新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電瓶的電壓和容量

 

摘要：蓄電池主要用于啟動(dòng)時(shí)給柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)以及各個(gè)電氣設(shè)備供電，所以蓄電池又稱(chēng)啟動(dòng)型電瓶。目前，柴油發(fā)電機(jī)組上采用的基本都是鉛酸蓄電池，即采用稀硫酸作為電解液，極板上參加電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)為二氧化鉛和鉛。為滿足柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)需要，使用者應(yīng)理解啟動(dòng)電瓶的相關(guān)參數(shù)和技術(shù)要求?？得魉构驹诒疚闹信e例說(shuō)明了發(fā)電用蓄電池的容量、能量與使用壽命，包括與啟動(dòng)電壓、放電電流之間的關(guān)系。

 

一、啟動(dòng)電瓶的性能指標(biāo)

 

      啟動(dòng)電瓶容量是指啟動(dòng)電瓶存儲(chǔ)電量的大小，即啟動(dòng)電瓶放電電荷的總量，一般以Ah（安時(shí)）做單位。啟動(dòng)電瓶?jī)?chǔ)存的能量，即為啟動(dòng)電瓶放電所能做的電功的多少，單位為J（焦?fàn)枺?。啟?dòng)電瓶的使用壽命卻是根據(jù)啟動(dòng)電瓶的不同，會(huì)有不同的作用壽命和計(jì)算方法。蓄電池充電特性曲線如圖1所示。

1、啟動(dòng)電瓶的容量

      人們使用的各類(lèi)電池都是將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置，而啟動(dòng)電瓶大多都是化學(xué)啟動(dòng)電瓶，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。啟動(dòng)電瓶對(duì)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)供電的過(guò)程叫放電過(guò)程。啟動(dòng)電瓶容量是指啟動(dòng)電瓶存儲(chǔ)電量的大小，即啟動(dòng)電瓶放電電荷的總量叫啟動(dòng)電瓶容量（Q）。

      電瓶的容量表示其輸出電量的能力，單位為A·h。電瓶額定容量是指電解液溫度為30℃±2℃時(shí)，在允許放電范圍內(nèi)，以一定值的電流連續(xù)放電10h，單格電壓降到1.7V時(shí)所輸出的電量。以Q表示容量（單位為A.h），I表示放電電流值，T表示放電時(shí)間，則

Q＝IT

      如3-Q-126型電瓶的額定電容量為126A.h，它在電解液平均溫度為30℃時(shí)，可以12.6A的電流供電，能連續(xù)放電10h。

      在衡量大容量啟動(dòng)電瓶時(shí)，為了方便起見(jiàn)，一般用“Ah”（安時(shí)）來(lái)表示。如電瓶就有標(biāo)有105Ah、200Ah不等。對(duì)于啟動(dòng)電瓶而言其體積越大，內(nèi)部裝的化學(xué)藥品越多其容量越大，這就是體積越大的啟動(dòng)電瓶越耐用的道理。

2、啟動(dòng)電瓶的電壓

      電瓶每單格的名義電壓通常為2V，而實(shí)際電壓隨充電和放電情況而定。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，電壓將緩慢下降。當(dāng)電壓降到1.7V時(shí)，不應(yīng)再繼續(xù)放電，否則電壓將急劇下降，影響電瓶的使用壽命。

      為了柴油發(fā)電機(jī)工作需要一般使用的啟動(dòng)電瓶電壓都設(shè)定為12V。不同型號(hào)的啟動(dòng)電瓶，他的容量越高，提供使用的時(shí)間越長(zhǎng)。在柴油發(fā)電機(jī)中，最常見(jiàn)的啟動(dòng)電瓶組合方式是串聯(lián)，即把啟動(dòng)電瓶正負(fù)極首尾相連，如把2個(gè)12V、200Ah的啟動(dòng)電瓶串聯(lián)，就組成了一個(gè)電壓是24V、容量為200Ah的啟動(dòng)電瓶組。這樣雖然沒(méi)有提高啟動(dòng)電瓶的容量，但總能量卻提高了（W=UQ，U為總電壓）。

