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    電池知識

    卷繞式鉛酸蓄電池的應用實例

    傳統上,北方高寒地區的水情自動測報系統到了冬天就必須將設備拆回,然后到了來年春天再重新安裝,這就給系統造成了相當大的安裝維護工作量。隨著人們對水情自動測報系統自動化程度要求的進一步提高,這一問題也越來越引起水情測報人員的關注。

    1 水情自動測報系統的低溫特性

    影響水情自動測報系統低溫工作特性的因素很多。首先,早期的數據采集器或通信設備由于電路設計原因,其工作溫度范圍較窄,無法適應低溫條件下的工作;其次,水面結冰帶來的水位測量問題也是限制水情自動測報系統低溫工作的一大原因;再次,由于水情自動測報系統一般安裝在野外無人職守的環境,現場沒有交流供電,因此一般只能采用太陽能+蓄電池浮充供電的工作方式。而傳統水情自動測報系統使用的均是閥控式密封鉛酸蓄電池。由于低溫條件下,鉛酸蓄電池的電解液有可能結凍而無法正常工作,其最低工作溫度一般只能到-10℃左右。

    隨著技術的發展,水情自動測報系統的電子設備使用的都是工業級產品,其工作溫度范圍已經不成問題,例如國網電科院的水情自動測報系統設備的核心數據采集器ACS300-MM就能在一40℃的低溫環境下正常工作。另外,水位測量也有了更多的方式,如超聲波、激光水位計等非接觸式測量方式,均可解決水面結冰帶來的問題。

    由于蓄電池無法適應-10℃以下高寒地區的使用。因此,蓄電池的工作溫度范圍就成為決定水情自動測報系統低溫工作范圍的主要因素。

    為了克服低溫天氣帶來的蓄電池使用方面的影響,人們也做了大量的努力,如黑龍江乾豐科技發展有限公司使用加熱降溫系統來保證蓄電池所處環境的溫度范圍保持在-10℃~+50℃,當系統在檢測到氣溫低于-10℃時,便可啟動加熱設備加熱;而在氣溫高于+50℃時,系統則啟動風扇進行散熱降溫,從而保證蓄電池能正常工作。然而,這種方式由于需要消耗大量的電能,故在日照不能保證的時候,系統的正常工作時間將大大降低。另外,采取雙法拉第筒式密閉埋地安裝方式,一方面能較好地使內部工作溫度保持在-5℃~+40℃的范圍,從而克服低溫天氣帶來的影響,另一方面還具有較好的防雷能力,因此在水情自動測報系統中得到了廣泛的應用,但這種方式只適用于遙測雨量站的安裝,對于帶水位或其它水文量測量的水文站來說,則不太適合。

    鑒于以上種種原因,水利系統和電力系統的相關標準,對水情自動測報系統規定的最低工作溫度也儀為-10℃和-25℃。

    然而,隨著卷繞式鉛酸蓄電池的推廣應用,這一問題可以得到較好的解決。

    2 卷繞式鉛酸蓄電池

    卷繞式鉛酸蓄電池是近年來開發的新產品。鉛酸蓄電池的工作過程就是鉛和酸之間的化學反應過程,為了提高蓄電池的比容量,人們需要盡可能加大它們之間的接觸面積,為此,人們采用壓延鉛合金的方式制造出了很薄的鉛箔作為極板基片。但這樣一來,它的機械強度勢必要減小,為了解決這一問題,人們將正極板、隔板、負極板交替疊放,并卷繞在一起。從而制成電池單體為圓柱形的卷繞式鉛酸蓄電池,又稱螺旋卷式鉛酸蓄電池,或卷式電極鉛酸蓄電池。其外形如圖1所示。

    一直以來,卷繞式鉛酸蓄電池都是西方發達國家的一張技術王牌。據報道,美國在上世紀60年代就開始研究卷繞式鉛酸蓄電池。西方少數發達國家也把卷繞式鉛酸蓄電池應用在軍事(裝甲車、坦克、潛艇等)等特殊領域。在軍事測試中,這種特種電池被子彈擊穿后,仍可快速啟動戰車或其它軍事裝備。經過海灣戰爭的考驗,這種電池組被稱之為“美國戰略電池組”。

    3 卷繞式鉛酸蓄電池的結構性能

    卷繞式鉛酸蓄電池為螺旋型結構,如圖2所示。它采用只有1 mm左右的極板并經高壓卷繞而成。由于采用的板柵材料為純鉛或鉛錫合金,故其比較柔軟,利于卷繞,其電解液是固態酸,電極板和固態酸一起捆綁并卷起來做成獨特的螺旋式卷繞。由于其使用的是固態酸,因而避免了電解液凍結的問題,同時具有卓越的低溫性能,可在-55℃的低溫條件下正常工作

    卷繞式鉛酸蓄電池與傳統鉛酸蓄電池的工作原理是一樣的,它只是在制造工藝上有了改進,而正是這些改進使其具有區別于傳統蓄電池的更優異的特性,主要表現在以下幾個方面:

