鐵路對(duì)講機(jī)電池的選型分析探討

蔣松華 上海鐵路局科研所

對(duì)講機(jī)在鐵路生產(chǎn)運(yùn)輸中有著廣泛的應(yīng)用，涉及工務(wù)、電務(wù)、客運(yùn)和車務(wù)等很多方面。在對(duì)講機(jī)使用過程中，除了對(duì)講機(jī)本身的性能之外電池是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，電池的好壞直接關(guān)系對(duì)講機(jī)的通信質(zhì)量。因此有必要對(duì)對(duì)講機(jī)的電池進(jìn)行研究，提高使用質(zhì)量，減小故障發(fā)生率。

1 對(duì)講機(jī)對(duì)所用電池的要求

(1)額定電壓一般為7.5V，允許輸入電壓范圍5.5V-9VDC，電池電壓不得超過此范圍。

(2)合理選擇電池的容量，既能夠保證發(fā)射時(shí)的穩(wěn)定又保證使用的時(shí)間。

(3)電池應(yīng)選內(nèi)阻盡量要小的型號(hào)。

(4)電池要有防過流，過壓，過放電保護(hù)裝置，鋰電池要加裝保護(hù)板。

(5)電池的生產(chǎn)、使用和銷毀過程中應(yīng)符合環(huán)境保護(hù)的要求，避免重金屬污染環(huán)境和有害氣體釋放。鎳鎘電池因?yàn)橹圃旌吞幚磉^程中會(huì)存在重金屬鎘的污染，應(yīng)逐漸在使用中淘汰。

2 鐵路對(duì)講機(jī)使用中所面臨的問題

(1)鐵路的對(duì)講機(jī)是由普通民用對(duì)講機(jī)改制而來，內(nèi)部加入了鐵路上所特有的信令組件并且對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。而使用環(huán)境卻比一般的民機(jī)惡劣得多：震動(dòng)、擠壓、風(fēng)沙、雨水、高溫以及暴曬等等，這對(duì)對(duì)講機(jī)的主機(jī)和電池都是嚴(yán)酷的考驗(yàn)。一般市場(chǎng)上的對(duì)講機(jī)標(biāo)配的電池容量，GP88S和GP3688都是1200mAh。這樣的配置是根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)、接收和發(fā)射時(shí)間比率以及8h工作時(shí)間來確定的。但是在鐵路無線調(diào)車上，接收和發(fā)射的時(shí)間比率要明顯高出許多，而且工作時(shí)間也時(shí)常超過8h，這就造成了對(duì)講機(jī)使用時(shí)間的不足。電池容量不足對(duì)通話的可靠性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

(2)由于原配電池塊的價(jià)格較高，所以鐵路方面采取的是自制的辦法。選取什么樣的電池來生產(chǎn)鐵路對(duì)講機(jī)電池塊成為了一個(gè)重要的問題。并非名牌電池就是合適的，例如某國產(chǎn)品牌鎳氫電池，一開始使用沒有任何問題，但是半年之后會(huì)便普遍出現(xiàn)電池漏液、容量下降以及容量不一致的情況，在智能充電器上測(cè)試結(jié)果是拒充。

(3)電池塊在制造過程中應(yīng)遵循原裝電池的設(shè)計(jì)規(guī)范，否則會(huì)造成嚴(yán)重后果。這個(gè)情況在GP3688型對(duì)講機(jī)上尤為明顯。不良的電池塊會(huì)使得對(duì)講機(jī)莫名發(fā)射且產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

3 對(duì)講機(jī)電池的選取和使用

蓄電池有5個(gè)主要參數(shù)，分別為容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。在鐵路應(yīng)用上面，不同環(huán)境、不同的對(duì)講機(jī)對(duì)電池選擇有著不同的要求。

過去的對(duì)講機(jī)使用的射頻模塊是雙極型的晶體管，所以要達(dá)到高功率輸出需要較高電壓，電流的消耗相對(duì)小。而現(xiàn)在使用對(duì)講機(jī)更多使用了新型的場(chǎng)效應(yīng)管，它的特點(diǎn)是低電壓情況下可以輸出高功率，而發(fā)射機(jī)效率基本不變，所以在發(fā)射機(jī)工作時(shí)電流也比以往的對(duì)講機(jī)來得大。這樣對(duì)現(xiàn)在的電池組提出了更高的要求。

