低氣壓、低溫環(huán)境下電池選擇與維護

1、低氣壓、低溫環(huán)境下電池選擇與維護1.引言隨著計算機技術和自動化技術的快速發(fā)展，生活中需要穩(wěn)定供電系統(tǒng)的場合越來越多，同時對供電系統(tǒng)的可靠性和持久穩(wěn)定性要求也與日俱增。蓄電池作為一個穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，其應用范圍也越來越廣，比如計算機網絡系統(tǒng)、通信器材和電力電子設備。因此，蓄電池的選擇與維護越來越受到人們的重視，特別是在極端條件下蓄電池的選擇與維護。1.1 論題的來源隨著現代移動通信技術的快速發(fā)展，通信網絡規(guī)模的逐漸擴大，通信基站的建設越來越廣泛，蓄電池作為通信基站供電系統(tǒng)的重要組成部分，在通信基站電源系統(tǒng)建設中具有舉足輕重的地位，選擇合適的蓄電池電源，并對其實施科學的維護是蓄電池電源發(fā)揮作用的基石

2、，蓄電池電源的工程運用在通信基站的建設與維護過程中將發(fā)揮越來越重要的作用，特別是在我國偏遠山區(qū)，其環(huán)境惡劣，蓄電池的維護工作更是重中之重。圖1-1為通信蓄電池供電系統(tǒng)整體框圖。圖1-1為通信蓄電池供電系統(tǒng)整體框圖蓄電池是保障通信設備不間斷供電的核心設備，通信設備對供電質量的要求決定了對蓄電池設備的要求：(1) 使用壽命長從投資經濟性考慮，蓄電池的使用壽命必須與通信設備的更新周期相匹配，即10年左右。蓄電池的使用壽命與蓄電池工作環(huán)境以及循環(huán)充放電的頻次有關，充放電頻率越高，蓄電池使用壽命越短。(2) 安全性高蓄電池電解質為硫酸溶液，具有強腐蝕性。此外，對于密封蓄電池，蓄電池的電化學過程會產生氣體

3、，增加蓄電池內部壓力，壓力超過一定限度時會造成蓄電池爆裂，釋放出有毒、腐蝕性氣體、液體，因此蓄電池必須具備優(yōu)秀的安全防爆性能。一般密閉蓄電池都設有安全閥和防酸片，自動調節(jié)蓄電池內壓，防酸片具有阻液和防爆功能。1.2研究目的及意義我國是一個人口大國，同時面積巨大。警用多且分布廣泛，因此需要大量的蓄電池系統(tǒng)為止供電。合理的選擇蓄電池不僅可以節(jié)約電能、減少資源的浪費，而且可以提高人們的生活質量。正確的維護蓄電池可以減少它的更新換代，降低環(huán)境污染，促進經濟發(fā)展，更是響應了我國十二五規(guī)劃。因此，合理的選擇和維護蓄電池有著巨大的意義。1.3 蓄電池種類與工作原理(化學方程式等重要資料)、組成結構（1.帶圖

4、，2.什么電解液，）(1) 蓄電池的工作原理蓄電池是電池中的一種，它的作用是能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學能轉化為電能。把填滿海綿狀鉛的鉛板作為負極，把填滿二氧化鉛的鉛板作為正極，并用稀硫酸（1.28%）作為電解質。充電時，電能轉化為化學能，放電時化學能又轉化為電能。蓄電池在放電時，負極是金屬鉛，發(fā)生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；正極是二氧化鉛，發(fā)生還原反應，被還原為硫酸鉛。用直流電充給電池充電時，正極生成鉛，負極生成二氧化鉛。切斷電源后，它又恢復到放電前的狀態(tài)，組成化學電池。鉛蓄電池是能反復放電、充電的電池，又叫二次電池。它的電壓是2V，通常是把三個鉛蓄電池串聯

