505CH2 鎘鎳蓄電池的維護

■ 羅武/中國南方航空股份有限公司

蓄電池被廣泛用于民航飛機的地面維護、啟動輔助動力裝置，也用于飛機交流和直流電故障時的供電以及緊急情況下的供電。飛機蓄電池一般分為鋰蓄電池和鎘鎳蓄電池兩類。505CH2 是一種鎘鎳蓄電池，應(yīng)用于A330、A350、A380 等大型飛機。鎘鎳蓄電池的優(yōu)點是輕便、抗震、壽命長、大電流放電特性好。作為飛機重要的儲能裝置，鎘鎳蓄電池必須被正確地維護和使用才能保證其容量和性能。

1 505CH2 蓄電池工作原理

505CH2 鎘鎳蓄電池是一種堿性蓄電池，其正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負極活性物質(zhì)主要由鎘制成，電解液是氫氧化鉀溶液。如圖1 所示，505CH2蓄電池由20 個鎘鎳蓄電池單元體串聯(lián)連接組成。鎘鎳蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嚒睳iOOH〕，負極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k，儲蓄了能量；鎘鎳蓄電池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘嚕摌O板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。

圖1 505CH2蓄電池組成

放電過程：Cd+2NiOOH+2H2O →2Ni（OH）2+Cd（OH）

充電過程：2Ni（OH）2+Cd（OH）→Cd+2NiOOH+2H2O

FAR25.1353 要求飛機蓄電池必須安裝溫度和壓力傳感器，不會造成過熱和危險氣體積聚的風(fēng)險。505CH2 蓄電池安裝了符合規(guī)章要求的傳感器，可以感知溫度、電壓等參數(shù)的變化。

2 通常的維護方案

2.1 車間定期維護

在非裝機使用狀態(tài)下，蓄電池須按照部件維護手冊（CMM）的要求進行維護，以保護蓄電池并維持蓄電池的可用狀態(tài)。通常的維護方案有以下三類。

1）定期檢查

定期檢查主要是檢查電解質(zhì)液面是否正常。另外，對蓄電池進行目視檢查、輕度清潔、絕緣檢測、蓄電池組電壓測量和充電等操作。如果發(fā)現(xiàn)異常，則會進入大修流程。

2）常規(guī)檢測

常規(guī)檢測包括電氣恢復(fù)、調(diào)節(jié)電解質(zhì)液面位置、容量測試。常規(guī)檢測的一個重要目的是識別并恢復(fù)蓄電池的容量。另外，常規(guī)檢測也對蓄電池進行目視檢查、輕度清潔、絕緣檢測、單元體電壓測量和充電等操作。如果發(fā)現(xiàn)異常，則會進入大修流程。

3）大修

大修工作包括蓄電池組分解、完整清潔、組裝并完成定期檢測的工作，是對蓄電池進行的最完整的維護，確保蓄電池的性能恢復(fù)。

2.2 蓄電池在翼維護

在裝機使用情況下，蓄電池必須每日進行例行檢查，確定蓄電池的電壓正常（通常不低于24V），這些工作需要在飛機航前工卡或者過站的工卡內(nèi)進行。在飛機航后或較長停場期間，為避免蓄電池過度放電，應(yīng)將駕駛艙的蓄電池開關(guān)設(shè)置在關(guān)斷位。在飛機長期停放和封存期間，應(yīng)遵循飛機維護手冊的要求，將蓄電池拆下送至車間維護或者參照手冊進行在翼維護。在飛機恢復(fù)運行時，須確保蓄電池的容量正常，通常需要更換蓄電池。

飛機正常運營時，為保證蓄電池的容量，蓄電池必須定期從飛機拆下，完成定期常規(guī)檢測或大修。一般間隔為6 個月或2000 飛行小時拆下一次，拆下的蓄電池送回車間完成檢測，如果性能不符合要求，則需要對蓄電池排故或進行大修。

