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新闻主题	柴油发电机启动电瓶的电压和容量

 

摘要：蓄电池主要用于启动时给柴油机起动机以及各个电气设备供电，所以蓄电池又称启动型电瓶。目前，柴油发电机组上采用的基本都是铅酸蓄电池，即采用稀硫酸作为电解液，极板上参加电化学反应的活性物质为二氧化铅和铅。为满足柴油发电机启动需要，使用者应理解启动电瓶的相关参数和技术要求。康明斯公司在本文中举例说明了发电用蓄电池的容量、能量与使用寿命，包括与启动电压、放电电流之间的关系。

 

一、启动电瓶的性能指标

 

      启动电瓶容量是指启动电瓶存储电量的大小，即启动电瓶放电电荷的总量，一般以Ah（安时）做单位。启动电瓶储存的能量，即为启动电瓶放电所能做的电功的多少，单位为J（焦尔）。启动电瓶的使用寿命却是根据启动电瓶的不同，会有不同的作用寿命和计算方法。蓄电池充电特性曲线如图1所示。

1、启动电瓶的容量

      人们使用的各类电池都是将其它形式的能量转化为电能的装置，而启动电瓶大多都是化学启动电瓶，即将化学能转化为电能的。启动电瓶对柴油发电机启动系统供电的过程叫放电过程。启动电瓶容量是指启动电瓶存储电量的大小，即启动电瓶放电电荷的总量叫启动电瓶容量（Q）。

      电瓶的容量表示其输出电量的能力，单位为A·h。电瓶额定容量是指电解液温度为30℃±2℃时，在允许放电范围内，以一定值的电流连续放电10h，单格电压降到1.7V时所输出的电量。以Q表示容量（单位为A.h），I表示放电电流值，T表示放电时间，则

Q＝IT

      如3-Q-126型电瓶的额定电容量为126A.h，它在电解液平均温度为30℃时，可以12.6A的电流供电，能连续放电10h。

      在衡量大容量启动电瓶时，为了方便起见，一般用“Ah”（安时）来表示。如电瓶就有标有105Ah、200Ah不等。对于启动电瓶而言其体积越大，内部装的化学药品越多其容量越大，这就是体积越大的启动电瓶越耐用的道理。

2、启动电瓶的电压

      电瓶每单格的名义电压通常为2V，而实际电压随充电和放电情况而定。随着放电过程的进行，电压将缓慢下降。当电压降到1.7V时，不应再继续放电，否则电压将急剧下降，影响电瓶的使用寿命。

      为了柴油发电机工作需要一般使用的启动电瓶电压都设定为12V。不同型号的启动电瓶，他的容量越高，提供使用的时间越长。在柴油发电机中，最常见的启动电瓶组合方式是串联，即把启动电瓶正负极首尾相连，如把2个12V、200Ah的启动电瓶串联，就组成了一个电压是24V、容量为200Ah的启动电瓶组。这样虽然没有提高启动电瓶的容量，但总能量却提高了（W=UQ，U为总电压）。

3、启动电瓶储存的能量

      启动电瓶储存的能量，即为启动电瓶放电所能做的电功的多少，公式如下：

W=UIt=UQ

      例如12V20Ah为例，充满一次电所存的电能=12X20=240（瓦时）相当于0.24度电。不需要很复杂的计算的，安时本身就是储电容量的一个指标，安时乘以电压除以1000就是多少度电的“度”也叫千瓦时。启动电瓶的容量没有直接测定的仪表，随着启动电瓶的放电，容量会慢慢下降，储存的能量也会下降。

4、启动电瓶的使用寿命

       使用寿命其实就是指蓄电池的储备容量（RC），柴油发电机在充电系统不工作的情况下，靠启动电瓶点火和提供最低限度的电路负载所能运行的大约时间，可具体表述为完全充足电的12V启动电瓶，在25±2℃的条件下，以25A恒流放电至启动电瓶端电压下降到10.5±0.05V时的放电时间。

