高原高寒環(huán)境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響及其維護(hù)

蔡 濱，李斐如，馬 巍，付 康

(中國人民解放軍駐五八O 八廠軍事代表室，山東 泰安，271000)

車輛用蓄電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，屬于低壓直流電源，它在車輛上與發(fā)電機(jī)并聯(lián)，并向用電設(shè)備供電［1］。軍用特種車輛多采用鉛酸蓄電池，它具有電動(dòng)勢高、內(nèi)阻小、放電電壓平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，比較適應(yīng)車輛啟動(dòng)時(shí)短時(shí)間內(nèi)大電流放電的需要。

目前，關(guān)于蓄電池容量及老化預(yù)測的理論研究較多。如，Matthias Dürr 等［2］研究了蓄電池容量與電壓的動(dòng)態(tài)模型，Sun 等［3］研究一種通過測試蓄電池放電后的容量而確定其老化情況的方法。但是，由于在高原高寒等極端環(huán)境條件作業(yè)的各類型車輛很少，因而對車用蓄電池在高原高寒環(huán)境下的性能特點(diǎn)及其維護(hù)鮮有研究。高原高寒環(huán)境的特點(diǎn)是溫度低、晝夜溫差大，軍用特種車輛在高原高寒環(huán)境使用時(shí)，蓄電池的性能受環(huán)境溫度影響較大［4］，若使用維護(hù)不當(dāng)，易導(dǎo)致蓄電池發(fā)生故障，降低其使用壽命，影響裝備的完好率。

本文根據(jù)蓄電池存儲(chǔ)電能的基本原理，分析了高原高寒環(huán)境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響，提出了較為簡便的維護(hù)措施，有利于提高蓄電池的維護(hù)效率和軍用特種車輛裝備的完好率。

1 高原高寒環(huán)境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響

高原環(huán)境的特點(diǎn)是晝夜溫差大，夜間溫度低;高寒地區(qū)在冬季低溫可達(dá)-40 ℃以下。低溫條件下，蓄電池的放電能力等性能降低，如果不正常維護(hù)，易造成車輛使用時(shí)出現(xiàn)故障。

1.1 對蓄電池容量的影響

同型號(hào)的蓄電池以相同的放電電流、在一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)放電時(shí)，容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減少，其原因主要有3 個(gè)方面。

(1)蓄電池的電動(dòng)勢與環(huán)境溫度成正比。在較高的工作溫度下放電，蓄電池可以獲得較大的電量，溫度較低時(shí)，電量減少。

(2)低溫降低了負(fù)極活性物質(zhì)的利用率。蓄電池在低溫狀態(tài)下放電時(shí)，負(fù)極板鉛電極逐漸形成硫酸鉛，硫酸鉛隨放電時(shí)間增加而逐步向電極深處擴(kuò)展，使活性物質(zhì)中的微孔變窄，同時(shí)電極區(qū)至反應(yīng)區(qū)距離增大，又使擴(kuò)散速度變小。因此，部分微孔被堵塞，被堵塞的微孔內(nèi)部電解液很快變稀，在低溫下這種微孔發(fā)生凍結(jié)。溫度越低，微孔堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率降低［5］。嚴(yán)重時(shí)可能變成致密的硫酸鉛層，使電池鈍化而終止放電。

(3)低溫使蓄電池的內(nèi)阻增大。當(dāng)環(huán)境溫度降至0 ℃以下，溫度每降低10 ℃，內(nèi)阻約增大15%左右。這是因?yàn)?，低溫時(shí)電解液黏度變大，擴(kuò)散速度降低，使得內(nèi)阻增大［6］。內(nèi)阻的增大導(dǎo)致電極反應(yīng)速度降低，加劇了電極濃差極化的影響，因而使蓄電池的容量降低。

根據(jù)相關(guān)理論研究，環(huán)境溫度和蓄電池容量的關(guān)系為［7］

式中:Ct為t℃時(shí)的蓄電池容量;Ce為25 ℃時(shí)的蓄電池容量;K為溫度系數(shù)，與放電速率有關(guān)。當(dāng)采用C/10 放電時(shí)(C為蓄電池額定容量)，K為0.006/℃;當(dāng)采用C/3 放電時(shí)，K為0.008/℃;當(dāng)采用C/1 放電時(shí)，K為0.01/℃。

以額定容量為180 Ah 的蓄電池為例，在18 A(C/10)、60 A(C/3)和180 A(C/1)下放電時(shí)，其在不同溫度下的實(shí)際容量見表1?？梢?，-20 ℃時(shí)，蓄電池在3 種電流下放電時(shí)的實(shí)際容量分別為額定容量的73%、64%和55%;當(dāng)溫度達(dá)到-40 ℃時(shí)，其實(shí)際容量進(jìn)一步降低到額定容量的61%、48%和35%。

表1 不同溫度下蓄電池的實(shí)際容量Ah

綜上所述，低溫下，蓄電池的實(shí)際容量減小，將導(dǎo)致蓄電池放電能力降低，易造成車輛起動(dòng)困難。因此，溫度越低越需控制蓄電池的放電程度。通常，冬季時(shí)蓄電池的放電程度不得超過額定容量的25%，夏季時(shí)不得超過50%。

