提高搶險(xiǎn)、減災(zāi)設(shè)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(jī)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(shí)間長短、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(dāng)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(xiǎn)救援，則是爭分奪秒！那么如何能確保應(yīng)急設(shè)備隨時(shí)能被調(diào)用而且成功排險(xiǎn),本文將探討一種提高搶險(xiǎn)、減災(zāi)設(shè)備啟動(dòng)可靠性的解決方案。
關(guān)鍵詞：超級(jí)蓄電池 內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng) 啟動(dòng)可靠性 蓄電池內(nèi)阻 蓄電池壽命 
0 引言
  隨著政府各級(jí)別應(yīng)急預(yù)案的制定與實(shí)施、應(yīng)急產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)得到高速發(fā)展。各種由內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的應(yīng)急搶險(xiǎn)、減災(zāi)設(shè)備大量供應(yīng)市場。因內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的應(yīng)急搶險(xiǎn)、減災(zāi)設(shè)備具有大功率、獨(dú)立運(yùn)行而不需依靠市電及可移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但內(nèi)燃機(jī)設(shè)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(jī)的啟動(dòng)問題上，而啟動(dòng)失敗的原因大多是由蓄電池的故障引致。蓄電池突然沒電是一個(gè)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(yīng)急設(shè)備，可靠性如何保證！ 縱觀國內(nèi)/外對(duì)應(yīng)急用途的汽車與動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)蓄電池均有嚴(yán)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(jī)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(shí)間長短、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(dāng)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(xiǎn)救援，則是爭分奪秒！那么如何能確保應(yīng)急設(shè)備隨時(shí)能被調(diào)用而且成功排險(xiǎn),本文將探討一種提高搶險(xiǎn)、減災(zāi)設(shè)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(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，特別是應(yīng)急設(shè)備的用戶，卻很難預(yù)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(dǎo)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(yīng)相對(duì)緩慢而導(dǎo)致容量比常溫時(shí)要低。而且發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫的情況下潤滑油的黏度增加、啟動(dòng)時(shí)機(jī)械部件的摩擦力增加、點(diǎn)火能力下降等導(dǎo)致需求更大的啟動(dòng)扭矩及連續(xù)啟動(dòng)的時(shí)間，所以常溫下正常的啟動(dòng)系統(tǒng)在氣溫突然下降后可能無法運(yùn)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(dāng)蓄電池不完全充電時(shí)，硫酸鹽化作用就會(huì)發(fā)生。當(dāng)環(huán)境溫度 38°C 以上時(shí)，蓄電池內(nèi)部放電則增加。溫度增加導(dǎo)致了內(nèi)部放電的增加，當(dāng)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(jī)了并發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。而我們的應(yīng)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(shí)際上對(duì)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(nèi)阻。下面我們分析蓄電池內(nèi)阻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(dòng)勢(shì)）不能代表蓄電池的容量。而且應(yīng)急備用設(shè)備多采用免維護(hù)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(shí)蓄電池狀態(tài)的重要標(biāo)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(dāng)，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(gè)串聯(lián)為24V時(shí)內(nèi)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(jī)，排量為23L，功率約為1000Ph的發(fā)動(dòng)機(jī)。而當(dāng)該蓄電池的內(nèi)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(tái)配置24V/7.5kW啟動(dòng)電機(jī)，12L排量，功率約為500Ph的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(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(huì)直接導(dǎo)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(dāng)在低溫環(huán)境-20℃時(shí)其內(nèi)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(nèi)阻卻增加達(dá)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(dòng)機(jī)組。
  1.4.3 按國標(biāo)，啟動(dòng)用蓄電池的使用壽命以容量能恢復(fù)到80%計(jì)算，那么此時(shí)蓄電池在常溫25℃的環(huán)境下其內(nèi)阻為100%容量時(shí)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(dòng)原合理配置的發(fā)動(dòng)機(jī)。
  1.4.4 其實(shí)，如果忽略內(nèi)阻，剩下20%的容量仍夠啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。問題是內(nèi)阻徒然增大使電池自身的損耗劇增，導(dǎo)致輸出電壓過低而負(fù)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(bào)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(dòng)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(dòng)蓄電池的設(shè)計(jì)是根據(jù)瞬時(shí)爆發(fā)來快速轉(zhuǎn)換成能量（如起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)），為增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)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(duì)緩慢然而能長期提供能量。它能夠進(jìn)行許多次深循環(huán)放電，但內(nèi)阻相對(duì)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(jié)構(gòu)：富液與膠體。
膠體蓄電池能很好的儲(chǔ)存且不會(huì)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(yīng)性很強(qiáng)，自放電小而適合長期儲(chǔ)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(yīng)急機(jī)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(dòng)回路匹配。

3 解決方案：一種名稱超級(jí)蓄電池的儲(chǔ)能啟動(dòng)電源能有效地解決了上述問題。
  3.1 超級(jí)蓄電池是以超級(jí)電容與快速充電器組成的大容量的儲(chǔ)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(dòng)回路使用，但其缺點(diǎn)是儲(chǔ)能后不能長時(shí)間保存。
  3.2 例如：產(chǎn)品SY-CDX-1000-24V 型的超級(jí)蓄電池，內(nèi)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(dá)10萬次以上，儲(chǔ)能后能輕松地啟動(dòng)30L 1600Ph的柴油機(jī)。
  3.3 具體實(shí)施
  3.3.1 采用超級(jí)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(yù)給超級(jí)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(chǔ)能設(shè)備：超級(jí)蓄電池上，見下原理圖（1），然后對(duì)啟動(dòng)回路實(shí)施短時(shí)放電操作，低內(nèi)阻的超級(jí)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(dāng)然在常溫下，對(duì)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(dòng)設(shè)備運(yùn)行。
  3.3.2 平時(shí)設(shè)備在庫存期間可將超級(jí)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(jí)蓄電池與膠體深循環(huán)蓄電池并聯(lián)運(yùn)行。由于超級(jí)蓄電池的內(nèi)阻小而穩(wěn)定，所以啟動(dòng)放電的任務(wù)大部分由超級(jí)蓄電池承擔(dān)?？梢赃@么說：超級(jí)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(xiǎn)設(shè)備的長期庫存，更能有效防止救災(zāi)過程蓄電池意外失敗的事故發(fā)生。
  3.3.3 超級(jí)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(duì)蓄電池進(jìn)行浮充保養(yǎng)；當(dāng)搶險(xiǎn)救災(zāi)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(diǎn)，采用220V的市電，用幾分鐘的時(shí)間將超級(jí)蓄電池充滿，救災(zāi)設(shè)備馬上就能投入運(yùn)行。

4 結(jié) 語
  小康與現(xiàn)代化進(jìn)程中我們提出了民生與生命保障。而搶險(xiǎn)/減災(zāi)設(shè)備的可靠性關(guān)乎人民生命與財(cái)產(chǎn)的安全。特別是隨著以內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的各類搶險(xiǎn)與救援車輛的大量推廣應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的可靠性問題應(yīng)該引起相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定者、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方、設(shè)備制造商、設(shè)備使用維護(hù)保養(yǎng)等各個(gè)部門的重視。我們目睹不少失敗的過案，最后通過多年的實(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(xiǎn)/減災(zāi)設(shè)備的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、舊設(shè)備改造最簡單而有效提高啟動(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