飛機酸性蓄電池使用及維修特性研究

任毅

摘 要：蓄電池是飛機適航必備的設備之一，理解蓄電池的功用、工作原理、使用方法、注意事項等，對做好飛機的維護工作、保障飛行安全有十分重要的意義。通過對酸性航空蓄電池的基本工作原理及充放電特性分析，對鉛酸蓄電池在使用、維護過程中需要遵守的規(guī)則進行了詳細的說明，提出了酸性蓄電池在使用維護過程的注意事項，對提高鉛酸蓄電池的可靠性和性能、延長使用壽命有較大的參考價值。

關鍵詞：蓄電池 工作原理 充放電特性 使用和維護注意事項

中圖分類號：U267.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0015-05

Abstract：Accumulator is a necessary device of airplane for airworthiness. For securing flight safety， it is very important to maintain airplane that understanding the function， principles， methods， notices of accumulator. This paper introduced basic principles， charge and de-charge function of aerial acid-accumulator， elaborated the regulations of the use and maintain of acid-accumulator， suggested the notices in daily check and maintain of acid-accumulator which had some reference to improve reliability and prolong lifetime of acid-accumulator.

Key Words：Accumulator；Principle；Property of charge-discharge；Use and maintain notices

1 飛機蓄電池概述

1.1 飛機蓄電池的功用

蓄電池是飛機適航必備的設備之一。在飛機上，蓄電池的主要用途是：在飛機主電源故障時應急電源向重要用電設備供電；在飛機主電源不工作時，作為輔助電源或飛機發(fā)動機的起動電源；在某些特殊情況下（如在無電源的野外）也可以用作飛機某些小功率用電設備飛行前檢查的電源[11]。蓄電池雖然可以在短時間內輸出相對較大的功率，但如果長時間與負載接通，則會很快耗光全部電能。其特點決定了它只應在發(fā)動機起動和地面無其他電源及應急情況下使用（見飛機電源系統(tǒng)）。飛機蓄電池的塞蓋比較特殊，它既能排出正常使用中形成的氣體，又能使電解液在飛機機動飛行時不溢出。為保證在低溫環(huán)境下正常工作，飛機蓄電池附有加溫或保溫裝置。早期飛機和某些現(xiàn)代輕型飛機上則采用蓄電池作為主電源。

1.2 飛機蓄電池的分類方法

飛機蓄電池按照電解液的性質通常分為堿性蓄電池和酸性蓄電池[11]。堿性蓄電池常見的是鎘鎳蓄電池，在中大型飛機上廣泛使用；酸性蓄電池常見的是鉛酸蓄電池，一般用于小型飛機。前者比后者能量大，放電特性平穩(wěn)，內電阻更小，因而起動性能更好，重量只及鉛蓄電池的1/2至1/3；缺點是壽命短、價格較貴。

鉛酸蓄電池在通用飛機上使用較廣，它具有如下優(yōu)點：（1）比較廉價；（2）高倍率放電性能好，可做啟動電源，能以3倍率～5倍率甚至9倍率～10倍率放電；（3）高低溫性能良好，可在-40℃～+60℃條件下工作；（4）電能效率高達60%；（5）可以浮充使用，沒有“記憶”效應。缺點是：（1）使用壽命較堿性蓄電池短；（2）比能量低，一般為30W·h/kg～40W·h/kg；（3）制成小尺寸比較難，鎳鎘堿性電池可制成小于0.5A·h的尺寸；（4）放電態(tài)長期保存會導致電極的不可逆硫酸鉛化；（5）在某些結構電池中由于氫的析出，有爆炸危險[11]。下文主要研究鉛酸蓄電池的工作原理，充放電特性，使用和維護注意事項。

2 鉛酸蓄電池基本工作原理

2.1 鉛酸蓄電池的工作原理

飛機上用的鉛酸蓄電瓶是由多個蓄電池串聯(lián)而成的，即由浸在硫酸水溶液中的鉛板所組成，額定電壓為2.0V。飛機電瓶額定電壓一般為12V或24V，就是說電瓶中串聯(lián)有6個或12個電池。每個電池是由用結晶細密、疏松多孔的二氧化鉛（PbO2）作成的正極板和用海綿狀的純鉛（Pb）作成的負極板以及硫酸（H2SO4）、水（H2O）混合液的電解液和隔板所組成[11]。電解液比重為1.285g/mL，隔板的作用是為了防止正、負極的活性物質因為直接接觸而短路，見圖1。蓄電池的充放電過程實際上就是PbO2與Pb在電解液的作用下發(fā)生化學反應將化學能轉換為電能的過程，見圖2，