3、啟動(dòng)電瓶儲(chǔ)存的能量

      啟動(dòng)電瓶?jī)?chǔ)存的能量，即為啟動(dòng)電瓶放電所能做的電功的多少，公式如下：

W=UIt=UQ

      例如12V20Ah為例，充滿一次電所存的電能=12X20=240（瓦時(shí)）相當(dāng)于0.24度電。不需要很復(fù)雜的計(jì)算的，安時(shí)本身就是儲(chǔ)電容量的一個(gè)指標(biāo)，安時(shí)乘以電壓除以1000就是多少度電的“度”也叫千瓦時(shí)。啟動(dòng)電瓶的容量沒(méi)有直接測(cè)定的儀表，隨著啟動(dòng)電瓶的放電，容量會(huì)慢慢下降，儲(chǔ)存的能量也會(huì)下降。

4、啟動(dòng)電瓶的使用壽命

       使用壽命其實(shí)就是指蓄電池的儲(chǔ)備容量（RC），柴油發(fā)電機(jī)在充電系統(tǒng)不工作的情況下，靠啟動(dòng)電瓶點(diǎn)火和提供最低限度的電路負(fù)載所能運(yùn)行的大約時(shí)間，可具體表述為完全充足電的12V啟動(dòng)電瓶，在25±2℃的條件下，以25A恒流放電至啟動(dòng)電瓶端電壓下降到10.5±0.05V時(shí)的放電時(shí)間。

      啟動(dòng)電瓶的使用壽命與放電的電流大小和啟動(dòng)電瓶的容量大小有關(guān)，即為啟動(dòng)電瓶放電時(shí)間：

t=Q/I（I為放電電流）

      由于單個(gè)啟動(dòng)電瓶的電壓和容量都十分有限，一般需要用幾個(gè)啟動(dòng)電瓶組成啟動(dòng)電瓶組，以滿足不同設(shè)備的實(shí)際供電需要。蓄電池充電深度與循環(huán)壽命曲線如圖2所示。

5、冷啟動(dòng)電流（CCA）

      在-17.8℃和-28.9℃條件下，可獲得的某特定意義下的最小電流。這個(gè)指標(biāo)把啟動(dòng)電瓶的啟動(dòng)能力與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量、壓縮比、溫度、啟動(dòng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)以及啟動(dòng)和點(diǎn)火的最低使用電壓這些重要的變量聯(lián)系起來(lái)。它是指充滿電的12V啟動(dòng)電瓶在30s內(nèi)，其端電壓下降到7.2V時(shí)，啟動(dòng)電瓶所能供給的最小電流，冷啟動(dòng)額定值給出的是總電流值。

 

圖1  啟動(dòng)蓄電池恒壓充電特性曲線

圖2  啟動(dòng)蓄電池充電深度與循環(huán)壽命曲線

 

二、鉛蓄電池的型號(hào)

 

1、鉛蓄電池的型號(hào)規(guī)定

      根據(jù)JB/T 2599-2012《鉛酸蓄電池名稱(chēng)、型號(hào)編制與命名方法》部頒標(biāo)準(zhǔn)，鉛蓄電池型號(hào)由三部分組成，如圖3所示。

（1）第一部分：串聯(lián)的單體電池?cái)?shù)，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。當(dāng)串聯(lián)的電池?cái)?shù)為1時(shí)，稱(chēng)為單體電池，可以省略此部分。

（2）第二部分：電池的類(lèi)型與特征，用關(guān)鍵字的漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母表示。表示鉛蓄電池類(lèi)型與特征的關(guān)鍵字及其含義如表1所示。

      表1中電池的類(lèi)型是按產(chǎn)品的用途進(jìn)行分類(lèi)的，這是電池型號(hào)中必須加以表示的部分。而電池的特征是型號(hào)的附加部分，只有當(dāng)同類(lèi)型用途的電池產(chǎn)品中具有某種特征而型號(hào)又必須加以區(qū)別時(shí)采用。這是因?yàn)橥挥猛镜男铍姵乜梢圆捎貌煌Y(jié)構(gòu)的極板，或者出廠時(shí)電池極板的荷電狀態(tài)不同，或者電池的密封方式不同等，所以有必要加以區(qū)別。