1.2 對蓄電池充電接收能力的影響

在鉛酸蓄電池充放電過程，存在電化學(xué)極化和濃差極化，大電流充放電主要受濃差極化的影響。鉛酸蓄電池在低于0 ℃以下充電時(shí)，擴(kuò)散電流密度明顯減小，而交換電流密度減小不多，所以濃差極化加?。?］，使蓄電池充電接收能力被限制，導(dǎo)致充電效率降低。

1.3 對蓄電池極板的影響

正常狀態(tài)下，蓄電池放電時(shí)，極板上會(huì)形成較小的硫酸鉛顆粒，充電過程中可還原為二氧化鉛和純鉛。但是，若使用中蓄電池放電電流不當(dāng)或放電后長期不充電，極板上的硫酸鉛在環(huán)境溫度較高時(shí)溶解到電解液中，溫度越高溶解量越大。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，電解液中的硫酸鉛會(huì)逐漸達(dá)到過飽和狀態(tài)，從電解液中析出，再次結(jié)晶形成粗晶粒的硫酸鉛覆蓋在極板上。再次結(jié)晶的硫酸鉛在正常充電時(shí)不能還原，這種現(xiàn)象稱為極板硫化［9］。

高原高寒環(huán)境下，晝夜溫差大。一旦蓄電池處于充電不足的狀態(tài)，極板上的硫化鉛在白天溫度較高時(shí)大量溶解到電解液中，在夜間溫度較低時(shí)再次析出?？梢?，高原高寒環(huán)境將加速極板硫化的過程，使蓄電池更易出現(xiàn)極板硫化現(xiàn)象。

極板硫化將導(dǎo)致蓄電池充放電的電化學(xué)反應(yīng)不能正常進(jìn)行，導(dǎo)致蓄電池容量降低、內(nèi)阻增大，使車輛啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)電能不足等故障。極板硫化是蓄電池早期損壞的主要原因之一。因此，高原高寒環(huán)境下，尤其要防止極板硫化的發(fā)生。其主要方法是避免低溫大電流放電和蓄電池長期充電不足。

2 某型特種車輛在高原使用時(shí)蓄電池的故障現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)分析

以某型特種車輛為例。在高原使用時(shí)，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為-14 ℃左右，蓄電池出現(xiàn)結(jié)冰、起鼓現(xiàn)象，檢測發(fā)現(xiàn)故障蓄電池的電解液體積質(zhì)量低于1.1 g/m3。正常的蓄電池電解液體積質(zhì)量為1.28 g/m3，冰點(diǎn)在-60 ～-50 ℃，可以滿足高原高寒環(huán)境的使用要求。但是，當(dāng)蓄電池放電較多，充電不足時(shí)，電解液濃度降低，導(dǎo)致電解液冰點(diǎn)上升，使電解液在低溫下出現(xiàn)結(jié)冰。

為驗(yàn)證蓄電池電量不足對其出現(xiàn)結(jié)冰、起鼓現(xiàn)象的影響。運(yùn)用HLT705QS-5 型高低溫試驗(yàn)箱對剩余容量分別為100%(A)、60%(B)、40%(C)和20%(D)的4 塊某型低溫蓄電池進(jìn)行了低溫冷凍實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)箱的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 HLT705QS-5 型高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)溫度分別為0、-10、-20、-30、-40、-50 ℃，各溫度下的實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為24 h。圖1 為蓄電池的低溫實(shí)驗(yàn)圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 蓄電池的低溫實(shí)驗(yàn)示意

表3 蓄電池低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見，-20 ℃時(shí)，剩余容量為60%的蓄電池出現(xiàn)碎冰現(xiàn)象，剩余容量為40%和20%的蓄電池出現(xiàn)凝冰和輕微起鼓現(xiàn)象。溫度降低至-40 ℃時(shí)，剩余容量為60%、40%和20%的蓄電池均出現(xiàn)凝冰現(xiàn)象，并伴有不同程度的起鼓，而剩余容量為100%的蓄電池則保持正常狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)表明:蓄電池在充電良好的狀態(tài)下，能滿足-40 ℃的使用環(huán)境，而如果蓄電池匱電，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰起鼓等問題。這就要求在高原高寒環(huán)境下，需加強(qiáng)對蓄電池充電情況的檢查，如發(fā)現(xiàn)情況，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充充電，防止出現(xiàn)結(jié)冰、起鼓現(xiàn)象。

3 高原高寒環(huán)境下軍用特種車輛蓄電池的維護(hù)措施

對蓄電池進(jìn)行維護(hù)通常需要多種檢測儀器設(shè)備，如電壓表、密度計(jì)等，且要求維護(hù)人員具備一定的專業(yè)知識(shí)。隨著我軍機(jī)械化和信息化的不斷發(fā)展，大量新型的特種車輛裝備列裝部隊(duì)，部隊(duì)在檢測維護(hù)設(shè)備和專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備上出現(xiàn)不足。為此，根據(jù)高原高寒條件對軍用特種車輛蓄電池性能的影響，提出了一些維護(hù)蓄電池的簡便措施，可促進(jìn)高原高寒地區(qū)部隊(duì)對蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)，防止因蓄電池性能降低影響軍用特種車輛裝備的使用與訓(xùn)練。

