低气压、低温环境下电池选择与维护

　　随着计算机技术和自动化技术的快速发展，生活中需要稳定供电系统的场合越来越多，同时对供电系统的可靠性和持久稳定性要求也与日俱增。蓄电池作为一个稳定的电源系统，其应用范围也越来越广，比如计算机网络系统、通信器材和电力电子设备。因此，蓄电池的选择与维护越来越受到人们的重视，特别是在极端条件下蓄电池的选择与维护。

　　随着现代移动通信技术的快速发展，通信网络规模的逐渐扩大，通信基站的建设越来越广泛，蓄电池作为通信基站供电系统的重要组成部分，在通信基站电源系统建设中具有举足轻重的地位，选择合适的蓄电池电源，并对其实施科学的维护是蓄电池电源发挥作用的基石，蓄电池电源的工程运用在通信基站的建设与维护过程中将发挥越来越重要的作用，特别是在我国偏远山区，其环境恶劣，蓄电池的维护工作更是重中之重。图1-1为通信蓄电池供电系统整体框图。

　　图1-1为通信蓄电池供电系统整体框图

　　蓄电池是保障通信设备不间断供电的核心设备，通信设备对供电质量的要求决定了对蓄电池设备的要求：

　　(1)使用寿命长

　　从投资经济性考虑，蓄电池的使用寿命必须与通信设备的更新周期相匹配，即10年左右。蓄电池的使用寿命与蓄电池工作环境以及循环充放电的频次有关，充放电频率越高，蓄电池使用寿命越短。

　　(2)安全性高

　　蓄电池电解质为硫酸溶液，具有强腐蚀性。此外，对于密封蓄电池，蓄电池的电化学过程会产生气体，增加蓄电池内部压力，压力超过一定限度时会造成蓄电池爆裂，释放出有毒、腐蚀性气体、液体，因此蓄电池必须具备优秀的安全防爆性能。一般密闭蓄电池都设有安全阀和防酸片，自动调节蓄电池内压，防酸片具有阻液和防爆功能。

　　我国是一个人口大国，同时面积巨大。警用多且分布广泛，因此需要大量的蓄电池系统为止供电。合理的选择蓄电池不仅可以节约电能、减少资源的浪费，而且可以提高人们的生活质量。正确的维护蓄电池可以减少它的更新换代，降低环境污染，促进经济发展，更是响应了我国十二五规划。因此，合理的选择和维护蓄电池有着巨大的意义。

　　(1)蓄电池的工作原理

　　蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。

　　把填满海绵状铅的铅板作为负极，把填满二氧化铅的铅板作为正极，并用稀硫酸（1.28%）作为电解质。充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。蓄电池在放电时，负极是金属铅，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；正极是二氧化铅，发生还原反应，被还原为硫酸铅。用直流电充给电池充电时，正极生成铅，负极生成二氧化铅。切断电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复放电、充电的电池，又叫二次电池。它的电压是2V，通常是把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是12V的电池组（6个铅蓄电池串联成）。铅蓄电池在使用一段时间后硫酸浓度增加，需要补充蒸馏水，使电解质保持含在22～28%的稀硫酸。

　　放电时，电极反应为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O；其特征为：单格电池电压降到终止电压和电解液密度下降到最小许可值，如图1-2所示。

　　图1-2放电过程图1-3充电过程

　　充电时，负极反应：Pb+SO42–2e-=PbSO4；其特征为：电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态和电解液密度和端电压上升到规定值，且2～3小时保持不变，如图3所示。

　　总反应：PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O（向右是放电，向左是充电）；

　　(2)蓄电池的组成

　　蓄电池有以下几部分组成：极板、隔板、电解液、壳体和极柱。如图1-2所示。

　　极板：极板是蓄电池得核心部分，蓄电池充、放电的化学反应主要依靠极板上的活性物质与电解液进行的。极板分正极板和负极板，由栅架和活性物质组成。栅架的作用固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好导电性、耐蚀性和一定机械强度。铅占94%，锑占6%。加入锑是为了改善力学强度和烧铸性能。为了增加耐腐蚀性，加入0.1%~0.2%的砷，提高硬度与机械强度，增强抗变形能力，延长蓄电池使用寿命。