（3）第三部分：電池的額定容量。

      以型號(hào)為6-QAW-105的蓄電池為例，其中第三部分的105即是指蓄電池容量為105AH。蓄電池外形如圖4所示。

注：①型號(hào)后加D表示低溫啟動(dòng)性能好，如6-110D。②型號(hào)后加HD表示高抗振型。③型號(hào)后加DF表示低溫反裝，如6-165DF。

表1    鉛蓄電池類(lèi)型與特征的關(guān)鍵字及其含義

 

2、鉛蓄電池的型號(hào)舉例

① GF-100：表示固定用防酸隔爆式鉛蓄電池，額定容量為100A·h。

② 6-Q-150：表示6只單體電池串聯(lián)（12V）的啟動(dòng)用鉛蓄電池組，額定容量為150A·h。

③ 3-QA-120：表示3只單體電池串聯(lián)（6V）的啟動(dòng)用干荷電式鉛蓄電池組，額定容量為120A·h。

④ GM-1000：表示固定用閥控式密封鉛蓄電池，額定容量為1000A·h。

⑤ 2-N-360：表示2只單體電池串聯(lián)（4V）的內(nèi)燃機(jī)車(chē)用鉛蓄電池組，額定容量為360A·h。

⑥ T-450：表示鐵路客車(chē)用鉛蓄電池，額定容量為450A·h。

⑦ D-360：表示電瓶車(chē)用（牽引用）鉛蓄電池，額定容量為360A·h。

⑧ 3-M-120：表示3只單體電池串聯(lián)（6V）的摩托車(chē)用鉛蓄電池組，額定容量為120A·h。

 

圖3  啟動(dòng)蓄電池型號(hào)含義解讀方法

圖4  柴油發(fā)電機(jī)蓄電池結(jié)構(gòu)圖

 

三、閥控式密封鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)

 

      閥控式密封鉛蓄電池與其他蓄電池一樣，其主要部件有正負(fù)極板、電解液、隔板、電池槽和其他一些零件如端子、連接條及排氣栓等。由于這類(lèi)電池要達(dá)到密封的要求，即充電過(guò)程中不能有大量的氣體產(chǎn)生，只允許有極少量的內(nèi)部消耗不完的氣體排出，所以其結(jié)構(gòu)與一般的（富液式或排氣式）鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)有很大的不同，如表2所示。

表2    閥控式密封鉛蓄電池與普通富液式鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)比較

 

1、電極

      閥控式密封鉛蓄電池采用無(wú)銻或低銻合金作板柵，其目的是減少電池的自放電，以減少電池內(nèi)水分的損失。常用的板柵材料中不含或只含極少量的銻，使閥控式密封鉛蓄電池的自放電遠(yuǎn)低于普通鉛蓄電池。

2、電解液

      在閥控式密封鉛蓄電池中，電解液處于不流動(dòng)的狀態(tài)，即電解液全部被極板上的活性物質(zhì)和隔膜所吸附，其電解液的飽和程度為60％～90％。低于60％的飽和度，說(shuō)明閥控式密封鉛蓄電池失水嚴(yán)重，極板上的活性物質(zhì)不能與電解液充分接觸；高于90％的飽和度，則電池正極氧氣的擴(kuò)散通道被電解液堵塞，不利于氧氣向負(fù)極擴(kuò)散。

      由于閥控式密封鉛蓄電池是貧電解液結(jié)構(gòu)，因此其電解液密度比普通鉛蓄電池的密度要高，其濃度范圍是1.29～1.30kg/L，而普通蓄電池的密度范圍為1.20～1.30kg/L。

3、隔膜

      閥控式密封鉛蓄電池的隔膜除了滿足作為隔膜材料的一般要求外，還必須有很強(qiáng)的儲(chǔ)液能力才能使電解液處于不流動(dòng)的狀態(tài)。目前采用的超細(xì)玻璃纖維隔膜具有儲(chǔ)液能力強(qiáng)和孔隙率高（＞90％）的優(yōu)點(diǎn)。它一方面能儲(chǔ)存大量的電解液，另一方面有利于透過(guò)氧氣。這種隔膜中存在著兩種結(jié)構(gòu)的孔，一種是平行于隔膜平面的小孔，能吸儲(chǔ)電解液；另一種是垂直于隔膜平面的大孔，是氧氣對(duì)流的通道。

