提高抢险、减灾设备启动可靠性的解决方案

王伟 郑全
（广州三业科技有限公司 广州 501220）

摘要：基于我国目前的机制（如三防设备的日常管理与紧急调用制度），不可能要满足上述的保养要求。那么，多种因素如：电解液的添加、存放环境温度、存放时间长短、充电质量、放电深度等都会直接影响蓄启动电池的寿命甚至完全失效。当然抗旱设备可以因更换新电池而耽误半天到现场。而关乎生命的城市抢险救援，则是争分夺秒！那么如何能确保应急设备随时能被调用而且成功排险,本文将探讨一种提高抢险、减灾设备启动可靠性的解决方案。
关键词：超级蓄电池 内燃机启动 启动可靠性 蓄电池内阻 蓄电池寿命 
0 引言
  随着政府各级别应急预案的制定与实施、应急产业应运得到高速发展。各种由内燃机拖动的应急抢险、减灾设备大量供应市场。因内燃机拖动的应急抢险、减灾设备具有大功率、独立运行而不需依靠市电及可移动的优点得到广泛的应用。但内燃机设备的可靠性一直受到质疑，其焦点均集中在其动力：发动机的启动问题上，而启动失败的原因大多是由蓄电池的故障引致。蓄电池突然没电是一个让人猝不及防而又束手无策的问题。相信大部分的汽车用户都有意外抛锚的经历。特别是长期库存而又紧急调用的应急设备，可靠性如何保证！ 纵观国内/外对应急用途的汽车与动力设备的启动蓄电池均有严格的保养规范：要求备用设备的蓄电池长期处于浮充状态，并须经常检查蓄电池的容量与内阻。但基于我国目前的机制（如三防设备的日常管理与紧急调用制度），不可能要满足上述的保养要求。那么，多种因素如：电解液的添加、存放环境温度、存放时间长短、充电质量、放电深度等都会直接影响蓄启动电池的寿命甚至完全失效。当然抗旱设备可以因更换新电池而耽误半天到现场。而关乎生命的城市抢险救援，则是争分夺秒！那么如何能确保应急设备随时能被调用而且成功排险,本文将探讨一种提高抢险、减灾设备启动可靠性的解决方案。

1 首先让我们分析启动型铅酸蓄电池的常见故障现象及正确理解故障的因果：
  1.1 一组合理配置与保养良好的启动型铅酸蓄电池大多可以有拥有两到叁年或几百到千次的启动寿命。但一般的用户，特别是应急设备的用户，却很难预测蓄电池寿命的终结，一般都是出问题后才去处理，从而导致事故的发生；
  1.2 蓄电池最怕低温，低温环境下蓄电池的化学反应相对缓慢而导致容量比常温时要低。而且发动机在低温的情况下润滑油的黏度增加、启动时机械部件的摩擦力增加、点火能力下降等导致需求更大的启动扭矩及连续启动的时间，所以常温下正常的启动系统在气温突然下降后可能无法运行。
  1.3 在没有充电保养的高温环境存放蓄电池则是致命的。当蓄电池不完全充电时，硫酸盐化作用就会发生。当环境温度 38°C 以上时，蓄电池内部放电则增加。温度增加导致了内部放电的增加，当然就进一步加速硫酸盐化。在一个全新的蓄电池完全充电后，在 40°C 状态下，放置30天（每天24小时）后，很可能它不能起动发动机了并发生不可逆转的损坏。而我们的应急设备经常一放就可能超过半年。
  1.4 以上的现象用户多关注的是蓄电池的端电压与容量。而实际上对启动型蓄电池的输出启动能力影响最大的是蓄电池的内阻。下面我们分析蓄电池内阻对发动机启动的影响及内阻变化的原因：
  1.4.1 首先要明确，蓄电池最容易检测的端电压（电动势）不能代表蓄电池的容量。而且应急备用设备多采用免维护的阀控式密封蓄电池，用户不能再采用传统的用于检测开口铅酸蓄电池的电池液浓度检测仪来检测阀控式密封蓄电池电池液的比重，并推算电池的容量。其实蓄电池状态的重要标志之一是它的内阻：无论是蓄电池即将失效、容量大小或不足、还是充/放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。例如一组全新，已经饱和充电的12V/100Ah铅酸蓄电池，在常温25℃的环境下其内阻约为4毫欧(两个串联为24V时内阻约为8毫欧)。常温下它可以非常顺利地启动配备9kW/24V启动电机，排量为23L，功率约为1000Ph的发动机。而当该蓄电池的内阻增大到15毫欧（两个12V串联为30毫欧）时启动一台配置24V/7.5kW启动电机，12L排量，功率约为500Ph的发动机，蓄电池的端电压将会下降低于16V（7500W/24V=312A 312A*0.03Ω=9.36V），从而造成启动困难。
  1.4.2 蓄电池的内阻增大，大多是保养不良或超过使用寿命造成。但较低的环境温度会直接导致普通质量良好的铅酸电池的内阻大大增加。还是上述新的100%容量的12V/100Ah铅酸蓄电池常温下的内阻约为4毫欧，电池的短路电流可接近3000A；当在低温环境-20℃时其内阻会增加2~4倍，且容量只剩下50%；气温下降到-40℃时，其容量只剩下20%，但内阻却增加达4~6倍。以致同样规格的电池，在低温环境需多并联几组以降低内阻才能启动机组。
  1.4.3 按国标，启动用蓄电池的使用寿命以容量能恢复到80%计算，那么此时蓄电池在常温25℃的环境下其内阻为100%容量时的3倍以上。也就是说：80%容量的蓄电池已经不能顺利启动原合理配置的发动机。
  1.4.4 其实，如果忽略内阻，剩下20%的容量仍够启动发动机。问题是内阻徒然增大使电池自身的损耗剧增，导致输出电压过低而负载能力下降。
  1.5 综合以上的分析：只要能减少电源的内阻，则可让将要报废或低温环境下而内阻增加的蓄电池继续使用。

