘結(jié)式和纖維式。而負(fù)極制造工藝方法除上述6種外還有電沉積式和拉干鎘負(fù)極共8種方法。

由于目前電極制造的工藝路線和方法較多，所以要根據(jù)用戶不同的技術(shù)要求，可選擇不同的電極制造方法，對正、負(fù)極進(jìn)行優(yōu)化匹配，生產(chǎn)出不同類型的、不同性能的圓柱密封鎘鎳電池。

2我國鎘鎳電池在鐵道系統(tǒng)的應(yīng)用我國鎘鎳電池是1955年才開始研制生產(chǎn)的，所以鎘鎳電池應(yīng)用市場基本上是靠擠占鉛酸電池市場，鎘鎳電池在鐵道系統(tǒng)的應(yīng)用也是如此（電力機(jī)車除外）。鎘鎳電池為什么能擠占鉛蓄電池市場，這是因為鉛酸電池長期以來一統(tǒng)天下，沒有競爭對手，不利于技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)品性能水平難以提高。而鎘鎳電池與傳統(tǒng)的鉛酸電池比較，在性能上明顯占優(yōu)勢，這就為鎘鎳電池擠占鉛酸電池市場提供了條件。

袋式鎘鎳電池GN100型在電力機(jī)車上作升降弓的動力備用電源，普遍采用74只單體電池組合，機(jī)車正常運(yùn)行時機(jī)車電池組處于浮充電狀態(tài)工作，浮充電壓為110V，最大浮充電流為25A，穩(wěn)定的浮充電流為0.19A左右，斷電后電池組供電其負(fù)載電壓92.5伏，電流為15A左右，工作時間可達(dá)5h以上。

第1代產(chǎn)品：為鐵殼GN100型電池，在電力機(jī)車上已經(jīng)使用30余年，能滿足電力機(jī)車使用的要求，電池工業(yè)bookmark4但在使用過程中，也有個別電池在焊縫處滲漏電解液造成爬堿問題。還有因鐵殼電池既觀察不到電解液不便維護(hù)又容易引起接地導(dǎo)致短路的問題。

電池采用高強(qiáng)度耐沖擊振動的透明或半透明工程塑料作殼體材料。這樣，既解決了鐵殼焊縫滲漏爬堿問題，又能觀察電解液高度，便于維護(hù)，同時還避免了鐵殼易接地導(dǎo)致短路的問題，這一產(chǎn)品，已在江油馬角壩機(jī)務(wù)段、豐臺西機(jī)務(wù)段和大同機(jī)務(wù)段試甩反映良好。

第3代產(chǎn)品：即免維護(hù)塑殼堿性鎘鎳蓄電池，長虹電源公司（756廠）已完成實驗室工作，正準(zhǔn)備與株洲電力機(jī)車廠合作投入生產(chǎn)，裝車試用。現(xiàn)將三代產(chǎn)品的主要指標(biāo)列于表1.三代鎘鎳電池的主要指標(biāo)額定最大外形尺寸質(zhì)量極柱電池型號容量備注（干態(tài)）螺紋第一代產(chǎn)品第二代產(chǎn)品第三代產(chǎn)品（2）在鐵道客車上的應(yīng)用我國鐵道客車，采用軸驅(qū)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)，長期以來一直沿用鉛酸電池做配套電源，在使用過程中，鉛酸電池存在的主要問題有壽命短；維護(hù)工作量大；充電時酸霧大，腐蝕性強(qiáng)；電池漏液，造成絕緣電阻低，影響列車安全；放電后容量恢復(fù)慢等。為此，引起有關(guān)單位的注意，最早在鐵道客車上試驗的是國營756廠研制的袋式GN400型鎘鎳電池，于1986年7月在烏魯木齊車輛段鐵道客車上進(jìn)行了試驗，采用38只單體電池組合，列車運(yùn)行時由軸驅(qū)發(fā)電機(jī)供電并給電池組浮充電，浮充電壓在60V左右，浮充電流最大40A，最小5A左右，列車停站時由電池組給客車供電（包括照明、電扇等），負(fù)載電壓在50伏左右，根據(jù)車廂情況不同（如餐車、軟臥、普通）負(fù)載電流不一致，最大達(dá)40A左右，最小10A左右。試驗結(jié)果表明堿性鎘鎳蓄電池完全可以替代鉛酸電池，性能指標(biāo)也優(yōu)于鉛酸電池。

1986年11月底，鐵道部機(jī)車車輛工業(yè)總公司和鐵道部車輛局，在河南新鄉(xiāng)755廠召開了“鐵道客車采用堿性鎘鎳蓄電池可行性探討會議”。會后國營755廠和756廠先后與鐵道部有關(guān)單位聯(lián)合進(jìn)行了大量的研制工作，根據(jù)不同要求，開發(fā)出鐵道客車電池系列產(chǎn)品如GN250-（2）、GN300-、GN40（H2）和GN400-G）等產(chǎn)品，滿足了鐵道客車的需要。電池主要指標(biāo)要求見表2.表2鐵道客車用鎘鎳電池的主要指標(biāo)額定最大外形尺寸極柱最大質(zhì)量電池型號容量（含電液）備注螺紋鐵道客車空調(diào)車德國進(jìn)口車在電氣化鐵道供配電控制系統(tǒng)（含通信信號系統(tǒng)）上應(yīng)用在電氣化鐵道供配電控制系統(tǒng)（含通信信號系統(tǒng)）中一般選用袋倍率鎘鎳電池，不同于電力機(jī)車和鐵道客車上使用的是袋式低倍率電池，因為這類控制系統(tǒng)要求供電電流相對較大。電池工作一般與UPS電源系統(tǒng)或直流屏配合使用，當(dāng)外電網(wǎng)正常供電時由外電網(wǎng)經(jīng)UPS電源系統(tǒng)供電，并給電池組浮充電，當(dāng)外電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，由電池組經(jīng)UPS電源系統(tǒng)供電，電池組作為應(yīng)急備用電源，這就要求電池具有長期的可靠性和最少的維護(hù)。

