低温环境下CRH5A 动车组蓄电池容量衰减规律与充电策略优化研究

一、低温环境对蓄电池性能的影响

1.1 低温对蓄电池化学反应速率的作用

环境温度下降时，蓄电池内部电解液粘度增大，离子传导速度变缓，电化学反应速率也跟着降低。在 -20^∘ C 的环境中，铅酸蓄电池的化学反应速率也许只有室温（ 25^∘ C）时的一半左右。这种情形在 CRH5A 动车组蓄电池实际运行时就体现出来，起动电流明显下滑，充电效率也有所下降。按照 Arrhenius方程，反应速率常数k 和温度T 有关，可表达为（-Ea/RT），A 是频率因子，Ea 是活化能，R 是气体常数，T 是绝对温度，从这个方程里可以看出，温度每降 10^∘ C，反应速率常数大概减半，这就造成蓄电池在低温条件下性能衰减。

1.2 低温下蓄电池容量衰减的表现

低温环境下，CRH5A 动车组蓄电池性能衰减主要表现在化学反应速率的降低和容量的快速衰减上。拿铅酸蓄电池来说，它在 0^∘ C 时的放电能力只有常温下的 50% ，要是降到 -20^∘ C，放电能力也许会降到常温下的 20% ，这种容量衰减的具体表现既影响到动车组的续航能力，又有可能造成蓄电池在极低温度下无法正常启动。研究显示，低温条件下蓄电池内部的电解液粘度变大，离子传导速率变慢，这就会使电化学反应速率变慢，而且低温会加大蓄电池的内阻，致使在放电过程中电压下降得更快，这样就加重了容量的衰减。

二、CRH5A 动车组蓄电池容量衰减规律研究

2.1 实验设计与数据收集方法

实验设计和数据收集方法非常关键，首先实验设计要考虑到不同温度条件下蓄电池性能的影响，选择几个温度点，极端低温环境也在其中，以此来模拟实际运行时可能碰到的最恶劣情况。其次在这些温度点下给蓄电池做充放电循环测试，从而获取蓄电池在不同温度下的性能数据，包含电压、电流、容量以及内阻这些重要参数。再次数据收集方法用到高精度的数据采集系统，保证了实验数据的准确性和可信度。最后在实验期间应用了实时监控技术，把蓄电池在充放电过程中的动态改变记录下来，得到连续而详细的曲线。

2.2 容量衰减规律的实验分析

实验结果显示出蓄电池容量衰减的明显特点，通过比较不同温度条件下放电曲线可知，当环境温度降至 -20^∘ ° C 时，蓄电池放电容量相较于常温 25^∘ C下降约 25% ，这同电化学反应速率降低有关联，低温环境使电池内部化学反应速度变慢，进而引发离子传导速率下降，影响到电池输出功率及容量。实验过程中用到的 Arrhenius 方程对数据实施拟合处理，表明每降低 10^∘ C，蓄电池容量衰减速率大概翻一番，这个现象符合爱因斯坦有关温度对化学反应速率影响的理论。

三、充电策略优化研究

3.1 传统充电策略的局限性

传统的充电方法，比如恒流充电和恒压充电，往往没有充分考虑到低温对蓄电池化学反应速率以及容量衰减的影响，像蓄电池的电解液在低温环境下变得黏稠，离子传导速率变慢，这就直接影响到了蓄电池的充电接受能力和效率。有关研究显示，当环境温度降到零摄氏度以下的时候，蓄电池的充电效率大概会降到正常温度下的 60% 到 70% ，而且传统的充电策略并没有有效地解决蓄电池在低温条件下的容量衰减问题，这在 CRH5A 动车组的实际运行当中体现为蓄电池容量的非线性衰减，特别是在极低的温度之下，蓄电池的容量衰减速度会变得更快，这不但会影响到动车组的续航能力，而且也许会对蓄电池的寿命产生不可逆转的损伤。