2 蓄电池的类型
  2.1 铅酸蓄电池是依据其主要用途来确定，如：起动用（型）、固定用（型）等，其中固定用也称之为深循环用的（如太阳能、IT和电信等）。起动蓄电池的设计是根据瞬时爆发来快速转换成能量（如起动发动机），为增强化学反应能力，结构有较多而薄的极板，内阻较低但不能深放电；深循环蓄电池输出能量相对缓慢然而能长期提供能量。它能够进行许多次深循环放电，但内阻相对较高而不宜作为启动电源。
  2.2 另外深循环蓄电池有两种结构：富液与胶体。
胶体蓄电池能很好的储存且不会像富液电池一样极易生成硫酸盐。大多数的胶体蓄电池能比富液电池提高两倍以上的寿命，而且高/低温的环境适应性很强，自放电小而适合长期储存，并且更能深度循环充放电，其特性非常适合长期备库的应急机组使用。但深循环胶体蓄电池的内阻较大，一般不具备较好的大电流放电特性，因而必须降低其内阻才能与启动回路匹配。

3 解决方案：一种名称超级蓄电池的储能启动电源能有效地解决了上述问题。
  3.1 超级蓄电池是以超级电容与快速充电器组成的大容量的储能器件，其内阻特别小，而且内阻与容量几乎不受温度影响。另外由于电容器的内阻较低，所以充电特别快，放电电流大，特别适用于大电流放电的启动回路使用，但其缺点是储能后不能长时间保存。
  3.2 例如：产品SY-CDX-1000-24V 型的超级蓄电池，内阻是6~8毫欧，额定放电电流1000A，启动最大放电电流大于2000A，充/放使用寿命达10万次以上，储能后能轻松地启动30L 1600Ph的柴油机。
  3.3 具体实施
  3.3.1 采用超级蓄电池与胶体深循环蓄电池的并联组合使用。较高内阻的蓄电池预给超级蓄电池充电，将存放已久（半年~1年）只剩20%容量的深循环蓄电池的电能转移到储能设备：超级蓄电池上，见下原理图（1），然后对启动回路实施短时放电操作，低内阻的超级蓄电池电源回路特别有利于瞬时大扭矩的启动供电输出。当然在常温下，对于容量下降到不小于10%的蓄电池，经转移电能后仍能启动设备运行。
  3.3.2 平时设备在库存期间可将超级蓄电池与胶体深循环蓄电池通过开关K分离；设备工作前将开关K合上，超级蓄电池与胶体深循环蓄电池并联运行。由于超级蓄电池的内阻小而稳定，所以启动放电的任务大部分由超级蓄电池承担。可以这么说：超级蓄电池可大大延长蓄电池的使用寿命。而关键的是：解决方案既能满足抢险设备的长期库存，更能有效防止救灾过程蓄电池意外失败的事故发生。
  3.3.3 超级蓄电池本身自带市电充电系统，设备在长期库存期间可以利用其恒压充电功能对蓄电池进行浮充保养；当抢险救灾的过程中意外遇到蓄电池完全亏电，则可利用充电系统恒流快充的特点，采用220V的市电，用几分钟的时间将超级蓄电池充满，救灾设备马上就能投入运行。

4 结 语
  小康与现代化进程中我们提出了民生与生命保障。而抢险/减灾设备的可靠性关乎人民生命与财产的安全。特别是随着以内燃机拖动的各类抢险与救援车辆的大量推广应用，发动机启动运行的可靠性问题应该引起相关规范标准制定者、产品设计方、设备制造商、设备使用维护保养等各个部门的重视。我们目睹不少失败的过案，最后通过多年的实践与理论分析得出上述的解决方案。该方案是目前移动抢险/减灾设备的新产品设计、旧设备改造最简单而有效提高启动可靠性的方法

图（1）工作原理图

 

本文相关链接：2014年第3期《中国防汛抗旱》杂志刊登广州三业文章