高原高寒環境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響及其維護

蔡 濱，李斐如，馬 巍，付 康

(中國人民解放軍駐五八O 八廠軍事代表室，山東 泰安，271000)

車輛用蓄電池是一種將化學能轉變為電能的裝置，屬于低壓直流電源，它在車輛上與發電機并聯，并向用電設備供電［1］。軍用特種車輛多采用鉛酸蓄電池，它具有電動勢高、內阻小、放電電壓平穩等優點，比較適應車輛啟動時短時間內大電流放電的需要。

目前，關于蓄電池容量及老化預測的理論研究較多。如，Matthias Dürr 等［2］研究了蓄電池容量與電壓的動態模型，Sun 等［3］研究一種通過測試蓄電池放電后的容量而確定其老化情況的方法。但是，由于在高原高寒等極端環境條件作業的各類型車輛很少，因而對車用蓄電池在高原高寒環境下的性能特點及其維護鮮有研究。高原高寒環境的特點是溫度低、晝夜溫差大，軍用特種車輛在高原高寒環境使用時，蓄電池的性能受環境溫度影響較大［4］，若使用維護不當，易導致蓄電池發生故障，降低其使用壽命，影響裝備的完好率。

本文根據蓄電池存儲電能的基本原理，分析了高原高寒環境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響，提出了較為簡便的維護措施，有利于提高蓄電池的維護效率和軍用特種車輛裝備的完好率。

1 高原高寒環境對軍用特種車輛蓄電池性能的影響

高原環境的特點是晝夜溫差大，夜間溫度低;高寒地區在冬季低溫可達-40 ℃以下。低溫條件下，蓄電池的放電能力等性能降低，如果不正常維護，易造成車輛使用時出現故障。

1.1 對蓄電池容量的影響

同型號的蓄電池以相同的放電電流、在一定環境溫度范圍內放電時，容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減少，其原因主要有3 個方面。

(1)蓄電池的電動勢與環境溫度成正比。在較高的工作溫度下放電，蓄電池可以獲得較大的電量，溫度較低時，電量減少。

(2)低溫降低了負極活性物質的利用率。蓄電池在低溫狀態下放電時，負極板鉛電極逐漸形成硫酸鉛，硫酸鉛隨放電時間增加而逐步向電極深處擴展，使活性物質中的微孔變窄，同時電極區至反應區距離增大，又使擴散速度變小。因此，部分微孔被堵塞，被堵塞的微孔內部電解液很快變稀，在低溫下這種微孔發生凍結。溫度越低，微孔堵塞現象越嚴重，導致活性物質利用率降低［5］。嚴重時可能變成致密的硫酸鉛層，使電池鈍化而終止放電。

(3)低溫使蓄電池的內阻增大。當環境溫度降至0 ℃以下，溫度每降低10 ℃，內阻約增大15%左右。這是因為，低溫時電解液黏度變大，擴散速度降低，使得內阻增大［6］。內阻的增大導致電極反應速度降低，加劇了電極濃差極化的影響，因而使蓄電池的容量降低。

根據相關理論研究，環境溫度和蓄電池容量的關系為［7］

式中:Ct為t℃時的蓄電池容量;Ce為25 ℃時的蓄電池容量;K為溫度系數，與放電速率有關。當采用C/10 放電時(C為蓄電池額定容量)，K為0.006/℃;當采用C/3 放電時，K為0.008/℃;當采用C/1 放電時，K為0.01/℃。

以額定容量為180 Ah 的蓄電池為例，在18 A(C/10)、60 A(C/3)和180 A(C/1)下放電時，其在不同溫度下的實際容量見表1。可見，-20 ℃時，蓄電池在3 種電流下放電時的實際容量分別為額定容量的73%、64%和55%;當溫度達到-40 ℃時，其實際容量進一步降低到額定容量的61%、48%和35%。

表1 不同溫度下蓄電池的實際容量Ah

綜上所述，低溫下，蓄電池的實際容量減小，將導致蓄電池放電能力降低，易造成車輛起動困難。因此，溫度越低越需控制蓄電池的放電程度。通常，冬季時蓄電池的放電程度不得超過額定容量的25%，夏季時不得超過50%。