其化學反應方程式為：

鉛酸蓄電池放電時，在電位差作用下，負極板上的電子經(jīng)負載進入正極板形成電流，同時在電池內部進行化學反應[1]。負極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（Pb+2）與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板的鉛離子（Pb+4）得到來自負極的兩個電子（2e）后，變成二價鉛離子（Pb+2），與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）[1]。正極板水解出的氧離子（O-2）與電解液中的氫離子（H+）反應，生成穩(wěn)定物質水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電場的作用下分別移向電池的正負極，在電池內部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電[4]。放電時H2SO4濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低[9]。主要是由于硫酸鉛的形成使得電瓶的容量逐漸降低直至放電完畢。

充電時，應在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，并把外界的電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。在正極板上，在外電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb+2）和硫酸根負離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價鉛離子（Pb+2）不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子（Pb+4），并與水繼續(xù)反應，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）[1]。在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解Pb+2）和硫酸根負離子（SO4）為二價鉛離子（-2），由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb+2）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（H-）和硫酸根離子（SO4-2），負極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO4-2），在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應[9]。這一過程完成時，電瓶充電完成。

2.2 鉛酸蓄電池的充放電特性

2.2.1 鉛酸蓄電瓶的充電特性

鉛酸蓄電瓶的充電特性見圖3所示。鉛酸蓄電瓶的充電有初充電和普通充電兩種。

初充電[3]（見表1）是指對未經(jīng)使用的蓄電池在使用前所應該進行初次充電，分為兩個階段充電。初充電前應擰下蓄電池上的排氣栓，然后將已經(jīng)配制成的密度為1.285g/mL的稀硫酸電解液，仔細的由注液孔緩緩灌入，電解液灌入之前溫度不準超過25℃。電解液必須高出隔板6毫米～7毫米（機載用）或12毫米～15毫米（地面用），以防傾斜45°角時電解液流出或極板露出液面。電解液注入蓄電瓶2小時后，當電解液溫度降到35℃以下（如超過35℃應設法冷卻），既可以開始初充電[4]。充電前如果電解液液面降低，則應調整到規(guī)定的液面高度。一般蓄電瓶初充電當大多數(shù)單體蓄電池電壓達到2.35V～2.4V時，及時轉入第二階段充電，初次充電量應不少于蓄電池10h率或5h率容量的2.5～3.5倍。充電時間一般為20h左右。

普通充電是指經(jīng)過初充電，以后的再充 電就稱為普通充電。蓄電瓶常用的普通充電方式有兩種：恒流充電，見圖4和恒壓充電，見圖5。恒流充電[6]是充電時自始至終以恒定不變的電流進行充電，該電流是通過調整充電裝置的辦法來達到。這種維持電流的方法，從直流發(fā)電機和硅整流裝置中都能得到實現(xiàn)，其操作簡單、方便、易于做到，最好用于小電流長時間的充電模式。其缺點是開始充電階段電流較小，在充電后期充電電流又過大，整個充電時間長，析出氣體多，對極板的沖擊大，能耗高，充電效率不超過65%。使用堿性電池的飛機上的電瓶充電器一般工作于這種方式，充電器通過調整充電電壓來保持充電電流的恒定。電瓶要求的充電電流的大小主要取決于每個單體電池極板的數(shù)量。