3 常見故障分析

3.1 故障模式

1）蓄電池內(nèi)部短路

單體蓄電池內(nèi)部短路主要是內(nèi)部正負極板之間的隔膜損壞，致使正負極板之間的隔離作用變?nèi)跻鸬摹Ｒ话阈铍姵剡^充電或蓄電池在高溫下工作，都容易造成隔膜失效。過充電會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度升高，溫度上升會導(dǎo)致蓄電池電壓下降。如果在飛機上使用穩(wěn)壓充電，就會造成充電電流比預(yù)期大，過充電量增加，循環(huán)往復(fù)，溫度升高蓄電池會出現(xiàn)“熱失控”，使隔膜損壞，蓄電池內(nèi)部短路。蓄電池在高溫下工作也會導(dǎo)致正負極隔離作用變?nèi)?，短路可能性增加。蓄電池短路會?dǎo)致單體蓄電池的電壓為0，蓄電池組的電壓和容量降低。

受水和電解質(zhì)等污染物的影響，單元體電池間以及單元體與蓄電池殼體間也會發(fā)生短路情況，導(dǎo)致蓄電池異常放電。

2）單體蓄電池單元的電壓過高

隨著使用時間的增加，電解液可能發(fā)生損耗。在反復(fù)充電的過程中，存在電流電解水的副反應(yīng)，水變成氫氣和氧氣脫離電解液。如果電解液不充足，會使正負極板部分外露，接受充電的極板面積減少，單體蓄電池的內(nèi)阻增大。如果充電電流不變，內(nèi)阻增大會導(dǎo)致電壓升高。這種電壓升高在充電初期可以通過萬用表測量發(fā)現(xiàn)。單體蓄電池的電壓高會使蓄電池組電壓偏高，容易導(dǎo)致蓄電池容量虛高。

3）蓄電池極性倒置

有些蓄電池組使用一段時間后，其中的某個單元體可能出現(xiàn)極性倒置。這是由于蓄電池可等效為電動勢和內(nèi)阻的串聯(lián)，假如一個蓄電池組中某蓄電池單元功能不佳，放電時會率先放完電。在放電后期，隨著蓄電池組繼續(xù)放電，這個單元體可能被反向充電，出現(xiàn)單元體電池反極性，作業(yè)電流在單元體內(nèi)阻上的電壓降大于蓄電池電動勢，單元體上壓降的增加導(dǎo)致整個蓄電池組的輸出電壓降低，嚴重影響蓄電池組的性能。此時，測量單元體蓄電池就會發(fā)現(xiàn)極性倒置，如果多個單元體出現(xiàn)極性倒置故障，蓄電池將不具備修理價值。

4）蓄電池容量下降

蓄電池的容量就是在額定的工況下能持續(xù)放電的能量。容量較大的蓄電池能在滿足工況的情況下持續(xù)放電，有較長的工作時間。

一方面，電解質(zhì)與空氣中雜質(zhì)混合會降低OH-離子和K+離子的濃度，使電解液惡化，形成的碳酸鹽等化合物積聚在電解液中，增加了蓄電池內(nèi)阻，導(dǎo)致蓄電池容量下降。另一方面，使用維護過程中，在單體蓄電池及組合箱表面有污物和電解液殘留，有水分蒸發(fā)和冷凝，都會導(dǎo)致蓄電池局部或整體自行嚴重放電，使蓄電池容量下降。

蓄電池的放電工況也會影響蓄電池容量。有可能蓄電池在0.1C 電流放電率時能放出100%容量，但在1C 電流放電率時卻可能只放出80%容量。如果蓄電池長時間在大電流放電后充電，往往就充不到100%的容量。長此以往，會構(gòu)成記憶效應(yīng)（如僅能充放80%的容量）。

檢測容量的方法：將蓄電池充滿電，單元體電壓應(yīng)不低于1.55V，在50A 的電流下持續(xù)放電1h，在放電0.5h 后測量每個單元體的電壓必須超過1V，放電1h 后蓄電池組電壓應(yīng)不低于20V，且任一單元體的水分消耗不超過平均值的30%，也不能超過60mL。如果電壓下降過快，如單體蓄電池低壓，則確認蓄電池容量下降。如果沒有其他缺陷，容量下降是可以恢復(fù)的，可以通過恢復(fù)電解質(zhì)、清潔蓄電池內(nèi)部單元體和箱體表面、徹底放電并恒流充電（電壓不固定）來恢復(fù)容量。需要注意的是，蓄電池在飛機上安裝使用時，由于飛機充電采用的是穩(wěn)壓充電，因此在位充電是無法恢復(fù)容量的，必須回到蓄電池車間進行容量恢復(fù)的操作。

