水文儀器設(shè)備電源系統(tǒng)的管理維護

□陶新紅（河南省許昌水文水資源勘測局）

1 引言

近些年來，隨著對水文投入的增加，現(xiàn)代化的水文儀器在水文監(jiān)測工作中得到了廣泛使用，雨量、水位、墑情等遙測儀器設(shè)備陸續(xù)得到了應(yīng)用，走航式ADCP、全站儀、GPS測量儀器、自動墑情監(jiān)測儀等新儀器不斷引進、推廣和應(yīng)用。在這些新儀器的應(yīng)用中，都需要電源系統(tǒng)的支持，其電源系統(tǒng)涉及鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，為保證儀器設(shè)備的正常使用，需要結(jié)合電池特性認真做好電池的管理維護。

2 電池特性

2.1 鉛酸蓄電池

電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。充電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。根據(jù)鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)與用途區(qū)別，可分為：啟動類、動力類、固定型閥控類、其它類。鉛酸電池有6、12、24V等系列，常用于遙測設(shè)備、走航式ADCP、GPS測量儀器的供電系統(tǒng)等，水文儀器中使用的鉛酸蓄電池多為固定型閥控類，采用太陽能自動充電或市電充電。

2.2 鎳氫電池（Ni-MH）

鎳氫電池是目前最環(huán)保的電池，注重環(huán)保的國家都大力提倡使用鎳氫電池，因為易于回收再利用，且對環(huán)境的破壞也最小。不過鎳氫電池與鋰電池相比，還是有一些缺點。充電時間長、重量較沉、容量也比鋰電小，還有記憶效應(yīng)。用戶必須用盡后再充電。鎳氫電池的充電次數(shù)能夠達到700次以上，某些質(zhì)量好的產(chǎn)品充放電可達1 200次，比鋰電池長壽而且價格也很大眾化。

2.3 鋰離子電池（Li-ion）

它的陽極采用能吸納鋰離子的碳極，在放電時，鋰原子從石墨晶體內(nèi)陽極表面電離成鋰離子和電子，脫離電池陽極，到達鋰離子電池陰極。充電時，陰極中的鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽極運動與電子合成鋰原子。

3 電池優(yōu)缺點

鉛酸蓄電池。優(yōu)點:免維護蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上安全密閉的優(yōu)勢，使用時不需補充蒸餾水，維護上比較簡單，且無記憶效應(yīng)，它還具有耐震、耐高溫、使用壽命長、可回收性好的特點。缺點:比容小，即在同樣的容量下，電池重量和體積都大。

鎳氫電池（Ni-MH）。優(yōu)點:使用壽命長，易于回收再利用，對環(huán)境的破壞最小。缺點：存在記憶效應(yīng)，性能比鋰電池要差。

鋰離子電池（Li-ion）。優(yōu)點:鋰離子電池放電平臺平緩，單個電池的電壓高，能量密度高也就是電池比較輕。自放電小，沒有記憶效應(yīng)，好的電池，每月在2%以下，且可以恢復(fù)。工作溫度范圍寬為-20～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大，使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。缺點:缺點是價格昂貴，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，要求高。

4 電池維護注意事項

充電時，應(yīng)確保充電器的電極與電池的電極連接正確，即充電器的陽極與電池的正極相連接，充電器的陰極與電池的負極相連接?，F(xiàn)在鋰電池、鎳氫電池的充電器多為專用充電裝置，一般不會發(fā)生電極接反的現(xiàn)象。但對于鉛酸電池，因充電接頭多為金屬夾，易發(fā)生此類風(fēng)險，可根據(jù)顏色來判斷極性，通常紅色為正（陽）極，黑色為負（陰），顏色相對應(yīng)就可保證正確的連接。

不同容量、不同性能的蓄電池不能混用。特別是應(yīng)防止出現(xiàn)短路，否則易發(fā)生起火、爆炸的危險。

4.1 鉛酸蓄電池

沒有記憶效應(yīng)，但由于自放電，電池容量會緩慢減少，因此長期停用的蓄電池應(yīng)定期充電維護。

避免過放電，放電到終止電壓后，繼續(xù)放電稱為過放電，過放電會嚴(yán)重損害蓄電池，對蓄電池的電氣性能及循環(huán)壽命極為不利。蓄電池放電后應(yīng)立即再充電，若放電后的蓄電池擱置時間太長，即使再充電也不能恢復(fù)其原容量。

過充電會增加蓄電池內(nèi)水分損失，加速板柵腐蝕，使活性物質(zhì)軟化，而且會提高蓄電池變形的概率，因此應(yīng)盡量避免過充電現(xiàn)象的發(fā)生。選擇合適的充電器，保證充電電流和電壓等參數(shù)與蓄電池的良好匹配。