　　隔板：隔板插放在正、负极板之间，防止正负极板互相接触造成短路。隔板耐酸、具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔径小、孔率高和成本低，因此被广泛采用。

　　电解液：电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由纯硫酸（H2SO4）与蒸馏水按一定比例混合而成，其密度一般为1.23~1.31g/cm3。电解液的纯度对蓄电池的电气性能和使用寿命有重要影响，一般工业用硫酸和普通水中，含有铁、铜等有害杂志，绝对不能加入到蓄电池中，否则自行放电，损坏极板。

　　壳体：壳体勇于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成，为整体式结构，地步有凸起的肋条以搁置极板组。壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格，各单格之间用铅质联条串联起来。

　　(3)蓄电池的种类

　　按蓄电池极板结构分类：有形成式、涂膏式和管式蓄电池；按蓄电池盖和结构分类：有开口式、排气式、防酸隔爆式和密封阀控式蓄电池；按蓄电池维护方式分类：有普通式、少维护式、免维护式蓄电池。常用的蓄电池有下几种：

　　◆铅酸蓄电池

　　铅酸蓄电池有１００多年的历史，被广泛用于内燃机汽车的起动动力源。它是比较成熟的电动汽车蓄电池，它性能好、价格便宜、原材料容易得；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它存在两大缺点；一是比能量低，所占的体积和重量太大，况且充电一次行驶里程短；另一个是使用寿命较短，使用成本偏高。

　　◆镍氢蓄电池

　　镍氢蓄电池属于碱性电池，镍氢蓄电池循环使用寿命较长，无记忆效应，但价格较高。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie、丰田和松下的一个合资公司。Ovonie现有80A•h和130A•h两种单元电池，其比能量达75－80W•h/kg，循环使用寿命也超过600次。这种蓄电池装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345km，有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。国内已研发出55A•h和100A•h单元电池，比能量达65 W•h/kg，功率密度大于800W/kg的镍氢蓄电池。

　　◆镍镉电池

　　镍镉电池的应用程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55W•h/kg，比功率超过190W/kg。其寿命较长，循环使用，可快速充电，使用寿命是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格也是铅酸蓄电池的4～5倍。它的购置成本很高，但基于其在使用寿命和能量方面的优势，因此该电池长期的使用成本并不高。缺点是有“记忆效应”，容易因为充电、放电不良导致电池可用容量减小。需要在使用十次左右，作一次完全充放电，如果已经有了“记忆效应”，应连续作3～5次完全充放电，以释放记忆。另外镉有毒，要注意做好使用后的回收工作，以免镉造成环境污染。

　　◆钠硫蓄电池

　　钠硫电池的优点：一是比能量高。其理论比能量为760W•h/kg，实际已大于100W•h/kg，是铅酸电池的3～4倍；二是可高功率、大电流放电。其放电电流密度一般可达200～300mA/mm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量；三是充电、放电效率较高。由于采用固体电解质，所以没有采用普通液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100％。钠硫电池缺点，主要是该电池工作温度在300～350℃，所以，该电池工作时需要加热保温措施。高温腐蚀较严重，电池寿命也较短。现在已有采用高性能真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。在80～90年代，国外重点发展钠硫电池作为固定场所（如电站储能方面）下应用，越来越显示其优越性。这方面日本企业进展最为显著。作为近期被普遍看好的电动汽车蓄电池，已被X先进电池联合体(USMABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5kg，蓄电量19.2Kw•h；比能量达109W•h/kg，循环使用寿命1200次，装车试验时最好的一辆无故障地行驶了2300km。

　　◆镍锌蓄电池

　　镍锌电池（新型密封）具有高质量能、功率和大电流放电的优势。这种镍锌电池优势能够满足电动车在一次充电行程、加速、爬坡等方面对能量的需求。镍锌蓄电池是X国家能源研究公司(ERC)开发和生产的产品，我国厦门电池总厂已与其合作引进了此产品。镍锌电池是具有较大竞争力的电池。其优点是其比能量达到50Wh/k以上，体积和能量已超过镍镉电池，小于镍氢电池。电池的电压将在宽广的范围是平衡的，且具很长的使用寿命，循环寿命≥500次。充电时间≤3.5h，快速充电≤1h。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性十分好，在室温下一个月，自放电量不到30%额定电荷量。在50℃高温，以C/3放电，电池电荷量衰减≤10%额定电荷量，而在－15℃，C/3放电≤30%。镍锌电池与铅酸电池在外廓上有很好的兼容性，凡现在应用铅酸电池的车辆，均可换用镍锌电池。从现在的价格看，镍锌还显稍贵些，但相信该蓄电池应用量提高后，价格便会降下来。与铅酸电池外形轮廓的兼容性，电动车的理想动力电源可以由镍锌电池来代替铅酸蓄电池。

