新聞主題	柴油發電機啟動電瓶的電壓和容量

 

摘要：蓄電池主要用于啟動時給柴油機起動機以及各個電氣設備供電，所以蓄電池又稱啟動型電瓶。目前，柴油發電機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，極板上參加電化學反應的活性物質為二氧化鉛和鉛。為滿足柴油發電機啟動需要，使用者應理解啟動電瓶的相關參數和技術要求。康明斯公司在本文中舉例說明了發電用蓄電池的容量、能量與使用壽命，包括與啟動電壓、放電電流之間的關系。

 

一、啟動電瓶的性能指標

 

      啟動電瓶容量是指啟動電瓶存儲電量的大小，即啟動電瓶放電電荷的總量，一般以Ah（安時）做單位。啟動電瓶儲存的能量，即為啟動電瓶放電所能做的電功的多少，單位為J（焦爾）。啟動電瓶的使用壽命卻是根據啟動電瓶的不同，會有不同的作用壽命和計算方法。蓄電池充電特性曲線如圖1所示。

1、啟動電瓶的容量

      人們使用的各類電池都是將其它形式的能量轉化為電能的裝置，而啟動電瓶大多都是化學啟動電瓶，即將化學能轉化為電能的。啟動電瓶對柴油發電機啟動系統供電的過程叫放電過程。啟動電瓶容量是指啟動電瓶存儲電量的大小，即啟動電瓶放電電荷的總量叫啟動電瓶容量（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，在允許放電范圍內，以一定值的電流連續放電10h，單格電壓降到1.7V時所輸出的電量。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，可以12.6A的電流供電，能連續放電10h。

      在衡量大容量啟動電瓶時，為了方便起見，一般用“Ah”（安時）來表示。如電瓶就有標有105Ah、200Ah不等。對于啟動電瓶而言其體積越大，內部裝的化學藥品越多其容量越大，這就是體積越大的啟動電瓶越耐用的道理。

2、啟動電瓶的電壓

      電瓶每單格的名義電壓通常為2V，而實際電壓隨充電和放電情況而定。隨著放電過程的進行，電壓將緩慢下降。當電壓降到1.7V時，不應再繼續放電，否則電壓將急劇下降，影響電瓶的使用壽命。

      為了柴油發電機工作需要一般使用的啟動電瓶電壓都設定為12V。不同型號的啟動電瓶，他的容量越高，提供使用的時間越長。在柴油發電機中，最常見的啟動電瓶組合方式是串聯，即把啟動電瓶正負極首尾相連，如把2個12V、200Ah的啟動電瓶串聯，就組成了一個電壓是24V、容量為200Ah的啟動電瓶組。這樣雖然沒有提高啟動電瓶的容量，但總能量卻提高了（W=UQ，U為總電壓）。

3、啟動電瓶儲存的能量

      啟動電瓶儲存的能量，即為啟動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）相當于0.24度電。不需要很復雜的計算的，安時本身就是儲電容量的一個指標，安時乘以電壓除以1000就是多少度電的“度”也叫千瓦時。啟動電瓶的容量沒有直接測定的儀表，隨著啟動電瓶的放電，容量會慢慢下降，儲存的能量也會下降。

4、啟動電瓶的使用壽命

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

      啟動電瓶的使用壽命與放電的電流大小和啟動電瓶的容量大小有關，即為啟動電瓶放電時間：

t=Q/I（I為放電電流）

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

5、冷啟動電流（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。這個指標把啟動電瓶的啟動能力與發動機的排量、壓縮比、溫度、啟動時間、發動機和電氣系統的技術狀態以及啟動和點火的最低使用電壓這些重要的變量聯系起來。它是指充滿電的12V啟動電瓶在30s內，其端電壓下降到7.2V時，啟動電瓶所能供給的最小電流，冷啟動額定值給出的是總電流值。

 

圖1  啟動蓄電池恒壓充電特性曲線

圖2  啟動蓄電池充電深度與循環壽命曲線

 

二、鉛蓄電池的型號

 

1、鉛蓄電池的型號規定

      根據JB/T 2599-2012《鉛酸蓄電池名稱、型號編制與命名方法》部頒標準，鉛蓄電池型號由三部分組成，如圖3所示。

（1）第一部分：串聯的單體電池數，用阿拉伯數字表示。當串聯的電池數為1時，稱為單體電池，可以省略此部分。

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

      表1中電池的類型是按產品的用途進行分類的，這是電池型號中必須加以表示的部分。而電池的特征是型號的附加部分，只有當同類型用途的電池產品中具有某種特征而型號又必須加以區別時采用。這是因為同一用途的蓄電池可以采用不同結構的極板，或者出廠時電池極板的荷電狀態不同，或者電池的密封方式不同等，所以有必要加以區別。

（3）第三部分：電池的額定容量。

      以型號為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型號后加D表示低溫啟動性能好，如6-110D。②型號后加HD表示高抗振型。③型號后加DF表示低溫反裝，如6-165DF。

表1    鉛蓄電池類型與特征的關鍵字及其含義

 

2、鉛蓄電池的型號舉例

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（12V）的啟動用鉛蓄電池組，額定容量為150A·h。

③ 3-QA-120：表示3只單體電池串聯（6V）的啟動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（4V）的內燃機車用鉛蓄電池組，額定容量為360A·h。

⑥ T-450：表示鐵路客車用鉛蓄電池，額定容量為450A·h。

⑦ D-360：表示電瓶車用（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（6V）的摩托車用鉛蓄電池組，額定容量為120A·h。

 

圖3  啟動蓄電池型號含義解讀方法

圖4  柴油發電機蓄電池結構圖

 

三、閥控式密封鉛蓄電池的結構

 