1.2 對蓄電池充電接收能力的影響

在鉛酸蓄電池充放電過程，存在電化學極化和濃差極化，大電流充放電主要受濃差極化的影響。鉛酸蓄電池在低于0 ℃以下充電時，擴散電流密度明顯減小，而交換電流密度減小不多，所以濃差極化加劇［8］，使蓄電池充電接收能力被限制，導致充電效率降低。

1.3 對蓄電池極板的影響

正常狀態下，蓄電池放電時，極板上會形成較小的硫酸鉛顆粒，充電過程中可還原為二氧化鉛和純鉛。但是，若使用中蓄電池放電電流不當或放電后長期不充電，極板上的硫酸鉛在環境溫度較高時溶解到電解液中，溫度越高溶解量越大。當環境溫度降低時，電解液中的硫酸鉛會逐漸達到過飽和狀態，從電解液中析出，再次結晶形成粗晶粒的硫酸鉛覆蓋在極板上。再次結晶的硫酸鉛在正常充電時不能還原，這種現象稱為極板硫化［9］。

高原高寒環境下，晝夜溫差大。一旦蓄電池處于充電不足的狀態，極板上的硫化鉛在白天溫度較高時大量溶解到電解液中，在夜間溫度較低時再次析出?？梢?，高原高寒環境將加速極板硫化的過程，使蓄電池更易出現極板硫化現象。

極板硫化將導致蓄電池充放電的電化學反應不能正常進行，導致蓄電池容量降低、內阻增大，使車輛啟動時出現電能不足等故障。極板硫化是蓄電池早期損壞的主要原因之一。因此，高原高寒環境下，尤其要防止極板硫化的發生。其主要方法是避免低溫大電流放電和蓄電池長期充電不足。

2 某型特種車輛在高原使用時蓄電池的故障現象與實驗分析

以某型特種車輛為例。在高原使用時，當地環境溫度為-14 ℃左右，蓄電池出現結冰、起鼓現象，檢測發現故障蓄電池的電解液體積質量低于1.1 g/m3。正常的蓄電池電解液體積質量為1.28 g/m3，冰點在-60 ～-50 ℃，可以滿足高原高寒環境的使用要求。但是，當蓄電池放電較多，充電不足時，電解液濃度降低，導致電解液冰點上升，使電解液在低溫下出現結冰。

為驗證蓄電池電量不足對其出現結冰、起鼓現象的影響。運用HLT705QS-5 型高低溫試驗箱對剩余容量分別為100%(A)、60%(B)、40%(C)和20%(D)的4 塊某型低溫蓄電池進行了低溫冷凍實驗。試驗箱的技術參數見表2。

表2 HLT705QS-5 型高低溫試驗箱技術參數

實驗溫度分別為0、-10、-20、-30、-40、-50 ℃，各溫度下的實驗時間均為24 h。圖1 為蓄電池的低溫實驗圖。實驗結果見表3。

圖1 蓄電池的低溫實驗示意

表3 蓄電池低溫實驗結果

可見，-20 ℃時，剩余容量為60%的蓄電池出現碎冰現象，剩余容量為40%和20%的蓄電池出現凝冰和輕微起鼓現象。溫度降低至-40 ℃時，剩余容量為60%、40%和20%的蓄電池均出現凝冰現象，并伴有不同程度的起鼓，而剩余容量為100%的蓄電池則保持正常狀態。

實驗表明:蓄電池在充電良好的狀態下，能滿足-40 ℃的使用環境，而如果蓄電池匱電，則會導致結冰起鼓等問題。這就要求在高原高寒環境下，需加強對蓄電池充電情況的檢查，如發現情況，及時進行補充充電，防止出現結冰、起鼓現象。

3 高原高寒環境下軍用特種車輛蓄電池的維護措施

對蓄電池進行維護通常需要多種檢測儀器設備，如電壓表、密度計等，且要求維護人員具備一定的專業知識。隨著我軍機械化和信息化的不斷發展，大量新型的特種車輛裝備列裝部隊，部隊在檢測維護設備和專業知識儲備上出現不足。為此，根據高原高寒條件對軍用特種車輛蓄電池性能的影響，提出了一些維護蓄電池的簡便措施，可促進高原高寒地區部隊對蓄電池的維護保養，防止因蓄電池性能降低影響軍用特種車輛裝備的使用與訓練。