      启动电瓶的使用寿命与放电的电流大小和启动电瓶的容量大小有关，即为启动电瓶放电时间：

t=Q/I（I为放电电流）

      由于单个启动电瓶的电压和容量都十分有限，一般需要用几个启动电瓶组成启动电瓶组，以满足不同设备的实际供电需要。蓄电池充电深度与循环寿命曲线如图2所示。

5、冷启动电流（CCA）

      在-17.8℃和-28.9℃条件下，可获得的某特定意义下的最小电流。这个指标把启动电瓶的启动能力与发动机的排量、压缩比、温度、启动时间、发动机和电气系统的技术状态以及启动和点火的最低使用电压这些重要的变量联系起来。它是指充满电的12V启动电瓶在30s内，其端电压下降到7.2V时，启动电瓶所能供给的最小电流，冷启动额定值给出的是总电流值。

 

图1  启动蓄电池恒压充电特性曲线

图2  启动蓄电池充电深度与循环寿命曲线

 

二、铅蓄电池的型号

 

1、铅蓄电池的型号规定

      根据JB/T 2599-2012《铅酸蓄电池名称、型号编制与命名方法》部颁标准，铅蓄电池型号由三部分组成，如图3所示。

（1）第一部分：串联的单体电池数，用阿拉伯数字表示。当串联的电池数为1时，称为单体电池，可以省略此部分。

（2）第二部分：电池的类型与特征，用关键字的汉语拼音的第一个字母表示。表示铅蓄电池类型与特征的关键字及其含义如表1所示。

      表1中电池的类型是按产品的用途进行分类的，这是电池型号中必须加以表示的部分。而电池的特征是型号的附加部分，只有当同类型用途的电池产品中具有某种特征而型号又必须加以区别时采用。这是因为同一用途的蓄电池可以采用不同结构的极板，或者出厂时电池极板的荷电状态不同，或者电池的密封方式不同等，所以有必要加以区别。

（3）第三部分：电池的额定容量。

      以型号为6-QAW-105的蓄电池为例，其中第三部分的105即是指蓄电池容量为105AH。蓄电池外形如图4所示。

注：①型号后加D表示低温启动性能好，如6-110D。②型号后加HD表示高抗振型。③型号后加DF表示低温反装，如6-165DF。

表1    铅蓄电池类型与特征的关键字及其含义

 

2、铅蓄电池的型号举例

① GF-100：表示固定用防酸隔爆式铅蓄电池，额定容量为100A·h。

② 6-Q-150：表示6只单体电池串联（12V）的启动用铅蓄电池组，额定容量为150A·h。

③ 3-QA-120：表示3只单体电池串联（6V）的启动用干荷电式铅蓄电池组，额定容量为120A·h。

④ GM-1000：表示固定用阀控式密封铅蓄电池，额定容量为1000A·h。

⑤ 2-N-360：表示2只单体电池串联（4V）的内燃机车用铅蓄电池组，额定容量为360A·h。

⑥ T-450：表示铁路客车用铅蓄电池，额定容量为450A·h。

⑦ D-360：表示电瓶车用（牵引用）铅蓄电池，额定容量为360A·h。

⑧ 3-M-120：表示3只单体电池串联（6V）的摩托车用铅蓄电池组，额定容量为120A·h。

 

图3  启动蓄电池型号含义解读方法

图4  柴油发电机蓄电池结构图

 

三、阀控式密封铅蓄电池的结构

 

      阀控式密封铅蓄电池与其他蓄电池一样，其主要部件有正负极板、电解液、隔板、电池槽和其他一些零件如端子、连接条及排气栓等。由于这类电池要达到密封的要求，即充电过程中不能有大量的气体产生，只允许有极少量的内部消耗不完的气体排出，所以其结构与一般的（富液式或排气式）铅蓄电池的结构有很大的不同，如表2所示。