4、電池槽

（1）電池槽的材料

      對(duì)于閥控式密封鉛蓄電池來(lái)說(shuō)，電池槽的材料除了具有耐腐蝕、耐振動(dòng)和耐高低溫等性能以外，還必須具有強(qiáng)度高和不易變形的特點(diǎn)，并采用特殊的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)殡姵氐呢氹娊庖航Y(jié)構(gòu)要求用緊裝配方式來(lái)組裝電池，以利于極板和電解液的充分接觸，而緊裝配方式會(huì)給電池槽帶來(lái)較大的壓力，所以電池的容量越大，電池槽承受的壓力也就越大；此外電池的密封結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的內(nèi)壓力在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的變化，使電池處于加壓或減壓狀態(tài)。

      閥控式密封鉛蓄電池的電池槽材料采用的是強(qiáng)度大而不易發(fā)生變形的合成樹(shù)脂材料，以前曾用過(guò)SAN，目前主要采用ABS、PP和PVC等材料。

① SAN：由聚苯乙烯-丙烯腈聚合而成的樹(shù)脂。這種材料的缺點(diǎn)是水保持和氧氣保持性能都很差，即電池的水蒸氣泄漏和氧氣滲漏都很?chē)?yán)重。

② ABS：丙烯腈、丁乙烯、苯乙烯的共聚物。具有硬度大、熱變形溫度高和電阻率大等優(yōu)點(diǎn)。但水蒸氣泄漏嚴(yán)重，僅稍好于SAN材料，而且氧氣滲漏比SAN還嚴(yán)重。

③ PP：聚丙烯。它是塑料中耐溫最高的一種，溫度高達(dá)150℃也不變形，低溫脆化溫度為-10～-25℃。其熔點(diǎn)為164～170℃，擊穿電壓高，介電常數(shù)高達(dá)2.6x106V/m，水蒸氣的保持性能優(yōu)于SAN、ABS及PVC材料。但氧氣保持能力最差、硬度小。

④ PVC：聚氯乙烯燒結(jié)物。優(yōu)點(diǎn)有絕緣性能好，硬度大于PP材料，吸水性比較小，氧氣保持能力優(yōu)于上述三種材料及水保持能力較好（僅次于PP材料）等。但其硬度較差，熱變形溫度較低。

（2） 電池槽的結(jié)構(gòu)

      對(duì)于閥控式密封鉛蓄電池來(lái)說(shuō)，由于其緊裝配方式和內(nèi)壓力比較大，電池槽采用加厚的槽壁，并在短側(cè)面上安裝加強(qiáng)筋，以此來(lái)對(duì)抗極板面上的壓力。此外電池內(nèi)壁安裝的筋條還可形成氧氣在極群外部的繞行通道，提高氧氣擴(kuò)散到負(fù)極的能力，起到改善電池內(nèi)部氧循環(huán)性能的作用。

      固定用閥控式密封鉛蓄電池有單一槽和復(fù)合槽兩種結(jié)構(gòu)。小容量電池采用的是單一槽結(jié)構(gòu)，而大容量電池則采用復(fù)合槽結(jié)構(gòu)（如圖5所示）。如容量為1000A·h的電池分成兩格，如圖5（a）所示；容量為2000～3000A·h的電池分為四格，如圖5（b）所示］。因大容量電池的電池槽壁須加厚才能承受緊裝配方式和內(nèi)壓力所帶來(lái)的壓力，但槽壁太厚不利于電池散熱，所以須采用多格的復(fù)合槽結(jié)構(gòu)。大容量電池有高型和矮型之分，由于矮型結(jié)構(gòu)的電解液分層現(xiàn)象不明顯，且具有優(yōu)良的氧復(fù)合性能，所以采用等寬等深的矮型槽。若單體電池采用復(fù)合槽結(jié)構(gòu)，則其串聯(lián)組合方式。