      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。由于這類電池要達到密封的要求，即充電過程中不能有大量的氣體產生，只允許有極少量的內部消耗不完的氣體排出，所以其結構與一般的（富液式或排氣式）鉛蓄電池的結構有很大的不同，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構比較

 

1、電極

      閥控式密封鉛蓄電池采用無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，電解液處于不流動的狀態，即電解液全部被極板上的活性物質和隔膜所吸附，其電解液的飽和程度為60％～90％。低于60％的飽和度，說明閥控式密封鉛蓄電池失水嚴重，極板上的活性物質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散通道被電解液堵塞，不利于氧氣向負極擴散。

      由于閥控式密封鉛蓄電池是貧電解液結構，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，還必須有很強的儲液能力才能使電解液處于不流動的狀態。目前采用的超細玻璃纖維隔膜具有儲液能力強和孔隙率高（＞90％）的優點。它一方面能儲存大量的電解液，另一方面有利于透過氧氣。這種隔膜中存在著兩種結構的孔，一種是平行于隔膜平面的小孔，能吸儲電解液；另一種是垂直于隔膜平面的大孔，是氧氣對流的通道。

4、電池槽

（1）電池槽的材料

      對于閥控式密封鉛蓄電池來說，電池槽的材料除了具有耐腐蝕、耐振動和耐高低溫等性能以外，還必須具有強度高和不易變形的特點，并采用特殊的結構。這是因為電池的貧電解液結構要求用緊裝配方式來組裝電池，以利于極板和電解液的充分接觸，而緊裝配方式會給電池槽帶來較大的壓力，所以電池的容量越大，電池槽承受的壓力也就越大；此外電池的密封結構所帶來的內壓力在使用過程中會發生較大的變化，使電池處于加壓或減壓狀態。

      閥控式密封鉛蓄電池的電池槽材料采用的是強度大而不易發生變形的合成樹脂材料，以前曾用過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脂。這種材料的缺點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嚴重。

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點。但水蒸氣泄漏嚴重，僅稍好于SAN材料，而且氧氣滲漏比SAN還嚴重。

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

④ PVC：聚氯乙烯燒結物。優點有絕緣性能好，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） 電池槽的結構

      對于閥控式密封鉛蓄電池來說，由于其緊裝配方式和內壓力比較大，電池槽采用加厚的槽壁，并在短側面上安裝加強筋，以此來對抗極板面上的壓力。此外電池內壁安裝的筋條還可形成氧氣在極群外部的繞行通道，提高氧氣擴散到負極的能力，起到改善電池內部氧循環性能的作用。

      固定用閥控式密封鉛蓄電池有單一槽和復合槽兩種結構。小容量電池采用的是單一槽結構，而大容量電池則采用復合槽結構（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壓力所帶來的壓力，但槽壁太厚不利于電池散熱，所以須采用多格的復合槽結構。大容量電池有高型和矮型之分，由于矮型結構的電解液分層現象不明顯，且具有優良的氧復合性能，所以采用等寬等深的矮型槽。若單體電池采用復合槽結構，則其串聯組合方式。

5、安全閥

（1）作用

      閥控式密封鉛蓄電池的安全閥又稱節流閥，其作用有二：一是當電池中積聚的氣體壓力達到安全閥的開啟壓力時，閥門打開以排出電池內的多余氣體，減小電池內壓；二是單向排氣，即不允許空氣中的氣體進入電池內部，以免引起電池的自放電。

（2）結構形式

      安全閥主要有帽式、傘式和柱式三種結構形式，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）開閉動作

      安全閥開閉動作是在規定的壓力條件下進行的，該規定的安全閥開啟和關閉的壓力分別稱為開閥壓和閉閥壓。開閥壓的大小必須適中，開閥壓太高易使電池內部積聚的氣體壓力過大，而過高的內壓力會導致電池外殼膨脹或破裂，影響電池的安全運行；若開閥壓太低，安全閥開啟頻繁，使電池內水分損失嚴重，并因失水而失效。閉閥壓的作用是讓安全閥及時關閉，以防止空氣中的氧氣進入電池，以免引起電池負極的自放電。生產廠家不同，閥控式密封鉛蓄電池的開閥壓與閉閥壓也不同，各生產廠家在產品出廠時已設定。

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，即大部分電解液被吸附在超細玻璃纖維隔膜中，其余的被極板所吸收。為了保證氧氣能順利擴散到負極，要求隔膜和極板活性物質不能被電解液所飽和，否則會阻礙氧氣經過隔膜的通道，影響氧氣在負極上的還原。為了使電化學反應能正常進行，必須使極板上的活性物質與電解液充分接觸，而貧電解液結構的電池只有采取緊裝配的組裝方式，才能達到此目的。

      采用緊裝配的組裝方式有三個優點：

（1）使隔膜與極板緊密接觸，有利于活性物質與電解液的充分接觸；

（2）保持住極板上的活性物質，特別是減少正極活性物質的脫落；

（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，使氧氣充分地擴散到負極被吸收，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，為內連接方式，安全閥上面有一蓋子通過幾個點與電池殼相連，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有連接條和安全閥，只有正負極柱。

 

圖5   復合槽蓄電池的串聯組合方式

圖6  蓄電池安全閥的結構示意圖

 

總結：

      在實際使用中，電瓶的容量不是一個定值。影響放電容量的因素很多，除了電瓶的結構、極板的數量和面積、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。如放電電流過大，化學反應只在極板的表面進行而不能深入內部，電壓便迅速下降，使容量減少。當溫度降低時，會導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，柴油發電機啟動所用的電瓶容量不足的重要原因。因此，在冬季和較嚴寒地區對電瓶必須采取保溫措施，否則難以啟動柴油發電機。

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