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(chǎng)。而關(guān)乎生命的城市搶險(xiǎn)救援，則是爭(zhēng)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(chǎng)。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(chǎng)。而關(guān)乎生命的城市搶險(xiǎn)救援，則是爭(zhēng)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(cè)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(cè)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(cè)開口鉛酸蓄電池的電池液濃度檢測(cè)儀來檢測(cè)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(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