卷繞式鉛酸蓄電池在水情自動測報系統(tǒng)中的應用

概述

傳統(tǒng)上，北方高寒地區(qū)的水情自動測報系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(guān)注。

1? 水情自動測報系統(tǒng)的低溫特性

影響水情自動測報系統(tǒng)低溫工作特性的因素很多。首先，早期的數(shù)據(jù)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(jié)冰帶來的水位測量問題也是限制水情自動測報系統(tǒng)低溫工作的一大原因；再次，由于水情自動測報系統(tǒng)一般安裝在野外無人職守的環(huán)境，現(xiàn)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(tǒng)水情自動測報系統(tǒng)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(jié)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(shù)的發(fā)展，水情自動測報系統(tǒng)的電子設備使用的都是工業(yè)級產(chǎn)品，其工作溫度范圍已經(jīng)不成問題，例如國網(wǎng)電科院的水情自動測報系統(tǒng)設備的核心數(shù)據(jù)采集器ACS300-MM就能在一40℃的低溫環(huán)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(jié)冰帶來的問題。

由于蓄電池無法適應-10℃以下高寒地區(qū)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(tǒng)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(fā)展有限公司使用加熱降溫系統(tǒng)來保證蓄電池所處環(huán)境的溫度范圍保持在-10℃～+50℃，當系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)和電力系統(tǒng)的相關(guān)標準，對水情自動測報系統(tǒng)規(guī)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(fā)的新產(chǎn)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(fā)達國家的一張技術(shù)王牌。據(jù)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(shù)發(fā)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(zhàn)車或其它軍事裝備。經(jīng)過海灣戰(zhàn)爭的考驗，這種電池組被稱之為“美國戰(zhàn)略電池組”。

3 卷繞式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)性能

卷繞式鉛酸蓄電池為螺旋型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它采用只有1 mm左右的極板并經(jīng)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(tài)酸，電極板和固態(tài)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(tài)酸，因而避免了電解液凍結(jié)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(tǒng)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(qū)別于傳統(tǒng)蓄電池的更優(yōu)異的特性，主要表現(xiàn)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(shù)，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(wǎng)所吸附，整個結(jié)構(gòu)極其緊密。因此，在高溫下，其基本不存在冒氣冒泡現(xiàn)象，而在低溫下，更沒有液態(tài)酸可冰凍，也不存在電流輸出減少的問題。根據(jù)美國SAE測試標準，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55℃～75℃范圍內(nèi)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(tǒng)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(nèi)可充入95％以上的電量。由于卷繞式鉛酸蓄電池的內(nèi)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(nèi)阻較高，故其部分充電電流將轉(zhuǎn)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(jù)美國SAE標準，在J240測試中，卷繞式鉛酸蓄電池的起動次數(shù)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(shù)來說，卷繞式鉛酸蓄電池更具強勁的優(yōu)勢。

(4)自放電極小

由于卷繞式鉛酸蓄電池的內(nèi)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(xiàn)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(yōu)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(fā)電等各個領域。

4 卷繞式鉛酸蓄電池的研究與發(fā)展

4.1?國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國GATES公司在上世紀60年代就開始開發(fā)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(fā)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(fā)的。該電池擁有18項專利，采用電池單元螺旋卷繞技術(shù)，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(nèi)阻僅為2.8 mΩ，其大電流放電性能好。

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

4.2? 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對于卷繞式鉛酸蓄電池的研究還處于發(fā)展初級階段，還沒有大規(guī)模批量生產(chǎn)。目前涉足卷繞式鉛酸蓄電池的生產(chǎn)企業(yè)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(fā)卷繞式鉛酸蓄電池，歷經(jīng)4年時間，現(xiàn)已成功開發(fā)了2V50AH、6V50AH、12V50AH三種型號卷繞式鉛酸蓄電池，目前已經(jīng)實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

江蘇雙登(倫敦證交所二板市場上市)主要生產(chǎn)經(jīng)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(chǎn)品通過了UL認證，并已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

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(chǎn)品，據(jù)稱產(chǎn)品優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，并計劃利用該項技術(shù)投資30億元啟動動力汽車項目。

寶力晟成立于2004年，專業(yè)生產(chǎn)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(huán)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(fā)，目前已批量自動化生產(chǎn)2.5AH-50AH系列卷繞式電池，產(chǎn)品通過了CE、UL認證。

5? 結(jié)束語

目前，水情自動測報系統(tǒng)使用較多的還是閥控式密封鉛酸蓄電池，受制于鎳氫電池、鋰電池的高額成本，這種情況持續(xù)了較長時間，這從根本上限制了水情自動測報系統(tǒng)的低溫工作特性。隨著國內(nèi)較低成本的卷繞式鉛酸蓄電池研發(fā)，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(qū)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(tǒng)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(tǒng)及其它采用太陽能+蓄電池浮充供電的遙測系統(tǒng)中得到廣泛的應用。