提高搶險、減災設備啟動(dòng)可靠性的解決方案

王偉 鄭全
（廣州三業(yè)科技有限公司 廣州 501220）

摘要：基于我國目前的機制（如三防設備的日常管理與緊急調用制度），不可能要滿(mǎn)足上述的保養要求。那么，多種因素如：電解液的添加、存放環(huán)境溫度、存放時(shí)間長(cháng)短、充電質(zhì)量、放電深度等都會(huì )直接影響蓄啟動(dòng)電池的壽命甚至完全失效。當然抗旱設備可以因更換新電池而耽誤半天到現場(chǎng)。而關(guān)乎生命的城市搶險救援，則是爭分奪秒！那么如何能確保應急設備隨時(shí)能被調用而且成功排險,本文將探討一種提高搶險、減災設備啟動(dòng)可靠性的解決方案。
關(guān)鍵詞：超級蓄電池 內燃機啟動(dòng) 啟動(dòng)可靠性 蓄電池內阻 蓄電池壽命 
0 引言
  隨著(zhù)政府各級別應急預案的制定與實(shí)施、應急產(chǎn)業(yè)應運得到高速發(fā)展。各種由內燃機拖動(dòng)的應急搶險、減災設備大量供應市場(chǎng)。因內燃機拖動(dòng)的應急搶險、減災設備具有大功率、獨立運行而不需依靠市電及可移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應用。但內燃機設備的可靠性一直受到質(zhì)疑，其焦點(diǎn)均集中在其動(dòng)力：發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)問(wèn)題上，而啟動(dòng)失敗的原因大多是由蓄電池的故障引致。蓄電池突然沒(méi)電是一個(gè)讓人猝不及防而又束手無(wú)策的問(wèn)題。相信大部分的汽車(chē)用戶(hù)都有意外拋錨的經(jīng)歷。特別是長(cháng)期庫存而又緊急調用的應急設備，可靠性如何保證！ 縱觀(guān)國內/外對應急用途的汽車(chē)與動(dòng)力設備的啟動(dòng)蓄電池均有嚴格的保養規范：要求備用設備的蓄電池長(cháng)期處于浮充狀態(tài)，并須經(jīng)常檢查蓄電池的容量與內阻。但基于我國目前的機制（如三防設備的日常管理與緊急調用制度），不可能要滿(mǎn)足上述的保養要求。那么，多種因素如：電解液的添加、存放環(huán)境溫度、存放時(shí)間長(cháng)短、充電質(zhì)量、放電深度等都會(huì )直接影響蓄啟動(dòng)電池的壽命甚至完全失效。當然抗旱設備可以因更換新電池而耽誤半天到現場(chǎng)。而關(guān)乎生命的城市搶險救援，則是爭分奪秒！那么如何能確保應急設備隨時(shí)能被調用而且成功排險,本文將探討一種提高搶險、減災設備啟動(dòng)可靠性的解決方案。