3.1 日常使用中蓄電池的維護(hù)

(1)防止過放電。車輛啟動(dòng)時(shí)，蓄電池放電電流大，為防止過放電，每次使用啟動(dòng)機(jī)不超過5 s，2次啟動(dòng)間隔應(yīng)在15 s 以上，切忌連續(xù)點(diǎn)火啟動(dòng)。

(2)檢查電解液液面。正常情況下，電解液液面應(yīng)位于蓄電池外殼標(biāo)識(shí)的“min”與“max”刻線之間，且各單格液面高度應(yīng)均勻一致。由于電解液中水分的蒸發(fā)，液面會(huì)逐漸下降，此時(shí)需要及時(shí)補(bǔ)充蒸餾水。檢查的頻率一般冬季每10 ～15 d 檢查1 次，夏季每5 ～7 d 檢查1 次。

需要特別注意的是補(bǔ)充電解液時(shí)只能加注蒸餾水，無蒸餾水可用雨水或雪水;不可用河水或自來水，以免混入雜質(zhì)造成自放電故障;也不可加注電解液或硫酸，因?yàn)榧幼㈦娊庖夯蛄蛩釙?huì)使電解液的密度增大，加速極板腐蝕及硫化。

(3)檢查和清潔蓄電池外部。定期對蓄電池外部進(jìn)行檢查和清潔。主要包括:①檢查蓄電池的安裝是否牢靠。軍用特種車輛常在高低不平的路上顛簸行駛，若蓄電池安裝不牢，將在安裝座內(nèi)上下左右竄動(dòng)撞擊，可能導(dǎo)致殼體震裂、接線頭松動(dòng)和內(nèi)部極板受損。②檢查蓄電池及各極柱導(dǎo)線夾頭的固定情況，應(yīng)無松動(dòng)現(xiàn)象。③檢查蓄電池蓋上的通氣孔。倘若通氣孔被堵，應(yīng)進(jìn)行清理，否則蓄電池充電時(shí)產(chǎn)生的氣體可能將殼體脹破。④定期清除極柱樁頭上的污染物和氧化物，擦凈連接線外部及夾頭，清理后用凡士林涂抹，以防再度銹蝕。⑤清潔蓄電池蓋上的灰塵污物及溢出的電解液，有助于防止自放電。

(4)采取一定的保溫措施。溫度低于-20 ℃時(shí)，有必要對蓄電池采取保溫措施?？蓪⑿铍姵匦断拢湃胧覂?nèi)保暖，次日使用時(shí)再裝上。盡管比較繁瑣，但能夠有效保持蓄電池的溫度，提高其工作性能。

3.2 長時(shí)間不使用時(shí)蓄電池的維護(hù)

車輛長期放置不用時(shí)(1 ～2 個(gè)月)，蓄電池通常存在不同程度的自放電現(xiàn)象［10］，導(dǎo)致蓄電池容量降低，再次使用時(shí)易出現(xiàn)無法啟動(dòng)等故障。因此，需要定期將蓄電池拆下進(jìn)行補(bǔ)充充電(一般每月1 次)。

在沒有充電設(shè)備的情況下，也可通過跑車的方式，利用車上的發(fā)電機(jī)對蓄電池進(jìn)行充電(跑車?yán)锍掏ǔＴ? km 以上)。

3.3 封存時(shí)蓄電池的維護(hù)

超過2 個(gè)月不使用時(shí)，部隊(duì)通常需要對車輛進(jìn)行封存。封存時(shí)，需將蓄電池拆下后放入室內(nèi)(溫度5 ～40 ℃)保存，并由專門技術(shù)人員定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

3.4 換季時(shí)蓄電池的維護(hù)

電解液密度對蓄電池的性能影響很大。如果密度過小，在使用時(shí)，極板還未放完電，電解液就已接近于水，不利于蓄電池最大限度地發(fā)揮作用。如果密度過大，盡管可在一定程度上提高容量，但會(huì)加劇極板的腐蝕，影響蓄電池的使用壽命。在高原高寒地區(qū)，為防止電解液在低溫下結(jié)冰，冬季時(shí)可適當(dāng)調(diào)高電解液密度;春季氣溫回升后，將電解液密度調(diào)低至原值。蓄電池電解液密度調(diào)節(jié)值見表4。

表4 冬季蓄電池電解液密度調(diào)節(jié)值 g/cm3

4 結(jié) 語

(1)高原高寒環(huán)境易造成蓄電池的放電能力降低，特別當(dāng)溫度低于-20 ℃時(shí)，蓄電池易因容量不足而導(dǎo)致結(jié)冰等故障。

(2)為防止高原高寒環(huán)境下軍用特種車輛蓄電池的早期損壞，需根據(jù)特種車輛的使用頻率、存放情況和季節(jié)變化等進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，以提高軍用特種車輛裝備的完好率。

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