    (1)卓越的高低溫性能

    卷繞式鉛酸蓄電池可在-55℃~75℃下工作。由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了螺旋卷繞技術,其機板與機板之間的間隙極小,且其酸是固體酸,并能被玻璃纖維網所吸附,整個結構極其緊密。因此,在高溫下,其基本不存在冒氣冒泡現象,而在低溫下,更沒有液態酸可冰凍,也不存在電流輸出減少的問題。根據美國SAE測試標準,卷繞式鉛酸蓄電池可在-55℃~75℃范圍內安全快速起動和牽引工作,而普通蓄電池的適用溫度范圍一般只在-10℃~40℃。這也是其能解決上述水情自動測報系統低溫條件工作的根本原因。

    (2)充電非常迅速

    卷繞式鉛酸蓄電池在40分鐘內可充入95%以上的電量。由于卷繞式鉛酸蓄電池的內阻極低,因此可將充電電流基本上全部接受,且其本身容量較大,故充電時沒有電流限制,其一般快速充電時間在1小時左右就能滿載,而普通蓄電池的內阻較高,故其部分充電電流將轉化為熱能散出,且其充電時間一般至少要6小時以上。卷繞式鉛酸蓄電池采用高純鉛制作,故其相比普通蓄電池,其副反應小得多,因而電池可以使用小電流充電,即使在陰雨天也可以達到90%以上的充電效率。

    (3)超長壽命

    卷繞式鉛酸蓄電池在設計時的浮充壽命可達8年以上。由于卷繞式鉛酸蓄電池的活性鉛面積非常大,故其放電后的恢復能力也極強,根據美國SAE標準,在J240測試中,卷繞式鉛酸蓄電池的起動次數高達15000次以上。相比于普通蓄電池一般2000-4000次左右的動力與起動次數來說,卷繞式鉛酸蓄電池更具強勁的優勢。

    (4)自放電極小

    由于卷繞式鉛酸蓄電池的內阻極小,故其本身在閑置不用時的自放電極小。卷繞式鉛酸蓄電池可放置兩年而不用充電,故從某種意義上真正實現了免維護。而普通蓄電池至多可放置1-2個月就必須充電。

    由于具有以上優異的性能,卷繞式鉛酸蓄電池已被廣泛應用于混合電動車、電動工具、儀器儀表、風力發電等各個領域。

    4 卷繞式鉛酸蓄電池的研究與發展

    4.1 國外發展現狀

    美國GATES公司在上世紀60年代就開始開發卷繞式鉛酸蓄電池,后來成為瑞典GYLLING集團屬下的一個子公司(即Optima batteries A B),此后,卷繞式鉛酸蓄電池的研究和發展更為迅速,瑞典OPTIMA公司投入市場的傲鐵馬牌電池便是由其開發的。該電池擁有18項專利,采用電池單元螺旋卷繞技術,板柵為0.3 mm的純鉛,正負極之間用超細玻璃纖維(AGM)隔板隔開。極板間距小,內阻僅為2.8 mΩ,其大電流放電性能好。

    隨后涌現的卷繞式電池有威爾士產SBS電池、美國Bolder公司擁有TMF專利技術的密閉薄層鉛酸蓄電池、西班牙Exide公司開發的高能Orbital密封閥控鉛酸蓄電池等。

    4.2 國內發展現狀

    國內對于卷繞式鉛酸蓄電池的研究還處于發展初級階段,還沒有大規模批量生產。目前涉足卷繞式鉛酸蓄電池的生產企業僅有中億科技、江蘇雙登、陜西多倫、深圳寶力晟等4家。

    中億科技于2004年開始研發卷繞式鉛酸蓄電池,歷經4年時間,現已成功開發了2V50AH、6V50AH、12V50AH三種型號卷繞式鉛酸蓄電池,目前已經實現小批量生產。

    江蘇雙登(倫敦證交所二板市場上市)主要生產經營各種鉛酸蓄電池和鋰電池。公司卷繞式鉛酸蓄電池項目2003年立項,2006年成功研制出6V2.5Ah以及2V8Ah卷繞式鉛酸蓄電池,2007年產品通過了UL認證,并已實現小批量生產。

    陜西多倫于2007年6月研制成功“多倫鐵馬”牌大型卷繞式鉛蓄電池產品,據稱產品優于國外同類產品,并計劃利用該項技術投資30億元啟動動力汽車項目。

    寶力晟成立于2004年,專業生產2 V、4 V、6 V、12 V系列卷繞式鉛酸蓄電池,AGM鉛酸蓄電池、深循環太陽能蓄電池、高爾夫球車蓄電池和膠體電池。公司2002年開始投入卷繞式電池的研發,目前已批量自動化生產2.5AH-50AH系列卷繞式電池,產品通過了CE、UL認證。

    5 結束語

    目前,水情自動測報系統使用較多的還是閥控式密封鉛酸?電池,受制于鎳氫電池、鋰電池的高額成本,這種情況持續了較長時間,這從根本上限制了水情自動測報系統的低溫工作特性。隨著國內較低成本的卷繞式鉛酸蓄電池研發,這一情況得到了大大改觀,其-55℃~75℃的寬工作溫度范圍使其非常適用于高寒地區的應用,此外,由于工藝上的改進,卷繞式鉛酸蓄電池還具有啟動功率大、比能大、使用壽命長、自放電極小、充電迅速等適用于遙測系統的特性。筆者相信,卷繞式鉛酸蓄電池將在水情自動測報系統及其它采用太陽能+蓄電池浮充供電的遙測系統中得到廣泛的應用

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