　　◆锌空气蓄电池

　　锌空气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池比能理论值是1350W•h/kg，现在的比能量已达到了230Wh/kg，几乎是铅酸电池的8倍。可见锌空气电池的发展空间非常大。锌空气电池只能采取抽换锌电极的办法进行“机械式充电”。更换电极的时间非常快，在3min即可完成。新的锌电极，“充电”时间极短，非常方便。如此种电池得到发展，便可省去充电站等社会保障设施的兴建。锌电极可在超市、汽配商店、电池经营点等购买，此电池的普及对电动车十分有利。这种电池具有电荷容量大、体积小、重量小，能在宽广的温度范围内正常工作，且无腐蚀，工作安全可靠，成本低廉等优点。现在对该电池的电荷容量进行了实验，仅是铅酸电池的5倍，没有达到预计的效果，不是很理想。高于铅酸电池电荷量5倍的锌空气蓄电池已引起了世人的关注，X、新加坡、墨西哥及一些欧洲国家都已在公共汽车、邮政车、摩托车上进行试用，是很有前途的电池。

　　蓄电池的放电容量是指在放电允许的范围内蓄电池输出的电量；蓄电池的容量预放电电流大小及电解液的温度有关，因此标称容量是在一定的放电电流、一定的终止电压和一定的电解液温度下取得的，标容量有两种；额定容量是指完全充足电的蓄电池在电解液平均温度30℃的情况下，以20小时率放电的电流（相当于额定容量的1/20）连续放电至单格1.75V说输出的电量。

　　依据我国标准,阀控式密封铅酸蓄电池放电时,若温度不是标准温度(25℃),则需将实测电量换算成标准的实际电量Ce，即Ce=Cr/[1+K(t-25)]。

　　式中:C r—非标准温度下电池放电量;t—放电的环境温度;K——温度系数,10小时率容量试验时K=0.006/℃,3小时率容量试验时K=0.008/℃,2小时率容量试验时K=0.0085/℃,1小时率容量试验时K=0.01/℃。

　　例如:一个标称10AH的电池,以2小时率放电,在不同的环境温度条件下按照1式计算,电池容量如表1。实测电池容量,在-10℃条件下接近于准确,在-10℃以下时,容量下降比表1的数值还要低。

　　表1在不同温度下电池的容量

　　温度(℃)-25-20-15-10-5 0 5

　　容量(Ah)5.75 6.18 6.6 7.03 7.45 7.88 8.3

　　温度(℃)10 15 20 25 30 35 40

　　容量(Ah)8.73 9.15 9.58 10 10.43 10.85 11.28

　　(1)温度对电池内阻的影响

　　在0℃~30℃环境温度下放电,电池的内阻随温度升高而降低,反之蓄电池温度降低时,电池内的阻力就会增大,电池内阻力与温度呈直线变化关系.所以电池放电工作温度在0℃~30℃范围时，电解液的导电性较好,同时电解液中氢离子和硫酸根离子向活性物质扩散速度也较快,这不仅改善了浓差极化影响,又提高了电极反应速度,进一步改善了电化学极化的影响,所以蓄电池放电量增多。

　　当外部环境温度降到0℃以下时,每降低10℃,蓄电池内阻力约增大15%左右,因为硫酸溶液粘度变大,所以增大了硫酸溶液比电阻,而加重了电极极化影响.蓄电池容量会明显减小.