3.1 日常使用中蓄電池的維護

(1)防止過放電。車輛啟動時，蓄電池放電電流大，為防止過放電，每次使用啟動機不超過5 s，2次啟動間隔應在15 s 以上，切忌連續點火啟動。

(2)檢查電解液液面。正常情況下，電解液液面應位于蓄電池外殼標識的“min”與“max”刻線之間，且各單格液面高度應均勻一致。由于電解液中水分的蒸發，液面會逐漸下降，此時需要及時補充蒸餾水。檢查的頻率一般冬季每10 ～15 d 檢查1 次，夏季每5 ～7 d 檢查1 次。

需要特別注意的是補充電解液時只能加注蒸餾水，無蒸餾水可用雨水或雪水;不可用河水或自來水，以免混入雜質造成自放電故障;也不可加注電解液或硫酸，因為加注電解液或硫酸會使電解液的密度增大，加速極板腐蝕及硫化。

(3)檢查和清潔蓄電池外部。定期對蓄電池外部進行檢查和清潔。主要包括:①檢查蓄電池的安裝是否牢靠。軍用特種車輛常在高低不平的路上顛簸行駛，若蓄電池安裝不牢，將在安裝座內上下左右竄動撞擊，可能導致殼體震裂、接線頭松動和內部極板受損。②檢查蓄電池及各極柱導線夾頭的固定情況，應無松動現象。③檢查蓄電池蓋上的通氣孔。倘若通氣孔被堵，應進行清理，否則蓄電池充電時產生的氣體可能將殼體脹破。④定期清除極柱樁頭上的污染物和氧化物，擦凈連接線外部及夾頭，清理后用凡士林涂抹，以防再度銹蝕。⑤清潔蓄電池蓋上的灰塵污物及溢出的電解液，有助于防止自放電。

(4)采取一定的保溫措施。溫度低于-20 ℃時，有必要對蓄電池采取保溫措施?？蓪⑿铍姵匦断?，放入室內保暖，次日使用時再裝上。盡管比較繁瑣，但能夠有效保持蓄電池的溫度，提高其工作性能。

3.2 長時間不使用時蓄電池的維護

車輛長期放置不用時(1 ～2 個月)，蓄電池通常存在不同程度的自放電現象［10］，導致蓄電池容量降低，再次使用時易出現無法啟動等故障。因此，需要定期將蓄電池拆下進行補充充電(一般每月1 次)。

在沒有充電設備的情況下，也可通過跑車的方式，利用車上的發電機對蓄電池進行充電(跑車里程通常在5 km 以上)。

3.3 封存時蓄電池的維護

超過2 個月不使用時，部隊通常需要對車輛進行封存。封存時，需將蓄電池拆下后放入室內(溫度5 ～40 ℃)保存，并由專門技術人員定期進行維護保養。

3.4 換季時蓄電池的維護

電解液密度對蓄電池的性能影響很大。如果密度過小，在使用時，極板還未放完電，電解液就已接近于水，不利于蓄電池最大限度地發揮作用。如果密度過大，盡管可在一定程度上提高容量，但會加劇極板的腐蝕，影響蓄電池的使用壽命。在高原高寒地區，為防止電解液在低溫下結冰，冬季時可適當調高電解液密度;春季氣溫回升后，將電解液密度調低至原值。蓄電池電解液密度調節值見表4。

表4 冬季蓄電池電解液密度調節值 g/cm3

4 結 語

(1)高原高寒環境易造成蓄電池的放電能力降低，特別當溫度低于-20 ℃時，蓄電池易因容量不足而導致結冰等故障。

(2)為防止高原高寒環境下軍用特種車輛蓄電池的早期損壞，需根據特種車輛的使用頻率、存放情況和季節變化等進行相應的維護，以提高軍用特種車輛裝備的完好率。

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