(1)電池容量C通常的單位是Ah（安時(shí)）或者mAh（毫安時(shí)），1Ah表示在1A電流下能放電1h。充電速率通常用電池容量C來表示。例如使用3A對(duì)1.5Ah的電池充電，充電速率就是2C。對(duì)講機(jī)電池的選擇直接影響作業(yè)效果，所以在使用前需進(jìn)行合理的配置。對(duì)講機(jī)的最大耗電是在發(fā)射狀態(tài)，所以電池容量選取應(yīng)參考對(duì)講機(jī)的發(fā)射電流。

(2)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的手持對(duì)講機(jī)一般為摩托羅拉和建伍牌，根據(jù)鐵路的實(shí)際情況應(yīng)該選擇容量值大于等于2/3發(fā)射電流值的電池組。根據(jù)鋰電池的特性，它的內(nèi)阻較大，所以應(yīng)該選取容量值大于等于1倍的發(fā)射電流值。例如摩托羅拉的GP3688系列對(duì)講機(jī)，發(fā)射時(shí)電流通常為1.2A，應(yīng)采用大于800mAh的鎳鎘鎳氫電池或者1200mAh的鋰電池。除此之外，還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作的具體狀況來確定電池容量。對(duì)講機(jī)工作時(shí)發(fā)射、接收和待機(jī)電流分別為1200mA、250mA和40mA，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)車作業(yè)時(shí)此三種狀態(tài)所占時(shí)間比例約為1：3：6，每個(gè)班的工作時(shí)間約為8h，計(jì)算出電池容量為1752mAh。實(shí)際選取容量為1800mAh的電池組。目前對(duì)講機(jī)出廠時(shí)發(fā)射電流都大大超出1200mA，所以在正式投入使用前要進(jìn)行必要的調(diào)整，達(dá)到設(shè)定值。

(3)電壓參數(shù)：?jiǎn)误w鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓1.3V（也有認(rèn)為是1.25V），單體鎳氫電池的電壓是1.25V，而鋰電池為3.6V。目前鐵路使用的對(duì)講機(jī)的標(biāo)稱電源電壓是7.5V，而實(shí)際可用的電壓范圍是在6V-9V之間。所以應(yīng)該選擇6節(jié)串聯(lián)的鎳鎘、鎳氫或者2節(jié)串聯(lián)的鋰電池。鎳鎘電池的充電終止電壓是1.75V-1.8V，鎳氫電池是1.5V，鋰電池為4.1V正負(fù)50mV。放電終止電壓分別為1V、1V和3V。而對(duì)于電池超過6節(jié)的電池組在安裝前需要對(duì)電池進(jìn)行容量和內(nèi)阻的篩選，盡可能使電池特性保持一致。新舊電池和不同品種的電池不可混用。

(4)電池不可過分放電，鎳鎘電池如果深度放電會(huì)造成極間短路，而鋰電池過放電會(huì)嚴(yán)重影響使用壽命。所以實(shí)際使用前需設(shè)置對(duì)講機(jī)的電池監(jiān)測(cè)功能為開啟，使用時(shí)務(wù)必注意觀察電池工作情況。

(5)電池內(nèi)阻：鎳鎘和鎳氫電池的內(nèi)阻較小，所以能夠承受較大的放電電流，而且工作穩(wěn)定。鋰電池內(nèi)阻約為鎳鎘鎳氫電池的數(shù)倍，不能用于大電流供電場(chǎng)合。鋰電池工作電壓變化范圍較大，電池自身發(fā)熱也相對(duì)高。鋰電池使用時(shí)應(yīng)該避免過流過壓，否則會(huì)直接影響電池的使用壽命甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)。所以之前需要對(duì)其加裝保護(hù)板，用以限制充放電電壓以及限制電流輸出。

(6)現(xiàn)實(shí)生活中存在一些危險(xiǎn)場(chǎng)所，如燃料或化學(xué)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸和倉儲(chǔ)地，化工廠，油輪貨倉，空氣中含有大量細(xì)微砂粒、粉塵場(chǎng)所，面粉加工廠，亞麻加工廠，機(jī)械加工車間和煤炭加工場(chǎng)所等。若要在這些場(chǎng)所使用對(duì)講機(jī)，必須需要采用的是一種特殊的防爆型的對(duì)講機(jī)。防爆對(duì)講機(jī)除了對(duì)講機(jī)主機(jī)以外電池和充電器也要進(jìn)行防爆處理以達(dá)到防爆要求，還需要有密封的外殼和帶限制電流的輸出功能的安全型電池組。