　　(2)温度对充放电的影响

　　反复进行低压恒压充电和放电循环实验,开始由于电池存在热传导,所以温度并不高,若反复地进行充放电循环,电解液温度就会升很高.如果在低温下充电,电流扩散密度明显减小,而交换电流密度减小不多,所以浓差极化加剧,则引起充电效率降低。另一方面上次放电的硫酸铅在低温下的饱和度,又使电池充放电反应阻力增加,因而进一步降低了充电效率。倘若电池在10℃以上的环境温度下充电,极化作用明显减小,硫酸铅溶解速率和溶解度都可提高,加之在较高温度下氧扩散速率也增大,在这些在综合因素影响下使电池充放电效率提高.由于低温下的充电能力是与充电前电池状态有关的。试验表明，如在-18℃下要获得最好的充电效率，要求上次放电做到：

　　(1)低温下快速放电。

　　(2)放电到充电之间的开路存放温度越低越好.在这种条件下生成的硫酸铅颗粒最小,而且又来不及重新结晶长大,所以一旦被充电时,硫酸铅具有较大的溶解速率。

　　(1)气压对电池内阻的影响

　　在0~30hpa气压下放电,蓄电池内阻力随气压升高而升高,反之蓄电池气压降低时,电池的内阻力就会减小,电池内阻与气压呈直线变化关系.所以电池放电工作气压在0~30hpa范围内，电解液的导电性较好,同时电解液中氢离子和硫酸根离子向活性物质扩散速度也较高,这不仅改善了浓差极化影响,又使电极反应速度提高,进一步改善了电化学极化的影响,所以蓄电池放电量增多.

　　当气压每降低10hpa,内阻约减小15%左右,因为硫酸溶液粘度变大,所以增大了硫酸溶液比电阻,而加重了电极极化影响.蓄电池容量会明显减小.

　　(2)气压对充放电的影响

　　反复进行低压恒压充电和放电循环工作实验,开始由于电池存在热传导,所以气压并不低,若反复地进行充放电循环,电解液会很低.倘若在低气压下充电,扩散电流密度明显增加,而交换电流密度增加不多,所以浓差极化加剧,则引起充电效率的降低.另一方面上次放电的硫酸铅在低气压下的饱和度,又使电池充放电反应阻力减小,因而进一步增加了充电效率.倘若电池在10hpa以上的环境气压下充电,极化作用明显增大,硫酸铅溶解速率和溶解度都可降低,加之在较高气压下氧扩散速率也减小,在这些在综合因素影响下使电池充放电效率提高.由于高气压下的充电能力是与充电前电池状态有关.

　　3常规低温、低气压环境下蓄电池使用的问题

　　蓄电池的寿命可分为循环寿命、浮充寿命和存放寿命。蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常工作条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。通常免维护电池的浮充寿命可达到10年以上。循环寿命与电池每次放电的深度有密切关系。放电深度为30%时，充放电循环次数可达1200次；放电深度为100%时，循环寿命仅有200次。因此使用中应当尽量避免电池深度放电。根据加速寿命试验的结果，免维护阀控电池在室温下，浮充寿命可达10年以上。应当说明，浮充电压过高或过低，会使蓄电池过充电或欠充电，因而将影响电池的寿命。由于自放电作用，存放过程中，免维护电池的剩余容量将逐淅减少，通常，电池剩余容量下降到50%的时间，称为存放寿命。在不同的温度下，电池的剩余容量与存放时间有一个对应的关系。当环境温度为25℃时，存放寿命可达18个月。当环境温度为40℃时，存放寿命只有5个多月，因此免维护电池的存放温度不能太高。蓄电池的使用寿命与环境温度关系很大。通常来说，若以25℃为基准，平时不能超过+15度～+30度。温度升高，电池组放电容量会增加，但寿命降低，如果在高温下长期使用，工作环境温度每上升10℃，蓄电池的使用生命减半。若温度太低，会使蓄电池容量下降，温度每下降1度，其容量下降1%。所以，当电源处于浮充工作状态时，需要通过降低浮充电压来进行补偿，补偿系数为环境温度每上升10℃，每节电池单体的浮充电压降低3-5mV。但是温度补偿功能只能在一定的范围内起作用，蓄电池最好是工作在20-25℃的环境下。如果蓄电池电压在放出其额定容量80%之前已低于1.8V/单格，则应考虑加以更换。

