提高搶險、減災設(shè)備啟動可靠性的解決方案

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(shè)備的日常管理與緊急調(diào)用制度），不可能要滿足上述的保養(yǎng)要求。那么，多種因素如：電解液的添加、存放環(huán)境溫度、存放時間長短、充電質(zhì)量、放電深度等都會直接影響蓄啟動電池的壽命甚至完全失效。當然抗旱設(shè)備可以因更換新電池而耽誤半天到現(xiàn)場。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(shè)備隨時能被調(diào)用而且成功排險,本文將探討一種提高搶險、減災設(shè)備啟動可靠性的解決方案。
關(guān)鍵詞：超級蓄電池 內(nèi)燃機啟動 啟動可靠性 蓄電池內(nèi)阻 蓄電池壽命 
0 引言
  隨著政府各級別應急預案的制定與實施、應急產(chǎn)業(yè)應運得到高速發(fā)展。各種由內(nèi)燃機拖動的應急搶險、減災設(shè)備大量供應市場。因內(nèi)燃機拖動的應急搶險、減災設(shè)備具有大功率、獨立運行而不需依靠市電及可移動的優(yōu)點得到廣泛的應用。但內(nèi)燃機設(shè)備的可靠性一直受到質(zhì)疑，其焦點均集中在其動力：發(fā)動機的啟動問題上，而啟動失敗的原因大多是由蓄電池的故障引致。蓄電池突然沒電是一個讓人猝不及防而又束手無策的問題。相信大部分的汽車用戶都有意外拋錨的經(jīng)歷。特別是長期庫存而又緊急調(diào)用的應急設(shè)備，可靠性如何保證！ 縱觀國內(nèi)/外對應急用途的汽車與動力設(shè)備的啟動蓄電池均有嚴格的保養(yǎng)規(guī)范：要求備用設(shè)備的蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，并須經(jīng)常檢查蓄電池的容量與內(nèi)阻。但基于我國目前的機制（如三防設(shè)備的日常管理與緊急調(diào)用制度），不可能要滿足上述的保養(yǎng)要求。那么，多種因素如：電解液的添加、存放環(huán)境溫度、存放時間長短、充電質(zhì)量、放電深度等都會直接影響蓄啟動電池的壽命甚至完全失效。當然抗旱設(shè)備可以因更換新電池而耽誤半天到現(xiàn)場。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(shè)備隨時能被調(diào)用而且成功排險,本文將探討一種提高搶險、減災設(shè)備啟動可靠性的解決方案。

1 首先讓我們分析啟動型鉛酸蓄電池的常見故障現(xiàn)象及正確理解故障的因果：
  1.1 一組合理配置與保養(yǎng)良好的啟動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壽命。但一般的用戶，特別是應急設(shè)備的用戶，卻很難預測蓄電池壽命的終結(jié)，一般都是出問題后才去處理，從而導致事故的發(fā)生；
  1.2 蓄電池最怕低溫，低溫環(huán)境下蓄電池的化學反應相對緩慢而導致容量比常溫時要低。而且發(fā)動機在低溫的情況下潤滑油的黏度增加、啟動時機械部件的摩擦力增加、點火能力下降等導致需求更大的啟動扭矩及連續(xù)啟動的時間，所以常溫下正常的啟動系統(tǒng)在氣溫突然下降后可能無法運行。
  1.3 在沒有充電保養(yǎng)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，硫酸鹽化作用就會發(fā)生。當環(huán)境溫度 38°C 以上時，蓄電池內(nèi)部放電則增加。溫度增加導致了內(nèi)部放電的增加，當然就進一步加速硫酸鹽化。在一個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）后，很可能它不能起動發(fā)動機了并發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。而我們的應急設(shè)備經(jīng)常一放就可能超過半年。
  1.4 以上的現(xiàn)象用戶多關(guān)注的是蓄電池的端電壓與容量。而實際上對啟動型蓄電池的輸出啟動能力影響最大的是蓄電池的內(nèi)阻。下面我們分析蓄電池內(nèi)阻對發(fā)動機啟動的影響及內(nèi)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（電動勢）不能代表蓄電池的容量。而且應急備用設(shè)備多采用免維護的閥控式密封蓄電池，用戶不能再采用傳統(tǒng)的用于檢測開口鉛酸蓄電池的電池液濃度檢測儀來檢測閥控式密封蓄電池電池液的比重，并推算電池的容量。其實蓄電池狀態(tài)的重要標志之一是它的內(nèi)阻：無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(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來。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(nèi)阻約為4毫歐(兩個串聯(lián)為24V時內(nèi)阻約為8毫歐)。常溫下它可以非常順利地啟動配備9kW/24V啟動電機，排量為23L，功率約為1000Ph的發(fā)動機。而當該蓄電池的內(nèi)阻增大到15毫歐（兩個12V串聯(lián)為30毫歐）時啟動一臺配置24V/7.5kW啟動電機，12L排量，功率約為500Ph的發(fā)動機，蓄電池的端電壓將會下降低于16V（7500W/24V=312A 312A*0.03Ω=9.36V），從而造成啟動困難。
  1.4.2 蓄電池的內(nèi)阻增大，大多是保養(yǎng)不良或超過使用壽命造成。但較低的環(huán)境溫度會直接導致普通質(zhì)量良好的鉛酸電池的內(nèi)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(nèi)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℃時其內(nèi)阻會增加2~4倍，且容量只剩下50%；氣溫下降到-40℃時，其容量只剩下20%，但內(nèi)阻卻增加達4~6倍。以致同樣規(guī)格的電池，在低溫環(huán)境需多并聯(lián)幾組以降低內(nèi)阻才能啟動機組。
  1.4.3 按國標，啟動用蓄電池的使用壽命以容量能恢復到80%計算，那么此時蓄電池在常溫25℃的環(huán)境下其內(nèi)阻為100%容量時的3倍以上。也就是說：80%容量的蓄電池已經(jīng)不能順利啟動原合理配置的發(fā)動機。
  1.4.4 其實，如果忽略內(nèi)阻，剩下20%的容量仍夠啟動發(fā)動機。問題是內(nèi)阻徒然增大使電池自身的損耗劇增，導致輸出電壓過低而負載能力下降。
  1.5 綜合以上的分析：只要能減少電源的內(nèi)阻，則可讓將要報廢或低溫環(huán)境下而內(nèi)阻增加的蓄電池繼續(xù)使用。