1 首先讓我們分析啟動(dòng)型鉛酸蓄電池的常見(jiàn)故障現象及正確理解故障的因果：
  1.1 一組合理配置與保養良好的啟動(dòng)型鉛酸蓄電池大多可以有擁有兩到叁年或幾百到千次的啟動(dòng)壽命。但一般的用戶(hù)，特別是應急設備的用戶(hù)，卻很難預測蓄電池壽命的終結，一般都是出問(wèn)題后才去處理，從而導致事故的發(fā)生；
  1.2 蓄電池最怕低溫，低溫環(huán)境下蓄電池的化學(xué)反應相對緩慢而導致容量比常溫時(shí)要低。而且發(fā)動(dòng)機在低溫的情況下潤滑油的黏度增加、啟動(dòng)時(shí)機械部件的摩擦力增加、點(diǎn)火能力下降等導致需求更大的啟動(dòng)扭矩及連續啟動(dòng)的時(shí)間，所以常溫下正常的啟動(dòng)系統在氣溫突然下降后可能無(wú)法運行。
  1.3 在沒(méi)有充電保養的高溫環(huán)境存放蓄電池則是致命的。當蓄電池不完全充電時(shí)，硫酸鹽化作用就會(huì )發(fā)生。當環(huán)境溫度 38°C 以上時(shí)，蓄電池內部放電則增加。溫度增加導致了內部放電的增加，當然就進(jìn)一步加速硫酸鹽化。在一個(gè)全新的蓄電池完全充電后，在 40°C 狀態(tài)下，放置30天（每天24小時(shí)）后，很可能它不能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機了并發(fā)生不可逆轉的損壞。而我們的應急設備經(jīng)常一放就可能超過(guò)半年。
  1.4 以上的現象用戶(hù)多關(guān)注的是蓄電池的端電壓與容量。而實(shí)際上對啟動(dòng)型蓄電池的輸出啟動(dòng)能力影響最大的是蓄電池的內阻。下面我們分析蓄電池內阻對發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)的影響及內阻變化的原因：
  1.4.1 首先要明確，蓄電池最容易檢測的端電壓（電動(dòng)勢）不能代表蓄電池的容量。而且應急備用設備多采用免維護的閥控式密封蓄電池，用戶(hù)不能再采用傳統的用于檢測開(kāi)口鉛酸蓄電池的電池液濃度檢測儀來(lái)檢測閥控式密封蓄電池電池液的比重，并推算電池的容量。其實(shí)蓄電池狀態(tài)的重要標志之一是它的內阻：無(wú)論是蓄電池即將失效、容量大小或不足、還是充/放電不當，都能從它的內阻變化中體現出來(lái)。例如一組全新，已經(jīng)飽和充電的12V/100Ah鉛酸蓄電池，在常溫25℃的環(huán)境下其內阻約為4毫歐(兩個(gè)串聯(lián)為24V時(shí)內阻約為8毫歐)。常溫下它可以非常順利地啟動(dòng)配備9kW/24V啟動(dòng)電機，排量為23L，功率約為1000Ph的發(fā)動(dòng)機。而當該蓄電池的內阻增大到15毫歐（兩個(gè)12V串聯(lián)為30毫歐）時(shí)啟動(dòng)一臺配置24V/7.5kW啟動(dòng)電機，12L排量，功率約為500Ph的發(fā)動(dòng)機，蓄電池的端電壓將會(huì )下降低于16V（7500W/24V=312A 312A*0.03Ω=9.36V），從而造成啟動(dòng)困難。
  1.4.2 蓄電池的內阻增大，大多是保養不良或超過(guò)使用壽命造成。但較低的環(huán)境溫度會(huì )直接導致普通質(zhì)量良好的鉛酸電池的內阻大大增加。還是上述新的100%容量的12V/100Ah鉛酸蓄電池常溫下的內阻約為4毫歐，電池的短路電流可接近3000A；當在低溫環(huán)境-20℃時(shí)其內阻會(huì )增加2~4倍，且容量只剩下50%；氣溫下降到-40℃時(shí)，其容量只剩下20%，但內阻卻增加達4~6倍。以致同樣規格的電池，在低溫環(huán)境需多并聯(lián)幾組以降低內阻才能啟動(dòng)機組。
  1.4.3 按國標，啟動(dòng)用蓄電池的使用壽命以容量能恢復到80%計算，那么此時(shí)蓄電池在常溫25℃的環(huán)境下其內阻為100%容量時(shí)的3倍以上。也就是說(shuō)：80%容量的蓄電池已經(jīng)不能順利啟動(dòng)原合理配置的發(fā)動(dòng)機。
  1.4.4 其實(shí)，如果忽略?xún)茸?，剩?0%的容量仍夠啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。問(wèn)題是內阻徒然增大使電池自身的損耗劇增，導致輸出電壓過(guò)低而負載能力下降。
  1.5 綜合以上的分析：只要能減少電源的內阻，則可讓將要報廢或低溫環(huán)境下而內阻增加的蓄電池繼續使用。

2 蓄電池的類(lèi)型
  2.1 鉛酸蓄電池是依據其主要用途來(lái)確定，如：起動(dòng)用（型）、固定用（型）等，其中固定用也稱(chēng)之為深循環(huán)用的（如太陽(yáng)能、IT和電信等）。起動(dòng)蓄電池的設計是根據瞬時(shí)爆發(fā)來(lái)快速轉換成能量（如起動(dòng)發(fā)動(dòng)機），為增強化學(xué)反應能力，結構有較多而薄的極板，內阻較低但不能深放電；深循環(huán)蓄電池輸出能量相對緩慢然而能長(cháng)期提供能量。它能夠進(jìn)行許多次深循環(huán)放電，但內阻相對較高而不宜作為啟動(dòng)電源。
  2.2 另外深循環(huán)蓄電池有兩種結構：富液與膠體。
膠體蓄電池能很好的儲存且不會(huì )像富液電池一樣極易生成硫酸鹽。大多數的膠體蓄電池能比富液電池提高兩倍以上的壽命，而且高/低溫的環(huán)境適應性很強，自放電小而適合長(cháng)期儲存，并且更能深度循環(huán)充放電，其特性非常適合長(cháng)期備庫的應急機組使用。但深循環(huán)膠體蓄電池的內阻較大，一般不具備較好的大電流放電特性，因而必須降低其內阻才能與啟動(dòng)回路匹配。