3.2 充电策略优化的理论与方法

在探讨 CRH5A 动车组蓄电池性能衰减以及充电策略改良的时候，理论根基和手段的探寻就显得颇为关键，首先得深刻把握蓄电池在低温环境中化学反应速率减慢的现象，按照 Arrhenius 方程，反应速率常数 k 同温度 T 之间的关联可表示成 k=Ae^⋅ （-Ea/RT），这里A 是频率因子，Ea 为活化能，R 代表气体常数，在低温状况下，Ea 增大，k 就会变小，这使得电化学反应速率放缓，这种理论根基给后面充电策略改进赋予了科学依据。基于以上理论，充电策略优化方法要考虑到蓄电池在低温下的容量衰减情况，比如采用脉冲充电技术，能有效降低电极表面的极化现象，提升低温下的充电接受度，而且智能充电算法，模糊逻辑控制或者神经网络预测模型，会依照蓄电池的即时状况和过往数据来调节充电参数，以此实现最佳的充电效果。借助对蓄电池的电压、电流、温度等数据实施持续检测，智能算法就可以预估出蓄电池的最佳充电终止点，防止出现过充或者欠充的情况，进而延长蓄电池的使用寿命。在实际应用中，要对充电策略加以改进，就要把 CRH5A 动车组的运行特点以及蓄电池的性能衰减规律结合起来。设计出一种分阶段的充电策略，在蓄电池刚开始充电的时候，用比较小的充电电流，这样可以减轻极化和热效应，等到蓄电池快要充满电的时候，慢慢加大充电电流，从而缩减充电时间。

四、充电策略优化实验与结果分析

4.1 优化策略的实验设计

在探究 CRH5A 动车组蓄电池性能衰减及充电策略优化时，实验设计属于重要步骤之一，采用对比实验的方法，对传统充电策略与改良后的充电策略展开分析，实验期间搜集诸多数据，不同温度下蓄电池的放电曲线、充电效率、循环寿命等关键性能指标均包含在内。经过对比分析察觉到改良策略在提升蓄电池低温性能方面有着明显的效果。拿 -20^∘ C 的环境来说，改良策略使得蓄电池的容量衰减率下降了 15% ，而且充电时间缩减了 20% ，如此一来不但证实了改良策略的有效性，而且给CRH5A 动车组在寒冷地区运行赋予了可靠的依照。

4.2 优化策略的实验结果与对比

在 CRH5A 动车组蓄电池性能衰减以及充电策略优化研究当中，实验结果显示，优化策略确实可以明显改善蓄电池在低温环境中的表现，通过比较分析可知，采用优化策略之后，蓄电池容量衰减率被有效地缩减。比如在 -20^∘ C 这样极端的低温环境下，传统的充电策略使得蓄电池的容量衰减率达到 25% ，而采用优化策略之后，衰减率下降到 10% ，这样就延长了蓄电池的使用寿命，并且提高了动车组的运行效率和可靠性。实验过程中所用到的充电策略优化模型依照电池的内阻以及温度特性展开，利用动态调节充电电流和电压的方法来对蓄电池充电过程实施精确控制。

4.3CRH5A 动车组蓄电池管理建议

对 CRH5A 动车组蓄电池应采取以下措施：一方面建立电动车组蓄电池性能衰减的预测模型，并且与现有的实时的环境数据相结合，可以动态地调节和修改充电策略；另一方面采用新的技术进行充电操作，诸如温度补偿、脉冲充电等，来适应于特殊的低温环境中的使用要求；再一方面就是采用智能控制的算法来进行蓄电池充电的过程中的自动化及智能化管控。全面提升 CRH5A 动车组蓄电池性能以及可靠性，为铁路运输安全、高效地运行保驾护航。

参考文献：

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[2] 左明洁 , 席振 , 毕福亮 , 关超 , 代毅 , 向超群 , 于天剑 .CRH380 型动车组镍镉蓄电池老化状态研究 [J]. 电气工程学报 ,2025,20(1):291-298.