當(dāng)飛機長期處于封存狀態(tài)時，應(yīng)避免使蓄電池處于孤立狀態(tài)無外部電路連接，因為這種孤立狀態(tài)會造成蓄電池容量下降，如圖2 所示。應(yīng)參照飛機維護手冊要求，確保蓄電池和外部電路有連接，緩慢放電。如果蓄電池脫開所有連接處于孤立狀態(tài)，蓄電池自身會緩慢放電，導(dǎo)致容量降低。蓄電池容量變化也與環(huán)境溫度有關(guān)，一般來說，環(huán)境溫度越高，容量下降越快。

圖2 孤立蓄電池容量下降曲線

3.2 某航司505CH2 蓄電池故障案例

本文收集了某航司從2014 年6 月～2020 年5 月間的蓄電池車間修理報告，主要研究了有故障報告的修理案例，忽略無故障報告情況，共整理了39 個故障報告。該航司按照定期維修方案，裝機的蓄電池每6 個月會送車間進行一次常規(guī)檢查，按照這個拆換頻率，故障率約為16.3%，即約16.3%的蓄電池在拆下送車間檢查時發(fā)現(xiàn)了故障。故障模式分別為容量低、蓄電池短路（包括絕緣電阻低等）、組件功能測試不通過（包括電壓超標等）、傳感器失效、BER 報廢（無修理價值，可能由多個單元體同時缺陷造成）等，如圖3 所示。

圖3 蓄電池故障報告分類

從故障分類情況來看，容量低是最常見的故障。如果沒有其他的并發(fā)故障，通過恢復(fù)電解液水平，進行充分放電和恒電流（可變壓）充電后，一般蓄電池容量可以恢復(fù)。如果仍然無法恢復(fù)，則需要更換蓄電池單元體。

絕緣電阻低（短路）情況也比較常見。由于水汽蒸發(fā)和冷凝，蓄電池需要定期檢查，保持清潔。蓄電池與殼體之間，電極與電極之間都可能因為污染發(fā)生短接。清潔和詳細目視檢查是防止絕緣電阻低的有效方法。

功能測試異常的情況比較復(fù)雜，可能是某項測試指標有偏差，也可能與容量低、絕緣電阻低、電壓異常、部件性能衰退等多個因素異常有關(guān)，需要結(jié)合車間維護手冊（CMM）進行檢測和排故。車間的常規(guī)檢查可以發(fā)現(xiàn)這些故障，通過定期常規(guī)檢查能有效恢復(fù)蓄電池的性能。

4 維護改進措施

1）蓄電池容量降低是使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的故障，與使用的環(huán)境、工況有關(guān)。容量的降低會影響蓄電池的供電性能，在緊急情況下可能達不到應(yīng)急系統(tǒng)的供電要求，造成安全隱患。需要嚴格執(zhí)行定期拆換蓄電池，送車間完成常規(guī)檢查。如果頻繁出現(xiàn)容量降低故障，需要考慮調(diào)整拆換/常規(guī)檢查的頻次以應(yīng)對蓄電池容量下降問題。

2）應(yīng)注意使用中的蓄電池清潔問題，尤其是濕熱環(huán)境下。由于飛行環(huán)境與地面環(huán)境變化較大，容易形成冷凝水，加上雜質(zhì)，容易導(dǎo)致蓄電池短路/絕緣電阻低情況，電解液也有揮發(fā)冷凝以及溢流的情況，同樣會造成蓄電池短路/絕緣電阻低。適當(dāng)?shù)难b機在位檢查可以識別出一些污染情況。車間常規(guī)檢查也應(yīng)謹慎做好蓄電池內(nèi)外的清潔。

3）飛機上安裝蓄電池的位置有通風(fēng)管路和排氣管路，通風(fēng)管用于冷卻蓄電池環(huán)境，排氣管直接將蓄電池產(chǎn)生的氣體排到機外。應(yīng)對通風(fēng)管和排氣管進行定期檢查，確保蓄電池在良好的環(huán)境下工作，不會造成危險氣體積聚。

4）常規(guī)檢查代替定期大修，即視情進行大修，可以減少不必要的蓄電池拆解和大修，降低維護成本。