2 蓄電池的類型
  2.1 鉛酸蓄電池是依據(jù)其主要用途來確定，如：起動用（型）、固定用（型）等，其中固定用也稱之為深循環(huán)用的（如太陽能、IT和電信等）。起動蓄電池的設(shè)計是根據(jù)瞬時爆發(fā)來快速轉(zhuǎn)換成能量（如起動發(fā)動機），為增強化學反應能力，結(jié)構(gòu)有較多而薄的極板，內(nèi)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期提供能量。它能夠進行許多次深循環(huán)放電，但內(nèi)阻相對較高而不宜作為啟動電源。
  2.2 另外深循環(huán)蓄電池有兩種結(jié)構(gòu)：富液與膠體。
膠體蓄電池能很好的儲存且不會像富液電池一樣極易生成硫酸鹽。大多數(shù)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，自放電小而適合長期儲存，并且更能深度循環(huán)充放電，其特性非常適合長期備庫的應急機組使用。但深循環(huán)膠體蓄電池的內(nèi)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(nèi)阻才能與啟動回路匹配。

3 解決方案：一種名稱超級蓄電池的儲能啟動電源能有效地解決了上述問題。
  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(nèi)阻特別小，而且內(nèi)阻與容量幾乎不受溫度影響。另外由于電容器的內(nèi)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回路使用，但其缺點是儲能后不能長時間保存。
  3.2 例如：產(chǎn)品SY-CDX-1000-24V 型的超級蓄電池，內(nèi)阻是6~8毫歐，額定放電電流1000A，啟動最大放電電流大于2000A，充/放使用壽命達10萬次以上，儲能后能輕松地啟動30L 1600Ph的柴油機。
  3.3 具體實施
  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(nèi)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(zhuǎn)移到儲能設(shè)備：超級蓄電池上，見下原理圖（1），然后對啟動回路實施短時放電操作，低內(nèi)阻的超級蓄電池電源回路特別有利于瞬時大扭矩的啟動供電輸出。當然在常溫下，對于容量下降到不小于10%的蓄電池，經(jīng)轉(zhuǎn)移電能后仍能啟動設(shè)備運行。
  3.3.2 平時設(shè)備在庫存期間可將超級蓄電池與膠體深循環(huán)蓄電池通過開關(guān)K分離；設(shè)備工作前將開關(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(nèi)阻小而穩(wěn)定，所以啟動放電的任務大部分由超級蓄電池承擔?？梢赃@么說：超級蓄電池可大大延長蓄電池的使用壽命。而關(guān)鍵的是：解決方案既能滿足搶險設(shè)備的長期庫存，更能有效防止救災過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(tǒng)，設(shè)備在長期庫存期間可以利用其恒壓充電功能對蓄電池進行浮充保養(yǎng)；當搶險救災的過程中意外遇到蓄電池完全虧電，則可利用充電系統(tǒng)恒流快充的特點，采用220V的市電，用幾分鐘的時間將超級蓄電池充滿，救災設(shè)備馬上就能投入運行。

4 結(jié) 語
  小康與現(xiàn)代化進程中我們提出了民生與生命保障。而搶險/減災設(shè)備的可靠性關(guān)乎人民生命與財產(chǎn)的安全。特別是隨著以內(nèi)燃機拖動的各類搶險與救援車輛的大量推廣應用，發(fā)動機啟動運行的可靠性問題應該引起相關(guān)規(guī)范標準制定者、產(chǎn)品設(shè)計方、設(shè)備制造商、設(shè)備使用維護保養(yǎng)等各個部門的重視。我們目睹不少失敗的過案，最后通過多年的實踐與理論分析得出上述的解決方案。該方案是目前移動搶險/減災設(shè)備的新產(chǎn)品設(shè)計、舊設(shè)備改造最簡單而有效提高啟動可靠性的方法

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