5、起來使用，電壓是6V。汽車上用的是12V的電池組（6個鉛蓄電池串聯成）。鉛蓄電池在使用一段時間后硫酸濃度增加，需要補充蒸餾水，使電解質保持含在2228%的稀硫酸。放電時，電極反應為：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O ；其特征為：單格電池電壓降到終止電壓和電解液密度下降到最小許可值，如圖1-2所示。 圖1-2 放電過程 圖1-3 充電過程充電時，負極反應： Pb + SO42- - 2e- = PbSO4 ；其特征為：電解液中有大量氣泡冒出，呈沸騰狀態(tài)和電解液密度和端電壓上升到規(guī)定值，且23小時保持不變，如圖3所示?？偡磻?PbO2 + Pb +

6、2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O（向右是放電，向左是充電）；(2) 蓄電池的組成蓄電池有以下幾部分組成：極板、隔板、電解液、殼體和極柱。如圖1-2所示。極板：極板是蓄電池得核心部分，蓄電池充、放電的化學反應主要依靠極板上的活性物質與電解液進行的。極板分正極板和負極板，由柵架和活性物質組成。柵架的作用固結活性物質。柵架一般由鉛銻合金鑄成，具有良好導電性、耐蝕性和一定機械強度。鉛占94%，銻占6%。加入銻是為了改善力學強度和燒鑄性能。為了增加耐腐蝕性，加入0.1%0.2%的砷，提高硬度與機械強度，增強抗變形能力，延長蓄電池使用壽命。 圖1-2 鉛蓄電池蓄結構隔板： 隔板插放在正、負極板

7、之間，防止正負極板互相接觸造成短路。隔板耐酸、具有多孔性，以利于電解液的滲透。常用的隔板材料有木質、微孔橡膠和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔徑小、孔率高和成本低，因此被廣泛采用。電解液： 電解液在蓄電池的化學反應中，起到離子間導電的作用，并參與蓄電池的化學反應。電解液由純硫酸（H2SO4）與蒸餾水按一定比例混合而成，其密度一般為1.231.31g/cm3。電解液的純度對蓄電池的電氣性能和使用壽命有重要影響，一般工業(yè)用硫酸和普通水中，含有鐵、銅等有害雜志，絕對不能加入到蓄電池中，否則自行放電，損壞極板。 殼體： 殼體勇于盛放電解液和極板組，應該耐酸、耐熱、耐震。殼體多采用硬橡膠或聚丙烯塑料制成，為整

8、體式結構，地步有凸起的肋條以擱置極板組。殼內由間壁分成3個或6個互不相通的單格，各單格之間用鉛質聯條串聯起來。(3) 蓄電池的種類按蓄電池極板結構分類：有形成式、涂膏式和管式蓄電池；按蓄電池蓋和結構分類：有開口式、排氣式、防酸隔爆式和密封閥控式蓄電池；按蓄電池維護方式分類：有普通式、少維護式、免維護式蓄電池。常用的蓄電池有下幾種：鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池有多年的歷史，被廣泛用于內燃機汽車的起動動力源。它是比較成熟的電動汽車蓄電池，它性能好、價格便宜、原材料容易得；比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它存在兩大缺點；一是比能量低，所占的體積和重量太大，況且充電一次行駛里程短；另一個是使用壽命

9、較短，使用成本偏高。鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池屬于堿性電池，鎳氫蓄電池循環(huán)使用壽命較長，無記憶效應，但價格較高。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。目前國外生產電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovonie、豐田和松下的一個合資公司。Ovonie現有80Ah和130Ah兩種單元電池，其比能量達7580Wh/kg，循環(huán)使用壽命也超過600次。這種蓄電池裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬多公里。由于價格較高，目前尚未大批量生產。國內已研發(fā)出55Ah和100Ah 單元電池，比能量達65 Wh/kg，功率密度

