康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油机启动电瓶充放电原理、技术检查和维护保养

 

摘要：柴油发电机组作为应急备用电源设备，平时绝大多数时间处于待机状态，投入使用时间较少，为使柴油发电机组在平时开机较少的前提下，在应急时能及时供电和安全可靠运行，停电结束后完成应急任务又能立即停机，必须做好柴油发电机组的日常维护保养和管理工作。康明斯公司在本文中主要强调了启动系统和蓄电池各自组成及作用，重点论述了蓄电池的充放电过程和工作原理，以及启动电瓶的后期维护保养相关内容。

 

一、启动系统组成与作用

 

1、启动系统的组成

       柴油发电机组是由柴油机、 相交流同步发电机、控制屏、起动和控制用蓄电池等组成（实物安装如图1所示）。而启动系统主要由蓄电池、充电机、调节器、充电指示灯、启动开关等组成（电路如图2所示）。其中，蓄电池是发电机组的起动电源，起动系统需要24v的电池电流，由二只12v铅酸电池串联而成。连接时需注意正负极，同时注意蓄电池的负极放在最后连接以减少电弧的危险。蓄电池是柴油发电机组不可缺少的部分，约有90％的充电机故障源于蓄电池。

 

图1  柴油发电机组实物安装图

图2   柴油机启动系统电路图

 

2、启动系统的作用

      简单而言，启动系统的作用就是向发电机组上的用电设备供电。在发电机组上，蓄电池和充电机是并联连接配合供电的。它们配合供电的情况如下：

① 启动发动机时，由蓄电池向起动机、启动开关、控制器等主要用电设备供电。

② 发动机启动后，充电机电压低于蓄电池电压时，由蓄电池向发电机组上的用电设备供电。

③ 发动机正常运行，充电机电压高于蓄电池电压时，由充电机向发电机组上除起动机以外的所有用电设备供电，同时向蓄电池充电。

④ 当同时工作的用电设备过多，用电量过大，超过充电机供电能力时，蓄电池协助充电机向用电设备供电。

      蓄电池、充电机与发电机组用电设备都是并联的。在发动机正常工作时，用电设备主要由充电机供电，同时充电机还向蓄电池充电，所以充电机在发电机组上是主要的供电电源；而启动时，主要由蓄电池向起动机提供强大的启动电流，所以将蓄电池称发电机组的启动电源；放电警告灯用来指示蓄电池的充放电状况；调节器的作用是使充电机在转速变化时，能保持其输出电压恒定。

3、启动系统的电流流向

      当启动开关处于ON位置时，电流从蓄电池流向充电机的励磁绕组供电。这是因为充电机是通过导体切割磁力线来发电的，但充电机产生磁力线的磁体不是永久磁体，而是电磁体，它要通过内部线圈通以电流来产生磁场。因此，在启动发动机时，充电机准备发电之前必须由蓄电池向充电机励磁绕组供电。

（1）当启动开关处于ON位置，但发动机不运行时，启动系统中电流的流向如图3所示。

（2）当启动开关处于ON位置，且发动机运行时，启动系统中电流的流向如图4所示。

 

图3  发动机不运行时启动电池电流流向

图4  发动机运行时启动电池电流流向

 

 

二、蓄电池的结构及原理

 

      蓄电池既是一种储存电能的装置，又是一个化学电源，它输出的电流是直流电。一旦连接外部负载（称放电）或接通充电电路（称充电），它便开始了能量转换过程。在放电过程中，蓄电池中的化学能转变成电能；在充电过程中，电能被转变成化学能。

1、蓄电池的用途

      蓄电池的作用如下：

① 在启动发动机期间，它为启动系统、控制系统、电子燃油喷射系统和仪表等发电机组的其他电气设备供电；

② 当发动机停止运转或低怠速运转的时候，由它给工程机械用电设备供电；

③ 当用电需求超过充电机供电能力时，蓄电池也参加供电；

④ 蓄电池起到了整车电气系统的电压稳定器的作用，能够缓和电气系统中的冲击电压，保护发电机组上的电子设备；

⑤ 在充电机正常工作时，蓄电池将充电机发出多余的电能存储起来逐一充电。

2、普通型蓄电池的结构

      蓄电池通常由正极板、负极板、隔板、电解液、电池盖板、联条、加液孔塞和电池外壳组成，如图5、图6所示。蓄电池一般分隔为3个或6个单格，每个单格电池的标称电压为2V，将3个或6个单格电池串联后制成一只6V或12V蓄电池总成。目前，装在汽油发动机的发电机组上使用的是有6个单格电池组成的12V蓄电池，装在柴油发动机上使用的是由12个单格电池组成的24V蓄电池。

（1）蓄电池的正极板上是二氧化铅，负极板上是海绵状纯铅，它们是参与化学反应的活性物质。

（2）在蓄电池中，与活性物质反应的电解质是由化学纯净硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成的，称电解液。水的质量密度为1g/cm³，硫酸的质量密度为1.84g/cm³，两者以不同的比例混合后形成不同密度的电解液。

（3）蓄电池电解液的质量密度一般为（1.24～1.30）g/cm³。使用中，密度的大小应根据地区、气候条件（一般是低气温选高密度；高气温选低密度。在不致结冰的情况下，尽量选较低密度的电解液）和制造厂要求而定。

 

图5  启动蓄电池结构图

图6  启动蓄电池剖视图

 