4 充電和充電器

4.1 充電方式的選擇

充電的兩種制式

(1)在環(huán)境溫度20℃土5℃的條件下，以0.2C充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.01c，最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于8h，停止充電。此充電制式為檢驗(yàn)結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)作為仲裁采用的充電制式。

(2)在環(huán)境溫度20℃土5℃的條件下，以1C充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.01c，最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于2h，停止充電。

兩種制式中，第一種為常規(guī)方式，第二種是快速充電。當(dāng)前鐵路所采用的是第一種充電方式。

應(yīng)注意的是，電池放置一段時(shí)間后會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)容量會(huì)低于標(biāo)稱值。啟用前要進(jìn)行激活，經(jīng)過3～5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復(fù)正常容量。從一開始就采用標(biāo)準(zhǔn)方法充電的這種"自然激活"方式是最好的。

合理的充放電對(duì)對(duì)講機(jī)的使用以及電池組本身都會(huì)帶來好處，而用于運(yùn)輸生產(chǎn)的對(duì)講機(jī)電池充電設(shè)備更需要進(jìn)行精確合理的設(shè)計(jì)以期望達(dá)到最佳的使用狀態(tài)。

4.2 充電需避免的問題

在充電過程中電池的電壓會(huì)隨著儲(chǔ)存電量的增加而逐漸上升，當(dāng)電池儲(chǔ)存的電量達(dá)到飽和電極材料無法繼續(xù)充電時(shí)，若繼續(xù)充電則電池內(nèi)部電解液會(huì)引起電解，并且在陽極產(chǎn)生氧氣，在陰極產(chǎn)生氫氣，造成電池內(nèi)部壓力上升，會(huì)對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞甚至爆炸，像這種現(xiàn)象稱之為過度充電。

過度充電會(huì)造成不安全隱患和降低電池的使用壽命。為了防止電池過充，充電器應(yīng)具備充電檢測(cè)電路在電池充滿時(shí)及時(shí)停止充電。

鎳鎘電池的充電器常以-DV控制方式進(jìn)行充電，當(dāng)檢測(cè)到電壓低于最高值10～20（mV）時(shí)終止充電。

鎳氫電池則以0DV的控制方式，在充電電壓達(dá)到最高時(shí)，停止繼續(xù)充電（見圖1）。

圖1 鎳鎘、鎳氫充電器線路圖

而鋰電池則應(yīng)使用定電流、定電壓方式充電最好。需要指出的是鎳鎘電池需要通過先放后充的過程以克服它的"記憶效應(yīng)"（見圖 2）。

由于鎳鎘、鎳氫和鋰電池的充電方式以及充電終止電壓都不相同，所以充電機(jī)要采用不同的線路設(shè)計(jì)，且充電機(jī)之間相互不通用。

目前鐵路上所使用的充電機(jī)采用的是恒流定時(shí)方式，這樣的方式充電雖然簡(jiǎn)單但是有諸多弊端，例如無法識(shí)別不同容量的電池組，過量充電，充電效率低以及影響電池壽命。所以需要重新設(shè)計(jì)充電線路，并在充電線路設(shè)計(jì)中加入電池溫度控制電路。

圖2 鋰電池充電器線路圖

鐵路對(duì)講機(jī)一般都采用多組式充電機(jī)，有4組、6組和8組的規(guī)格。電源容量應(yīng)選擇大于2倍的總充電電流。6組和8組的充電器要求安裝散熱風(fēng)扇，對(duì)于充電機(jī)發(fā)熱元件要做好散熱工作。充電環(huán)境要干燥通風(fēng)。

5 結(jié)論

對(duì)講機(jī)的廣泛使用，它已成為鐵路運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要組成部分。要使得對(duì)講機(jī)安全高效的運(yùn)行，除了對(duì)講機(jī)主機(jī)的合適選擇之外，電池作為一個(gè)核心部件，也需要得到嚴(yán)格的控制。另外人員的操作也要遵守相關(guān)的規(guī)章制度。這樣，才能夠保證對(duì)講機(jī)在預(yù)期的年限內(nèi)正常使用。