10、大于800W/kg的鎳氫蓄電池。鎳鎘電池鎳鎘電池的應用程度僅次于鉛酸蓄電池，其比能量可達55Wh/kg，比功率超過190W/kg。其壽命較長，循環(huán)使用，可快速充電，使用壽命是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達到2000多次，但價格也是鉛酸蓄電池的45倍。它的購置成本很高，但基于其在使用壽命和能量方面的優(yōu)勢，因此該電池長期的使用成本并不高。缺點是有“記憶效應”，容易因為充電、放電不良導致電池可用容量減小。需要在使用十次左右，作一次完全充放電，如果已經有了“記憶效應”，應連續(xù)作35次完全充放電，以釋放記憶。另外鎘有毒，要注意做好使用后的回收工作，以免鎘造成環(huán)境污染。鈉硫蓄電池鈉硫電池的優(yōu)點：一是比能量高。其

11、理論比能量為760Wh/kg，實際已大于100Wh/kg，是鉛酸電池的34倍；二是可高功率、大電流放電。其放電電流密度一般可達200300mA/mm2,并瞬時間可放出其3倍的固有能量；三是充電、放電效率較高。由于采用固體電解質，所以沒有采用普通液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100。鈉硫電池缺點，主要是該電池工作溫度在300350，所以，該電池工作時需要加熱保溫措施。高溫腐蝕較嚴重，電池壽命也較短?，F在已有采用高性能真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。也有性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題。在8090年代，國外重點發(fā)展鈉硫電池作為固定場所（如電站儲能方面）下應用

12、，越來越顯示其優(yōu)越性。這方面日本企業(yè)進展最為顯著。作為近期被普遍看好的電動汽車蓄電池，已被美國先進電池聯合體(USMABC)列為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池，德國ABB公司生產的B240K型鈉硫蓄電池，其質量為17.5kg，蓄電量19.2Kwh；比能量達109Wh/kg，循環(huán)使用壽命1200次，裝車試驗時最好的一輛無故障地行駛了2300km。鎳鋅蓄電池鎳鋅電池（新型密封）具有高質量能、功率和大電流放電的優(yōu)勢。這種鎳鋅電池優(yōu)勢能夠滿足電動車在一次充電行程、加速、爬坡等方面對能量的需求。鎳鋅蓄電池是美國國家能源研究公司(ERC)開發(fā)和生產的產品，我國廈門電池總廠已與其合作引進了此產品。鎳鋅電池是具有較

13、大競爭力的電池。其優(yōu)點是其比能量達到50Wh/k以上，體積和能量已超過鎳鎘電池，小于鎳氫電池。電池的電壓將在寬廣的范圍是平衡的，且具很長的使用壽命，循環(huán)壽命500次。充電時間3.5h，快速充電1h。特別值得一提的是自放電抗電荷量衰減性十分好，在室溫下一個月，自放電量不到30%額定電荷量。在50高溫，以C/3放電，電池電荷量衰減10%額定電荷量，而在15，C/3放電30%。鎳鋅電池與鉛酸電池在外廓上有很好的兼容性，凡現在應用鉛酸電池的車輛，均可換用鎳鋅電池。從現在的價格看，鎳鋅還顯稍貴些，但相信該蓄電池應用量提高后，價格便會降下來。與鉛酸電池外形輪廓的兼容性，電動車的理想動力電源可以由鎳鋅電池來

14、代替鉛酸蓄電池。鋅空氣蓄電池鋅空氣電池又稱鋅氧電池，是金屬空氣電池的一種。鋅空氣電池比能理論值是1350Wh/kg，現在的比能量已達到了230Wh/kg，幾乎是鉛酸電池的8倍?？梢婁\空氣電池的發(fā)展空間非常大。鋅空氣電池只能采取抽換鋅電極的辦法進行“機械式充電”。更換電極的時間非?？?，在3min即可完成。新的鋅電極，“充電”時間極短，非常方便。如此種電池得到發(fā)展，便可省去充電站等社會保障設施的興建。鋅電極可在超市、汽配商店、電池經營點等購買，此電池的普及對電動車十分有利。這種電池具有電荷容量大、體積小、重量小，能在寬廣的溫度范圍內正常工作，且無腐蝕，工作安全可靠，成本低廉等優(yōu)點。現在對該電池的電