　　要求电源系统的功能要全面，如具备定时均充、二次下电、温度补偿、无级限流等功能，同时必须建立完善的电源维护体系。除了定时均充外，蓄电池的日常管理的内容也是非常多的，包括低电压保护、二次下电、温度补偿、无级限流等等，这些措施可以保证蓄电池处于良好的使用状态，延长其使用寿命。蓄电池在输出能量时，其两端电压不断下降，当下降到一定值的时候，就必须断掉其能量输出回路，否则可能导致蓄电池过放电，使其寿命缩短甚至报废。这种在终止电压时，使蓄电池断掉负载防止过放电的动作和措施，叫做低电压保护。二次下电比低电压保护更进一步。当电池两端电压降到一定值时，就断掉一部分次要负载，只给剩下的主要负载供电。之后当电压下降到终止电压时，则将主要负载也断掉，实现对蓄电池的保护。这种两级断开负载的动作和措施即为二次下电。二次下电的好处是在保证蓄电池不过放电的同时，可以给重要设备提供更长的供电时间，尽量减少通信中断的损失。如果需要实现系统的二次下电功能，开局时，须将直流输出负载分成主要和次要负载，接到相应的分路上。先进的电源设备的二次下电功能非常灵活，可以随意调节一、二次下电的电压，并且可以设置成不做二次下电和低电压保护，满足优先保障通信的需求。

　　常用的正常充电法有：恒流充电法、恒压充电法和分级定流充电法等。采用恒流充电法时，充电电流始终保持不变。在充电过程中，蓄电池的端电压逐渐升高，为了保持充电电流稳定不变，外电源的电压必须逐渐升高。采用这种方法，充电时间较短，但是由于充电末期，大部分充电电流都用来电解水，所以蓄电池中将产生大量的气泡。这样不仅浪费了电能，而且还会使极板上的活性物质脱落，因此这种方法较少采用。采用恒压充电法时，外电源的电压保持恒定。在整个充电过程中，由于电源电压保持不变，所以刚充电时，充电流相当大，随着蓄电池端电压不断升高，充电电流逐渐减小。因此，采用这种充电方法时，可以避免蓄电池过量充电，但是由于充电初期，充电电流过大，所以也有可能损坏极板。目前比较常用的正常充电法是分级定流充电法。采用这种充电法时，充电过程一般分为两个阶段：第一个阶段用10小时率电流充电，通常需要6-7小时，单只蓄电池的端电压可上升到2.4V。第二阶段用20小时率电流充电，直到端电压（2.6-2.8V）连续两小时稳定不变为止，这一阶段约需要14-17小时。

　　3.充分利用监控遥测功能，及时掌握电池组的浮充电压、电流、壳温等参数是否处于正常状态，发现问题及时处理；做好浮充状态下各单体电池端电压数据分析工作，当发现电池组中有两只以上单体端电压≤2.20V时，应立即进行均衡充电或单体补充电。

　　4.按照维护规程要求，及时做好月、季、年检项目维护工作和定期的容量试验工作。应保持完整的蓄电池运行记录，蓄电池在正常运行期间，测量数据应包括有单体电池电压、蓄电池总电压、环境温度、电池温度、浮充电流等（每周做一次），应保持完整的电池履历

　　如何合理的选择警用蓄电池以及延长蓄电池供电时间和使用寿命，提高资源的利用率，目前是警用蓄电池维护共同关注的焦点，热点问题，因此本文仅从蓄电池的的原理出发，详细阐述了温度和气压对蓄电池的影响；分析了几个常规维护手段方法分析在警用日常维护中应避免使用原有维护手段。

　　总之，对警用蓄电池的维护与保养决不能掉以轻心，做好蓄电池的维护工作，可以减少蓄电池的故障，提高其稳定性。通过对电池的维护可以提高电池的使用寿命。以往的维护，一般都是将一组电池全部更换，这样做浪费很大。实践中我们发现，更换的一组电池中多半电池单元是可以再利用的，只有少数电池单元不可靠。因此，将能利用的电池再利用可以节约资金，降低成本。随着电源的不断发展，智能化程度越来越高，对电池组的充放电、过压、过流等现象，都可以进行实时监控，从而可减少不必要的损失，提高蓄电池的可维护性，为自控系统的稳定运行，为稳定生产提供可靠的保障。只有正确地使用它，好好地保养它，才能使其始终保持在良好的运行状态，有效地延长其使用寿命，更好地为设备提供充足的备用电源。

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