恒壓充電[6]是指每一單體電池都以某一恒定電壓進行充電。因此充電初期電流相當大，隨著充電的進行，電流逐漸減小，到充電終期只有很小的電流通過了，這樣就不用在充電的過程中調整電流了。這種充電方法比較簡單，因為充電過程中電流自動減小，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可以達到80%，如果充電電壓選擇得當，充電過程可以在8h內完成。其不足之處就在于，充電初期如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危害充電電機的安全，電池也可能因為過流而損壞。若充電電壓選擇過低，后期充電電流又過小，充電時間長，不適用于串聯(lián)電池多的電池組充電。蓄電池端電壓的變化很難補償，充電中對落后電池的完全充電也很難完成[4]。恒壓充電器用于維修車間內對電瓶快速充電。快速充電不能使一個未充滿的電瓶達到充滿電的狀態(tài)，但能使電瓶有足夠的容量啟動發(fā)動機。啟動之后，由飛機上的電瓶充電系統(tǒng)繼續(xù)對其充電，使用酸性電瓶的飛機主電源也是通過這種方式給電瓶充電。

無論哪種方法進行充電，充電過程中電解液溫度均不得超過45℃，否則應盡快采取冷卻降溫措施，使電解液溫度下降至35℃以下再進行充電，但初充電中暫停時間不能過長。

蓄電池充電的端子電壓如式（1）所示：

U=E+I·R （1）

其中：E=電瓶電動勢（V）；I=充電電流（A）；R=內部阻抗（Ω）（航空電瓶的內阻較小，通常為幾百分之一到幾千分之一）。

充電量與壽命[7]：

蓄電池所需之充電量為放電量的110%～120%。放電量與蓄電池壽命具密切關系，假設充電量為放電量120%時的電池，使用壽命為1200回（4年），則當電池的充電量達放電量之150%時，則可推算該電池的壽命為：

1200回×120/150=960回（3.2年）

150%電流充電，迫使水被分解產(chǎn)生氣體，電解液遽減，將使充電終點的溫度上升，結果溫度上升造成耐用年限縮短。此外，充電不足即又重復放電使用，則會嚴重影響電池壽命。

氣體的產(chǎn)生與通風換氣[7]：

充電中產(chǎn)生的氣體為氧與氫的混合氣，氫氣具爆炸性，若空氣中氫氣達3.8%以上，且又近火源，則會發(fā)生爆炸。充電場所必須通風良好，注意遠離火源，避免觸電。

由充電特性曲線可知：在開始充電時（a-b段）電瓶電壓及電動勢上升很快，隨后很長一段時間內（b-c段）電壓及電動勢緩慢上升，當充電快結束時（c-e段）電瓶電壓及電動勢再次明顯上升。隨著充電的進行，極板上電阻較大的硫酸鉛逐漸還原成鉛和二氧化鉛，電瓶內阻變小，由U=E+I·R可以得出，電動勢上升較電壓快，這點我們在圖3的c-d段可以明顯看出來。當充電結束后，電動勢迅速回落到2.1伏這個穩(wěn)定值。

2.2.2 鉛酸電瓶的放電特性

鉛酸電瓶的放電特性見圖6所示。鉛酸電瓶放電主要受到放電電流（見圖7）和溫度（見圖8）兩個方面的影響。

當放電電流越大時，電瓶的放電時間就越短，且單體電池的放電終止電壓也就越低[1]。其原因是：放電倍率[4]（倍率是指電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)）越高，放電電流密度越大，電流在電極上分布不均，電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近的表面上，從而在電極的最外表面優(yōu)先生成PbSO4。PbSO4的體積比PbO2和Pb大，于是放電產(chǎn)物PbSO4堵塞多孔電極的孔口，電解液則不能充分提供電極內部反應的需要，電極內部物質不能得到充分的利用，因而高倍率放電時容量將降低。在大電流放電時，活性物質沿厚度方向的作用深度有限，電流越大其作用深度越小，活性物質被利用的程度越低，電池給出的容量也就越小[1]。