15、荷容量進行了實驗，僅是鉛酸電池的5倍，沒有達到預計的效果，不是很理想。高于鉛酸電池電荷量5倍的鋅空氣蓄電池已引起了世人的關注，美國、新加坡、墨西哥及一些歐洲國 家都已在公共汽車、郵政車、摩托車上進行試用，是很有前途的電池。2 蓄電池與氣溫氣壓的關系蓄電池的放電容量是指在放電允許的范圍內蓄電池輸出的電量；蓄電池的容量預放電電流大小及電解液的溫度有關，因此標稱容量是在一定的放電電流、一定的終止電壓和一定的電解液溫度下取得的，標容量有兩種；額定容量是指完全充足電的蓄電池在電解液平均溫度30 的情況下，以20小時率放電的電流（相當于額定容量的1/20）連續(xù)放電至單格1.75V說輸出的電量。依據我國標準

16、,閥控式密封鉛酸蓄電池放電時,若溫度不是標準溫度(25),則需將實測電量換算成標準的實際電量Ce，即 Ce=Cr/1+K(t-25) 。式中:C r非標準溫度下電池放電量; t放電的環(huán)境溫度; K溫度系數,10小時率容量試驗時K=0.006/,3小時率容量試驗時K=0.008/,2小時率容量試驗時K=0.0085/,1小時率容量試驗時K=0.01/。 例如:一個標稱10AH的電池,以2小時率放電,在不同的環(huán)境溫度條件下按照1式計算,電池容量如表1。實測電池容量,在-10條件下接近于準確,在-10以下時,容量下降比表1的數值還要低。表1 在不同溫度下電池的容量 溫度() -25 -20 -15

17、-10 -5 0 5 容量(Ah) 5.75 6.186.6 7.03 7.45 7.88 8.3溫度()10 15 20 25 30 35 40容量(Ah) 8.73 9.159.58 10 10.43 10.85 11.28 2.1 溫度與蓄電池的關系(1) 溫度對電池內阻的影響 在030環(huán)境溫度下放電,電池的內阻隨溫度升高而降低,反之蓄電池溫度降低時,電池內的阻力就會增大,電池內阻力與溫度呈直線變化關系.所以電池放電工作溫度在030范圍時，電解液的導電性較好,同時電解液中氫離子和硫酸根離子向活性物質擴散速度也較快,這不僅改善了濃差極化影響,又提高了電極反應速度,進一步改善了電化學極化的影

18、響,所以蓄電池放電量增多。 當外部環(huán)境溫度降到0以下時,每降低10,蓄電池內阻力約增大15%左右,因為硫酸溶液粘度變大,所以增大了硫酸溶液比電阻,而加重了電極極化影響.蓄電池容量會明顯減小. (2) 溫度對充放電的影響 反復進行低壓恒壓充電和放電循環(huán)實驗,開始由于電池存在熱傳導,所以溫度并不高,若反復地進行充放電循環(huán),電解液溫度就會升很高. 如果在低溫下充電,電流擴散密度明顯減小,而交換電流密度減小不多,所以濃差極化加劇,則引起充電效率降低。另一方面上次放電的硫酸鉛在低溫下的飽和度,又使電池充放電反應阻力增加,因而進一步降低了充電效率。倘若電池在10以上的環(huán)境溫度下充電,極化作用明顯減小,硫酸

19、鉛溶解速率和溶解度都可提高,加之在較高溫度下氧擴散速率也增大,在這些在綜合因素影響下使電池充放電效率提高. 由于低溫下的充電能力是與充電前電池狀態(tài)有關的。試驗表明，如在-18下要獲得最好的充電效率，要求上次放電做到： (1)低溫下快速放電。(2)放電到充電之間的開路存放溫度越低越好.在這種條件下生成的硫酸鉛顆粒最小,而且又來不及重新結晶長大,所以一旦被充電時,硫酸鉛具有較大的溶解速率。2.2 氣壓與蓄電池的關系(1) 氣壓對電池內阻的影響 在030hpa氣壓下放電,蓄電池內阻力隨氣壓升高而升高,反之蓄電池氣壓降低時,電池的內阻力就會減小,電池內阻與氣壓呈直線變化關系.所以電池放電工作氣壓在03