目前選用袋倍率堿性鎘鎳電池的型號有GNZ75、GNZ100、GNZ150等產(chǎn)品，一般以180只單體電池組合使用，負(fù)載要求用0.倍率的電流放電，放電終止電壓在1.16V以上，放電時間不少于6min其浮充電電壓控制在255V~260V之間。袋倍率電池指標(biāo)見表3.長期以來一直使用NG462型鉛酸電池，由于內(nèi)燃機(jī)車的啟動電流比較大，達(dá)2000A左右，鉛酸電池放電倍率比較低，只有把電池做大，提高容量來彌補(bǔ)放電倍率低的問題。前面已介紹過燒結(jié)式鎘鎳電池具有很高的放電倍率，就比較適宜用在內(nèi)燃機(jī)車上，如鉛酸電池需要462Ah（容量）的電池才能達(dá)到2000A放電要求，而燒結(jié)式電池只需要140h（容量）的電池就足以達(dá)2000A電流的放電要求，這樣不僅減少了體積和重量，還降低了費用，燒結(jié)式鎘鎳電池的體積和重量是鉛酸電池的1左右，而電池組費用僅占鉛酸電池類的23表3袋倍率鎘鎳電池指標(biāo)額定最大外形尺寸干態(tài)質(zhì)量極柱產(chǎn)品型號容量螺紋在內(nèi)燃機(jī)車上選用的燒結(jié)式鎘鎳電池的型號有GNC140和GNC170型，主要用作內(nèi)燃機(jī)車的啟動、照明及輔助電器的直流電源。以78只單體電池為一組，要求電池容量在80%時，仍能以2000A電流啟動內(nèi)燃機(jī)車10次，每次6s，起動終止電壓>82V（每只電池終止電壓>1.05V），電池組浮充電壓110V（每只電池浮充電壓1.41V）這類電池主要指標(biāo)列入表4中。

表4內(nèi)燃機(jī)車用鎘鎳電池主要指標(biāo)額定最大外形尺寸最大質(zhì)量極柱電池型號容量（含電解液）螺紋在列車尾部安全監(jiān)控裝置（電子守車）上的應(yīng)用本裝置采用多項高新技術(shù)，具有在非電氣化和電氣化鐵道的強(qiáng)干擾下可靠工作的特點。可在列車尾鉤側(cè)快速掛拆，替代守車完成守車的各項功能，以確保列車行車安全。該裝置的直流供電電源選用了756廠高性能的箔式燒結(jié)式圓柱密封鎘鎳電池，該裝置對電池的特殊要求如下：機(jī)械強(qiáng)度好，能在強(qiáng)沖擊和振動的惡劣條件下工作。

定容量水平。

額定容量水平。

長壽命，即按IEC標(biāo)準(zhǔn)（國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)）的充放循環(huán)方法要求，充放循環(huán)800次，這一指標(biāo)是IEC標(biāo)準(zhǔn)的2倍（EC標(biāo)準(zhǔn)為400次）。

在地鐵列車上和站上的應(yīng)用在地鐵列車上作為應(yīng)急照明和列車操作的備用電池，根據(jù)情況可選用袋式低倍率鎘鎳電池（型號有GN60-2等）和袋倍率鎘鎳電池（型號有GNZ130等）分別以75只和84只為一組，單只電池浮充電壓分別為1.48V和1.45V.在地鐵站上與直流屏配合使用作應(yīng)急備用電源，選用的是燒結(jié)式GNG20型電池，一般以180只電池為一組。

在鐵道新研制列車上的應(yīng)用/h高速列車上應(yīng)用袋倍率堿性鎘鎳電池其型號為GNZ100型，以78只電池為一組，浮充電壓在1.42+40下能正常工作。

在研制的電氣化鐵路軌道檢測車上選用了袋式低倍率GN200-（3）型和燒結(jié)式超高倍率的GNC100型電池。

3結(jié)束語從國外鐵道電池應(yīng)用情況可看出，鐵道專用電池的發(fā)展趨勢是由鉛酸蓄電池逐步向鎘鎳電池過渡。發(fā)展方向是少維護(hù)或免維護(hù)鎘鎳電池和長壽命鎘鎳電池以及適應(yīng)不同性能要求的鎘鎳電池。

只要鎘鎳電池在技術(shù)上不斷改進(jìn)，短期內(nèi)其它新系列電池（如MH-Ni）蓄電池、鋰離子電池和燃料電池）還不會進(jìn)入這一市場。隨著鐵道系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，預(yù)計今后市場也將逐步擴(kuò)大，鎘鎳電池有望成為鐵道系統(tǒng)應(yīng)用的主要直流電源。

鎘鎳蓄電池存在環(huán)境污染問題，應(yīng)對廢舊電池進(jìn)行回收處理。我國這方面工作遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家，應(yīng)該在這方面建立有關(guān)制度和法規(guī)，由政府扶持強(qiáng)制實施。這樣做，既有利于鎘鎳電池的持續(xù)發(fā)展，也有利于資源充份利用和減少環(huán)境污染。