當蓄電池溫度降低，則其容量亦會因以下理由而顯著減少[8]：

（1）電解液不易擴散，兩極活性物質的化學反應速率變慢。

（2）電解液之阻抗增加，電瓶電壓下降，蓄電池的容量會隨蓄電池溫度下降而減少。

因此：

（1）冬季比夏季的使用時間短。

（2）特別是使用于冷凍庫的蓄電池由于放電量大，而使一天的實際使用時間顯著減短。

若欲延長使用時間，則在冬季或是進入冷凍庫前，應先提高其溫度。

在蓄電池的放電中應該注意的一個問題是放電深度。放電深度是指電池實際放出容量與額定容量的比值[3]。蓄電瓶是有幾個蓄電池串聯(lián)而成的，當對電瓶進行充電時，有的蓄電池極板上的硫酸鉛不能完全還原成鉛和二氧化鉛，造成單體電池容量減小，使蓄電瓶容量變小，影響使用。這時候就應該用對電瓶進行小電流深度放電。但深度放電對蓄電池的壽命影響非常大，蓄電池的放電深度越深，則循環(huán)使用次數(shù)就越少。因此既要避免重載過流放電，又要避免輕載小電流長時間放電造成的放電深度過深，更要避免短路放電，否則會嚴重損壞蓄電池再充電能力和蓄電能力，縮短使用壽命。在實際使用中，不是追求蓄電池放出容量的百分之多少，而是要關注和處理落后蓄電池，在對落后蓄電池進行處理后再做針對性放電實驗。這樣可以防止事故，避免放電中落后蓄電池惡化成反極蓄電池。

由放電特性曲線圖（見圖6）我們可以看出：

在放電的初始階段都會使端電壓下降較多，然后略有回升的現(xiàn)象（A-B段），這是因為電池從充電狀態(tài)轉變?yōu)榉烹姞顟B(tài)的瞬間，電池極板附近的電荷快速釋放出來，而離極板較遠的電荷需要逐漸運送到極板附近，然后才能釋放出來，這個過程形成了電池端電壓有較大的低谷。然后會出現(xiàn)很長時間的電壓緩慢下降（B-C段）。過了這段時間電池電壓下降的速度有所加快（C-D段）。電池端電壓最終將出現(xiàn)急劇下降的拐點（D點），電池電壓工作終點都是設計在這個拐點附近的。

3 鉛酸蓄電池在飛機上的使用

3.1 鉛酸蓄電池在飛機上的使用要求

鉛酸電瓶在飛機上的主要作用是作為發(fā)動機的起動電源或飛機主電源失效時作為應急電源使用。發(fā)動機啟動時需要電瓶輸出短時大功率，因此應保證電瓶有足夠的電壓，一般規(guī)定當飛機電瓶電壓低于21伏（24伏電瓶）或10.5伏（12伏電瓶）時應更換電瓶。另外根據(jù)FAA（美國聯(lián)邦航空局）規(guī)定，當飛機主電源失效時，飛機電瓶應能向飛機必要的用電設備持續(xù)供電至少30分鐘，這就要求對定期對飛機電瓶的蓄電量進行實驗，方法為：在已充滿電的電瓶上連接一個適當?shù)呢撦d。如果24分鐘（30分鐘的80%）以后，電瓶每一電池的電壓在1.75伏或者以上（12伏電瓶電壓至少10.5伏，24伏電瓶電壓至少21.0伏），該電瓶即認為是可以使用的。如果不能達到此要求，該電瓶就應該更換。

3.2 鉛酸電瓶在使用過程中常見的故障及維修方法

鉛酸電瓶在使用過程中常見的故障及維修方法見表2所示。

3.3 電瓶維護注意事項

3.3.1 電瓶激活程序[3]

（1）檢查電瓶外表應無破損。

（2）建立電瓶履歷本。

（3）根據(jù)表3的電解液初填量，準備好1.285g/mL比重的電解液。

注意：在添加前應晃動電解液，以保證電解液能充分混合。

（4）使用塑料漏斗向各單元格添加電解液，直到液面高度達到分離環(huán)的頂部。

注意：操作過程中，應佩戴護目鏡及防酸手套，以保護皮膚及眼睛

（5）把通氣孔端蓋上回原處，只擰1/4圈，放置約30分鐘，以充分排氣。此時電瓶溫度有可能上升，根據(jù)需要進行冷卻。

（6）檢查每個電池單元格電解液高度應在分離環(huán)的頂部，視情添加。此時只能添加電解液。

（7）添加電解液后，應在8小時內對電瓶進行充電。以表3的起始充電電流進行恒流充電8～12h。

（8）充電1h后，檢查每個電池單元格電解液高度，確認液面在分離環(huán)底部，視情添加。此時只能添加電解液。

（9）將通氣孔端蓋用手擰緊，確保電解液無滲出。

（10）在充電過程中，應保持電瓶溫度不高于43.3°C。若超過此溫度范圍，應進行外部冷卻，或降低充電電流，并適當增加充電時間。

（11）在充電結束前3個小時內，每隔1小時檢查比重。當電解液比重讀數(shù)穩(wěn)定時，表明電瓶已充滿，其比重應在（1.275g～1.295g）/ml范圍內。按表4所示，對讀數(shù)進行溫度補償，得到實際的比重值。