表2    阀控式密封铅蓄电池与普通富液式铅蓄电池的结构比较

 

1、电极

      阀控式密封铅蓄电池采用无锑或低锑合金作板栅，其目的是减少电池的自放电，以减少电池内水分的损失。常用的板栅材料中不含或只含极少量的锑，使阀控式密封铅蓄电池的自放电远低于普通铅蓄电池。

2、电解液

      在阀控式密封铅蓄电池中，电解液处于不流动的状态，即电解液全部被极板上的活性物质和隔膜所吸附，其电解液的饱和程度为60％～90％。低于60％的饱和度，说明阀控式密封铅蓄电池失水严重，极板上的活性物质不能与电解液充分接触；高于90％的饱和度，则电池正极氧气的扩散通道被电解液堵塞，不利于氧气向负极扩散。

      由于阀控式密封铅蓄电池是贫电解液结构，因此其电解液密度比普通铅蓄电池的密度要高，其浓度范围是1.29～1.30kg/L，而普通蓄电池的密度范围为1.20～1.30kg/L。

3、隔膜

      阀控式密封铅蓄电池的隔膜除了满足作为隔膜材料的一般要求外，还必须有很强的储液能力才能使电解液处于不流动的状态。目前采用的超细玻璃纤维隔膜具有储液能力强和孔隙率高（＞90％）的优点。它一方面能储存大量的电解液，另一方面有利于透过氧气。这种隔膜中存在着两种结构的孔，一种是平行于隔膜平面的小孔，能吸储电解液；另一种是垂直于隔膜平面的大孔，是氧气对流的通道。

4、电池槽

（1）电池槽的材料

      对于阀控式密封铅蓄电池来说，电池槽的材料除了具有耐腐蚀、耐振动和耐高低温等性能以外，还必须具有强度高和不易变形的特点，并采用特殊的结构。这是因为电池的贫电解液结构要求用紧装配方式来组装电池，以利于极板和电解液的充分接触，而紧装配方式会给电池槽带来较大的压力，所以电池的容量越大，电池槽承受的压力也就越大；此外电池的密封结构所带来的内压力在使用过程中会发生较大的变化，使电池处于加压或减压状态。

      阀控式密封铅蓄电池的电池槽材料采用的是强度大而不易发生变形的合成树脂材料，以前曾用过SAN，目前主要采用ABS、PP和PVC等材料。

① SAN：由聚苯乙烯-丙烯腈聚合而成的树脂。这种材料的缺点是水保持和氧气保持性能都很差，即电池的水蒸气泄漏和氧气渗漏都很严重。

② ABS：丙烯腈、丁乙烯、苯乙烯的共聚物。具有硬度大、热变形温度高和电阻率大等优点。但水蒸气泄漏严重，仅稍好于SAN材料，而且氧气渗漏比SAN还严重。

③ PP：聚丙烯。它是塑料中耐温最高的一种，温度高达150℃也不变形，低温脆化温度为-10～-25℃。其熔点为164～170℃，击穿电压高，介电常数高达2.6x106V/m，水蒸气的保持性能优于SAN、ABS及PVC材料。但氧气保持能力最差、硬度小。

④ PVC：聚氯乙烯烧结物。优点有绝缘性能好，硬度大于PP材料，吸水性比较小，氧气保持能力优于上述三种材料及水保持能力较好（仅次于PP材料）等。但其硬度较差，热变形温度较低。

（2） 电池槽的结构

      对于阀控式密封铅蓄电池来说，由于其紧装配方式和内压力比较大，电池槽采用加厚的槽壁，并在短侧面上安装加强筋，以此来对抗极板面上的压力。此外电池内壁安装的筋条还可形成氧气在极群外部的绕行通道，提高氧气扩散到负极的能力，起到改善电池内部氧循环性能的作用。