5、安全閥

（1）作用

      閥控式密封鉛蓄電池的安全閥又稱(chēng)節(jié)流閥，其作用有二：一是當(dāng)電池中積聚的氣體壓力達(dá)到安全閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)以排出電池內(nèi)的多余氣體，減小電池內(nèi)壓；二是單向排氣，即不允許空氣中的氣體進(jìn)入電池內(nèi)部，以免引起電池的自放電。

（2）結(jié)構(gòu)形式

      安全閥主要有帽式、傘式和柱式三種結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示。安全閥帽罩的材料采用的是耐酸、耐臭氧的橡膠，如丁苯橡膠、異乙烯乙二烯共聚物和氯丁橡膠等。這三種安全閥的可靠性是：柱式大于傘式和帽式，而傘式大于帽式。

（3）開(kāi)閉動(dòng)作

      安全閥開(kāi)閉動(dòng)作是在規(guī)定的壓力條件下進(jìn)行的，該規(guī)定的安全閥開(kāi)啟和關(guān)閉的壓力分別稱(chēng)為開(kāi)閥壓和閉閥壓。開(kāi)閥壓的大小必須適中，開(kāi)閥壓太高易使電池內(nèi)部積聚的氣體壓力過(guò)大，而過(guò)高的內(nèi)壓力會(huì)導(dǎo)致電池外殼膨脹或破裂，影響電池的安全運(yùn)行；若開(kāi)閥壓太低，安全閥開(kāi)啟頻繁，使電池內(nèi)水分損失嚴(yán)重，并因失水而失效。閉閥壓的作用是讓安全閥及時(shí)關(guān)閉，以防止空氣中的氧氣進(jìn)入電池，以免引起電池負(fù)極的自放電。生產(chǎn)廠家不同，閥控式密封鉛蓄電池的開(kāi)閥壓與閉閥壓也不同，各生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品出廠時(shí)已設(shè)定。

6、緊裝配方式

      閥控式密封鉛蓄電池的電解液處于貧液狀態(tài)，即大部分電解液被吸附在超細(xì)玻璃纖維隔膜中，其余的被極板所吸收。為了保證氧氣能順利擴(kuò)散到負(fù)極，要求隔膜和極板活性物質(zhì)不能被電解液所飽和，否則會(huì)阻礙氧氣經(jīng)過(guò)隔膜的通道，影響氧氣在負(fù)極上的還原。為了使電化學(xué)反應(yīng)能正常進(jìn)行，必須使極板上的活性物質(zhì)與電解液充分接觸，而貧電解液結(jié)構(gòu)的電池只有采取緊裝配的組裝方式，才能達(dá)到此目的。

      采用緊裝配的組裝方式有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）使隔膜與極板緊密接觸，有利于活性物質(zhì)與電解液的充分接觸；

（2）保持住極板上的活性物質(zhì)，特別是減少正極活性物質(zhì)的脫落；

（3）防止正極在充電后期析出的氧氣沿著極板表面上竄到電池頂部，使氧氣充分地?cái)U(kuò)散到負(fù)極被吸收，以減少水分的損失。

      小容量閥控式密封鉛蓄電池通常制成電池組，為內(nèi)連接方式，安全閥上面有一蓋子通過(guò)幾個(gè)點(diǎn)與電池殼相連，留下的縫隙為氣體逸出通道。所以在閥控式密封鉛蓄電池蓋上沒(méi)有連接條和安全閥，只有正負(fù)極柱。

 

圖5   復(fù)合槽蓄電池的串聯(lián)組合方式

圖6  蓄電池安全閥的結(jié)構(gòu)示意圖

 

總結(jié)：

      在實(shí)際使用中，電瓶的容量不是一個(gè)定值。影響放電容量的因素很多，除了電瓶的結(jié)構(gòu)、極板的數(shù)量和面積、隔板的材料等外，還與放電、充電電流的大小、電解液的濃度和溫度等因素有關(guān)。如放電電流過(guò)大，化學(xué)反應(yīng)只在極板的表面進(jìn)行而不能深入內(nèi)部，電壓便迅速下降，使容量減少。當(dāng)溫度降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電解液的黏度和電阻增加，電瓶的容量減少。這就是在冬季，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)所用的電瓶容量不足的重要原因。因此，在冬季和較嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)電瓶必須采取保溫措施，否則難以啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

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