20、0hpa范圍內，電解液的導電性較好,同時電解液中氫離子和硫酸根離子向活性物質擴散速度也較高,這不僅改善了濃差極化影響,又使電極反應速度提高,進一步改善了電化學極化的影響,所以蓄電池放電量增多. 當氣壓每降低10hpa,內阻約減小15%左右,因為硫酸溶液粘度變大,所以增大了硫酸溶液比電阻,而加重了電極極化影響.蓄電池容量會明顯減小. (2) 氣壓對充放電的影響 反復進行低壓恒壓充電和放電循環(huán)工作實驗,開始由于電池存在熱傳導,所以氣壓并不低,若反復地進行充放電循環(huán),電解液會很低. 倘若在低氣壓下充電,擴散電流密度明顯增加,而交換電流密度增加不多,所以濃差極化加劇,則引起充電效率的降低.另一方面上次

21、放電的硫酸鉛在低氣壓下的飽和度,又使電池充放電反應阻力減小,因而進一步增加了充電效率. 倘若電池在10hpa以上的環(huán)境氣壓下充電,極化作用明顯增大,硫酸鉛溶解速率和溶解度都可降低,加之在較高氣壓下氧擴散速率也減小,在這些在綜合因素影響下使電池充放電效率提高. 由于高氣壓下的充電能力是與充電前電池狀態(tài)有關.3 常規(guī)低溫、低氣壓環(huán)境下蓄電池使用的問題蓄電池的壽命可分為循環(huán)壽命、浮充壽命和存放壽命。蓄電池的容量減小到規(guī)定值以前，蓄電池的充放電循環(huán)次數稱為循環(huán)壽命。在正常工作條件下，蓄電池浮充供電的時間，稱為浮充壽命。通常免維護電池的浮充壽命可達到 10 年以上。循環(huán)壽命與電池每次放電的深度有密切關系

22、。放電深度為 30%時，充放電循環(huán)次數可達 1200 次；放電深度為 100%時，循環(huán)壽命僅有 200 次。因此使用中應當盡量避免電池深度放電。根據加速壽命試驗的結果，免維護閥控電池在室溫下，浮充壽命可達 10 年以上。應當說明，浮充電壓過高或過低，會使蓄電池過充電或欠充電，因而將影響電池的壽命。由于自放電作用，存放過程中，免維護電池的剩余容量將逐淅減少，通常，電池剩余容量下降到 50%的時間，稱為存放壽命。在不同的溫度下，電池的剩余容量與存放時間有一個對應的關系。當環(huán)境溫度為 25時，存放壽命可達18個月。當環(huán)境溫度為 40時，存放壽命只有 5 個多月，因此免維護電池的存放溫度不能太高。蓄電

23、池的使用壽命與環(huán)境溫度關系很大。通常來說，若以 25為基準，平時不能超過+15 度+30 度。溫度升高，電池組放電容量會增加，但壽命降低，如果在高溫下長期使用，工作環(huán)境溫度每上升 10，蓄電池的使用生命減半。若溫度太低，會使蓄電池容量下降，溫度每下降 1 度，其容量下降 1%。所以，當電源處于浮充工作狀態(tài)時，需要通過降低浮充電壓來進行補償，補償系數為環(huán)境溫度每上升 10，每節(jié)電池單體的浮充電壓降低 3-5mV。但是溫度補償功能只能在一定的范圍內起作用，蓄電池最好是工作在 20-25的環(huán)境下。如果蓄電池電壓在放出其額定容量 80%之前已低于1.8V/單格，則應考慮加以更換。4 探討提高蓄電池效能