      固定用阀控式密封铅蓄电池有单一槽和复合槽两种结构。小容量电池采用的是单一槽结构，而大容量电池则采用复合槽结构（如图5所示）。如容量为1000A·h的电池分成两格，如图5（a）所示；容量为2000～3000A·h的电池分为四格，如图5（b）所示］。因大容量电池的电池槽壁须加厚才能承受紧装配方式和内压力所带来的压力，但槽壁太厚不利于电池散热，所以须采用多格的复合槽结构。大容量电池有高型和矮型之分，由于矮型结构的电解液分层现象不明显，且具有优良的氧复合性能，所以采用等宽等深的矮型槽。若单体电池采用复合槽结构，则其串联组合方式。

5、安全阀

（1）作用

      阀控式密封铅蓄电池的安全阀又称节流阀，其作用有二：一是当电池中积聚的气体压力达到安全阀的开启压力时，阀门打开以排出电池内的多余气体，减小电池内压；二是单向排气，即不允许空气中的气体进入电池内部，以免引起电池的自放电。

（2）结构形式

      安全阀主要有帽式、伞式和柱式三种结构形式，如图6所示。安全阀帽罩的材料采用的是耐酸、耐臭氧的橡胶，如丁苯橡胶、异乙烯乙二烯共聚物和氯丁橡胶等。这三种安全阀的可靠性是：柱式大于伞式和帽式，而伞式大于帽式。

（3）开闭动作

      安全阀开闭动作是在规定的压力条件下进行的，该规定的安全阀开启和关闭的压力分别称为开阀压和闭阀压。开阀压的大小必须适中，开阀压太高易使电池内部积聚的气体压力过大，而过高的内压力会导致电池外壳膨胀或破裂，影响电池的安全运行；若开阀压太低，安全阀开启频繁，使电池内水分损失严重，并因失水而失效。闭阀压的作用是让安全阀及时关闭，以防止空气中的氧气进入电池，以免引起电池负极的自放电。生产厂家不同，阀控式密封铅蓄电池的开阀压与闭阀压也不同，各生产厂家在产品出厂时已设定。

6、紧装配方式

      阀控式密封铅蓄电池的电解液处于贫液状态，即大部分电解液被吸附在超细玻璃纤维隔膜中，其余的被极板所吸收。为了保证氧气能顺利扩散到负极，要求隔膜和极板活性物质不能被电解液所饱和，否则会阻碍氧气经过隔膜的通道，影响氧气在负极上的还原。为了使电化学反应能正常进行，必须使极板上的活性物质与电解液充分接触，而贫电解液结构的电池只有采取紧装配的组装方式，才能达到此目的。

      采用紧装配的组装方式有三个优点：

（1）使隔膜与极板紧密接触，有利于活性物质与电解液的充分接触；

（2）保持住极板上的活性物质，特别是减少正极活性物质的脱落；

（3）防止正极在充电后期析出的氧气沿着极板表面上窜到电池顶部，使氧气充分地扩散到负极被吸收，以减少水分的损失。

      小容量阀控式密封铅蓄电池通常制成电池组，为内连接方式，安全阀上面有一盖子通过几个点与电池壳相连，留下的缝隙为气体逸出通道。所以在阀控式密封铅蓄电池盖上没有连接条和安全阀，只有正负极柱。

 

图5   复合槽蓄电池的串联组合方式

图6  蓄电池安全阀的结构示意图

 

总结：

      在实际使用中，电瓶的容量不是一个定值。影响放电容量的因素很多，除了电瓶的结构、极板的数量和面积、隔板的材料等外，还与放电、充电电流的大小、电解液的浓度和温度等因素有关。如放电电流过大，化学反应只在极板的表面进行而不能深入内部，电压便迅速下降，使容量减少。当温度降低时，会导致电解液的黏度和电阻增加，电瓶的容量减少。这就是在冬季，柴油发电机启动所用的电瓶容量不足的重要原因。因此，在冬季和较严寒地区对电瓶必须采取保温措施，否则难以启动柴油发电机。

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