鉛酸電池適應(yīng)范圍較廣，但應(yīng)盡可能通風(fēng)散熱良好，夏秋高溫季節(jié)，使用時要盡可能避免高溫環(huán)境。若蓄電池使用或充電時出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，要立即停止使用，關(guān)閉電源，采取降溫措施，待溫度正常時才能進行使用或充電。蓄電池放電深度較淺，可不充或少充，外界溫度偏高時應(yīng)減少充電時間，并注意觀察電池溫度。鉛酸電池可在0～35℃的環(huán)境下存放，存放地點應(yīng)清潔、通風(fēng)、干燥，避免陽光直射。

4.2 鎳氫電池（Ni-MH）

一般情況下，新的鎳氫電池只含有少量的電量，使用前要先進行充電然后再使用。但如果電池出廠時間比較短，電量很足，推薦先使用然后再充電。新買的鎳氫電池一般要經(jīng)過3-4次的充電和使用，性能才能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

雖然鎳氫電池的記憶效應(yīng)小，但仍建議盡量每次使用完后再充電，并且是一次性充滿，不要斷斷續(xù)續(xù)的充電。周期性地將電放完然后再充滿有利于保持電池的容量與質(zhì)量。電池充電時，要注意充電器周圍的散熱，為了避免電量流失等問題發(fā)生，保持電池兩端的接觸點和電池蓋子的內(nèi)部干凈，必要時使用柔軟、清潔的干布輕擦。長時間不用的時候，要把電池從電池倉中取出，置于干燥的環(huán)境中推薦放入電池盒中，可以避免電池短路。鎳氫電池的自放電效應(yīng)較明顯，約為每月30%或更多。電池越是充的滿，其自放電速率就越快，當(dāng)電池電量下降至一定程度，其自放電速率又會稍微下降。電池所處環(huán)境溫度對自放電速率也有很大的影響，所以，如果長時間不用，建議充電到“半滿”狀態(tài)。如果電池完全放電后再保存，很長時間內(nèi)不使用，電池的自放電現(xiàn)象就會造成電池的過放電，會損壞電池，嚴(yán)重時會造成電池報廢。因此對鎳氫電池應(yīng)定期放電充電，充電時建議采用慢充方式充電，以延長其使用壽命。盡量不要對鎳氫電池進行過放電，過放電會損壞電池，導(dǎo)致充電失敗，其危害遠遠大于鎳氫電池本身的記憶效應(yīng)。

4.3 鋰離子電池（Li-ion）

放電電流不能過大，過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。絕對不能過放電，過放會使電池壽命縮短，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電池失效。電池不用時，應(yīng)將電池充滿電。

電池出廠時，已充電到約50%的電容量，新購的電池可直接使用。電池第一次用完后充足電再用，第二次用完后再充足電，這樣連續(xù)3次后，電池可達到最佳使用狀態(tài)。

對鋰離子電池充電，應(yīng)使用專用的鋰離子電池充電器。鋰離子電池充電采用“恒流/恒壓”方式，先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電。

對電池充電時，其環(huán)境溫度不能超過產(chǎn)品特性表中所列的溫度范圍。電池應(yīng)在0～45℃溫度范圍內(nèi)進行充電，遠離高溫（高于60℃）和低溫（-20℃）環(huán)境。

鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。在使用中應(yīng)盡可能防止過充電及過放電。在充電過程中，充滿后應(yīng)及時斷開充電器。放電深度淺時，循環(huán)壽命會明顯提高。因此在使用時，不要等到出現(xiàn)電量不足的信號時才去充電，更不要在出現(xiàn)此信號時繼續(xù)使用。充電量是充電電流與充電時間的乘積，在充電電壓為定值的情況下，充電電流越大，則充電速度越快，但充電電流過大，會損害鋰電池，造成電池容量不足，原理是電池的部分電極活性物質(zhì)在沒有進行充分的電化學(xué)反應(yīng)就停止充電，這種現(xiàn)象會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

第一次充電，盡可能在充足電后多充一段時間，使用時則強制用到規(guī)定的電壓或直至自動關(guān)機，如此能激活電池使用容量。但在鋰離子電池的平常使用中，不需要如此操作，可以隨時根據(jù)需要充電，充電時既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作，只需要每隔3～4個月進行連續(xù)的1～2次即可。長期不用時，盡可能充滿再放置，并定期檢查電池電量，若電量過低，其過放電會損害電池，嚴(yán)重時造成電池報廢。

5 結(jié)語

對水文儀器常用的以上三種蓄電池，需要根據(jù)電池特性，掌握正確的充電和維護方法，以保證電池的可用性。在使用過程中對鉛酸電池和鋰離子電池可隨時充電，不必等電池電量耗盡再充電，而對鎳氫電池因有記憶效應(yīng)宜在電量基本耗盡后再充充電，中間不宜停頓。

電池較長時間不用時，因有不同程度的自放電效應(yīng)，應(yīng)定期對電池進行充電維護，以保證電池的性能，延長電池使用壽命。