24、的方法 1低電壓保護與二次下電措施要求電源系統(tǒng)的功能要全面，如具備定時均充、二次下電、溫度補償、無級限流等功能，同時必須建立完善的電源維護體系。除了定時均充外，蓄電池的日常管理的內容也是非常多的，包括低電壓保護、二次下電、溫度補償、無級限流等等，這些措施可以保證蓄電池處于良好的使用狀態(tài)，延長其使用壽命。蓄電池在輸出能量時，其兩端電壓不斷下降，當下降到一定值的時候，就必須斷掉其能量輸出回路，否則可能導致蓄電池過放電，使其壽命縮短甚至報廢。這種在終止電壓時，使蓄電池斷掉負載防止過放電的動作和措施，叫做低電壓保護。二次下電比低電壓保護更進一步。當電池兩端電壓降到一定值時，就斷掉一部分次要負載，只給剩

25、下的主要負載供電。之后當電壓下降到終止電壓時，則將主要負載也斷掉，實現對蓄電池的保護。這種兩級斷開負載的動作和措施即為二次下電。二次下電的好處是在保證蓄電池不過放電的同時，可以給重要設備提供更長的供電時間，盡量減少通信中斷的損失。如果需要實現系統(tǒng)的二次下電功能，開局時，須將直流輸出負載分成主要和次要負載，接到相應的分路上。先進的電源設備的二次下電功能非常靈活，可以隨意調節(jié)一、二次下電的電壓，并且可以設置成不做二次下電和低電壓保護，滿足優(yōu)先保障通信的需求。2蓄電池組的充放電維護常用的正常充電法有：恒流充電法、恒壓充電法和分級定流充電法等。采用恒流充電法時，充電電流始終保持不變。在充電過程中，蓄電

26、池的端電壓逐漸升高，為了保持充電電流穩(wěn)定不變，外電源的電壓必須逐漸升高。采用這種方法，充電時間較短，但是由于充電末期，大部分充電電流都用來電解水，所以蓄電池中將產生大量的氣泡。這樣不僅浪費了電能，而且還會使極板上的活性物質脫落，因此這種方法較少采用。采用恒壓充電法時，外電源的電壓保持恒定。在整個充電過程中，由于電源電壓保持不變，所以剛充電時，充電流相當大，隨著蓄電池端電壓不斷升高，充電電流逐漸減小。因此，采用這種充電方法時，可以避免蓄電池過量充電，但是由于充電初期，充電電流過大，所以也有可能損壞極板。目前比較常用的正常充電法是分級定流充電法。采用這種充電法時，充電過程一般分為兩個階段：第一個階

27、段用 10小時率電流充電，通常需要 6-7 小時，單只蓄電池的端電壓可上升到 2.4V。第二階段用 20 小時率電流充電，直到端電壓（2.6-2.8V）連續(xù)兩小時穩(wěn)定不變?yōu)橹?，這一階段約需要14-17 小時。3. 充分利用監(jiān)控遙測功能，及時掌握電池組的浮充電壓、電流、殼溫等參數是否處于正常狀態(tài)，發(fā)現問題及時處理；做好浮充狀態(tài)下各單體電池端電壓數據分析工作，當發(fā)現電池組中有兩只以上單體端電壓2.20V 時，應立即進行均衡充電或單體補充電。4. 按照維護規(guī)程要求，及時做好月、季、年檢項目維護工作和定期的容量試驗工作。應保持完整的蓄電池運行記錄，蓄電池在正常運行期間，測量數據應包括有單體電池電壓、蓄電池總電壓、環(huán)境溫度、電池溫度、浮充電流等（每周做一次），應保持完整的電池履歷 5結論如何合理的選擇警用蓄電池以及延長蓄電池供電時間和使用壽命，提高資源的利用率，目前是警用蓄電池維護共同關注的焦點，熱點問題，因此本文僅從蓄電池的的原理出發(fā)，詳細闡述了溫度和氣壓對蓄電池的影響；分析了幾個常規(guī)維護手段方法分析在警用日常維護中應避免使用原有維護手段?？傊?，對警用蓄電池的維護與保養(yǎng)決不能掉以輕心，做好蓄電池的維護工作，可以減少蓄電池的故障