3、蓄电池的工作原理

      蓄电池的工作原理实质上就是化学能与电能的相互转化（如图12，13所示）。当蓄电池将化学能转化为电能而向外供电时，称为放电过程；当蓄电池与外界直流电源相连，而将电能转化为化学能储存起来时，称为充电过程。

 

图7  启动蓄电池充放电状态图

图8  启动蓄电池充放电过程

4、蓄电池充电

      充电过程是蓄电池与外接直流电源连接后，将放电时生成的硫酸铅和水还原成活性物质和硫酸的过程。

PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

      当蓄电池充足电时，正极板上的硫酸铅还原成活性物质——二氧化铅，负极板上的硫酸铅还原成活性物质——纯铅。电解液中，水消耗，还原成硫酸。蓄电池的电量恢复。

      充电时有可燃气体（氢）产生，必须打开通气孔盖和任何的密封，否则会损坏极板或隔离板，并禁止燃烧物体接近蓄电池。偶尔使用发电机组工作的，电池电解液比重将降低，必须进行补充充电直到所有的单元比重上升并在3个小时内保持恒定，在很少使用了发电机组的时候，必须安排电池每个月补充充电以确保电池保持充足准启动状态，常规充电的电池每6个月必须做一次深度充电，直到电压和比重都有回升。充电完毕后如检测比重不在此范围，则须使用蒸馏水或比重为1.4的稀硫酸调整。

5、蓄电池放电

      放电过程是蓄电池与用电设备电路接通时，正极板上的二氧化铅、负极板上的纯铅与电解液反应生成硫酸铅和水的过程。

（1）在电解液（纯硫酸+蒸馏水）作用下，发生如图1.15所示的化学反应。蓄电池的充、放电过程中的化学反应是可逆的，总的反应式如下：PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

（2）理论上，放电过程可以进行到极板上的全部活性物质都转变为硫酸铅为止。实际上，由于放电过程中生成的硫酸铅的体积较原活性物质的体积大，先生成的硫酸铅逐渐地堵塞了极板的孔隙，使电解液不能渗透到极板内层，在大部分活性物质没有来得及参加化学反应时放电化学反应就停止了。

（3）发电机组用蓄电池放完电时的电压是1.75V（单格电池电压）。如电压下降到1.75V以下的放电为过度放电，过度放电会在极板上生成粗结晶的硫酸铅（称极板硫化故障），它在充电时不易还原，使极板损坏。

 

三、技术检查与维护

 

      蓄电池技术状况的检测包括电解液液面高度的检查、蓄电池端电压的检测、电解液密度的测量及蓄电池放电程度的检查。

1、蓄电池电解液液面检查

      必须定期的检查电解液的高度，如有必要应添加蒸馏水。蓄电池的壳体为透明或半透明材料制成的，在上面有正常液位范围标记（如图1.16所示）。电解液的液位必须在该范围之内，即保持足够高以没过各电解槽中的极板。

2、蓄电池端电压的检测

（1）用高率放电计测量单格电池的端电压（如图9所示）：

① 放电计的两触针紧压在蓄电池单格的正、负极桩上。

② 测量5s，观察放电计的电压，记录电压值。

③ 分别测得6个单格的电压。此时，蓄电池是在大电流放电情况下的端电压，各单格的端电压应在1.5V以上，且能稳定5s。如果各单格的电压低于1.5V，但5s内尚能稳定者，则为放电过多，应及时进行充电恢复；单格电压低于1.5V，且5s内电压迅速下降，则表示有故障。某单格无电压指示，说明内部有短路、断路或严重硫化故障。

（2）用万用表测量蓄电池的端电压（如图10所示)：

① 将万用表置于直流10V挡；

② 将万用表的正表笔接蓄电池单格的正极端，负表笔接负极端。

③ 读出指示电压值，2V为正常值。

④ 电压值低于1.7V，表明蓄电池已放电，需进行保养充电。

 

图9  蓄电池电压检测示意图

图10  单个电池端电压测量

 

3、放电程度的检查方法

      电解液密度与放电程度的关系为，电解液密度每下降0.01g/cm³相当于蓄电池放电6%。当判定蓄电池在夏季放电超过50%，冬季放电超过25%时，则蓄电池不宜再使用，应及时进行充电，也可采用外置充电器（如图11所示）；否则，会使蓄电池早期损坏。蓄电池的放电程度可通过用密度计测量电解液密度来估算（如图12所示），也可用高率放电计测量单格电池电压来判定。

 

外置充电器对蓄电池充电示意图

图12  蓄电池电解液密度测量

 

4、维护

（1）蓄电池端子和连接部应涂抹石油油脂防止腐蚀；

（2）保持电池及周围的区域洁净和干燥，不污秽脏乱，尤其是通气塞周围保持洁净；

（3）确保通气孔盖或塞已被盖紧或塞紧；经常检查电解液液位，必要时加注蒸馏水，保持不低于电极板。

 （4） 加注电解液

      正常的操作及充电会导致蓄电池内一些水被蒸发，液位低于电极板时，需要对蓄电池进行补液，补液时应先清洁加注口周围的污物，防止其落入电极板中，然后把加注口打开加入适量的蒸馏水或纯净水，切勿加得过满（以电极板刻度为标准） ，否则，蓄电池放电/充电时，内部的电解液会从加注中的溢流孔涌出，造成对周围物体、环境的腐蚀破坏。在加注电池电解液后一个月内不充电，不使用，将导致电池内部极板损坏，蓄电池损坏。

 

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