3 解決方案：一種名稱(chēng)超級蓄電池的儲能啟動(dòng)電源能有效地解決了上述問(wèn)題。
  3.1 超級蓄電池是以超級電容與快速充電器組成的大容量的儲能器件，其內阻特別小，而且內阻與容量幾乎不受溫度影響。另外由于電容器的內阻較低，所以充電特別快，放電電流大，特別適用于大電流放電的啟動(dòng)回路使用，但其缺點(diǎn)是儲能后不能長(cháng)時(shí)間保存。
  3.2 例如：產(chǎn)品SY-CDX-1000-24V 型的超級蓄電池，內阻是6~8毫歐，額定放電電流1000A，啟動(dòng)最大放電電流大于2000A，充/放使用壽命達10萬(wàn)次以上，儲能后能輕松地啟動(dòng)30L 1600Ph的柴油機。
  3.3 具體實(shí)施
  3.3.1 采用超級蓄電池與膠體深循環(huán)蓄電池的并聯(lián)組合使用。較高內阻的蓄電池預給超級蓄電池充電，將存放已久（半年~1年）只剩20%容量的深循環(huán)蓄電池的電能轉移到儲能設備：超級蓄電池上，見(jiàn)下原理圖（1），然后對啟動(dòng)回路實(shí)施短時(shí)放電操作，低內阻的超級蓄電池電源回路特別有利于瞬時(shí)大扭矩的啟動(dòng)供電輸出。當然在常溫下，對于容量下降到不小于10%的蓄電池，經(jīng)轉移電能后仍能啟動(dòng)設備運行。
  3.3.2 平時(shí)設備在庫存期間可將超級蓄電池與膠體深循環(huán)蓄電池通過(guò)開(kāi)關(guān)K分離；設備工作前將開(kāi)關(guān)K合上，超級蓄電池與膠體深循環(huán)蓄電池并聯(lián)運行。由于超級蓄電池的內阻小而穩定，所以啟動(dòng)放電的任務(wù)大部分由超級蓄電池承擔?？梢赃@么說(shuō)：超級蓄電池可大大延長(cháng)蓄電池的使用壽命。而關(guān)鍵的是：解決方案既能滿(mǎn)足搶險設備的長(cháng)期庫存，更能有效防止救災過(guò)程蓄電池意外失敗的事故發(fā)生。
  3.3.3 超級蓄電池本身自帶市電充電系統，設備在長(cháng)期庫存期間可以利用其恒壓充電功能對蓄電池進(jìn)行浮充保養；當搶險救災的過(guò)程中意外遇到蓄電池完全虧電，則可利用充電系統恒流快充的特點(diǎn)，采用220V的市電，用幾分鐘的時(shí)間將超級蓄電池充滿(mǎn)，救災設備馬上就能投入運行。

4 結 語(yǔ)
  小康與現代化進(jìn)程中我們提出了民生與生命保障。而搶險/減災設備的可靠性關(guān)乎人民生命與財產(chǎn)的安全。特別是隨著(zhù)以?xún)热紮C拖動(dòng)的各類(lèi)搶險與救援車(chē)輛的大量推廣應用，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)運行的可靠性問(wèn)題應該引起相關(guān)規范標準制定者、產(chǎn)品設計方、設備制造商、設備使用維護保養等各個(gè)部門(mén)的重視。我們目睹不少失敗的過(guò)案，最后通過(guò)多年的實(shí)踐與理論分析得出上述的解決方案。該方案是目前移動(dòng)搶險/減災設備的新產(chǎn)品設計、舊設備改造最簡(jiǎn)單而有效提高啟動(dòng)可靠性的方法

圖（1）工作原理圖

本文相關(guān)鏈接：2014年第3期《中國防汛抗旱》雜志刊登廣州三業(yè)文章