（12）若不能精確測量比重，也可監(jiān)測電瓶電壓。24V電瓶充滿時，其電壓穩(wěn)定在32V左右，12V電瓶充滿時，其電壓穩(wěn)定在16V左右。

（13）充電后期，所有電池單元格會均勻冒泡，電壓讀數(shù)穩(wěn)定并有輕微的降低。

（14）電瓶充滿后，在不關斷充電器的情況下，調節(jié)電解液高度到分離環(huán)底部。

（15）充完電后，斷開所有電纜。

（16）清洗電瓶：首先確認通氣孔端蓋是固緊的，以防止干蘇打進入單元格，然后用清水與蘇打水清洗電瓶。安裝前，應將電瓶擦干。

3.3.2 對電瓶的日常維護應該注意[3]

（1）鉛酸電瓶與鎳鎘電瓶的設施分開，包括將維護車間和維修工具分開，這樣可以防止酸性電瓶與堿性電瓶的電解液相互污染。禁止在飛機上或在燃油箱附近10英尺（3.048m）范圍內對電瓶進行充電。

（2）不應長時間地讓電瓶處于完全用完電狀態(tài)。如讓電瓶處于用完電狀態(tài)，會形成硬的、白色晶體的硫酸鉛，稱為硫化。這種晶體會使活性材料的小孔堵塞，并使極板損壞。

（3）電解液液面必須在極板的上面，否則會使極板暴露在空氣中并造成迅速的硫化。必須定期檢查電解液液面，如果低就應添入蒸餾水。

（4）在電瓶的輸出端和接頭上，可能會形成綠色的銅鹽沉積物。這是由于正常的通氣和溢出的電解液造成的腐蝕，可以用硬刷子將其除去，受腐蝕的區(qū)域可以用氨水溶液或5%的小蘇打水溶液進行沖洗，以便將留在上面的電解液中和掉。該區(qū)域上還應涂一層薄的油脂或者防護油以防止腐蝕。將電壓表接在電瓶的負極和電瓶外表上，對電瓶上是否有酸橋進行檢查，酸橋會使電瓶自身放電。如電壓表指示有酸橋存在，需徹底地沖洗吹干以將其除去。

（5）向舊電瓶中添加電解液是為了彌補由于溢出而損失的電解液。新電瓶在完全充滿電時的電解液比重在1.285g/mL，在其壽命接近結束時，充滿電后的比重只有1.275g/mL。此時就不應該再加入電解液了。電瓶極板此時可能已稍微有硫化，加入比重更大的電解液會加劇這種情況。

注意：操作過程中，應佩戴護目鏡及防酸手套，以保護皮膚及眼睛。

4 結語

飛機上蓄電池的功用是作為啟動電源和在主電源失效的時候作為應急電源，對堿性航空電池和酸性航空電池分類的方法進行了簡單的介紹。詳細的說明了鉛酸蓄電池的工作原理是化學能和電能的轉換，介紹了常用的兩種充電方式：恒流充電和恒壓充電，說明了這兩種充電方式各自的特點和使用環(huán)境；說明了放電的方法并指出深度放電的適用情況以及放電過深將對電瓶性能造成極大損害，縮短使用壽命；并通過曲線圖分析了酸性電瓶的充放電特性，了解了充放電過程中電池電壓和電動勢的變化情況。對蓄電池在飛機上正常使用的條件做了簡單的介紹，如24伏電池，在飛機上使用時電壓不得低于21伏，電解液濃度必須高于1.275g/ml，正常值為1.285g/ml；然后歸納了蓄電池常見的故障，發(fā)生故障的原因和解決的方法。從以上幾個方面提出了在蓄電池在初次使用時的正確操作程序以及在日常維護當中應該注意的問題，包括對工作場所的要求、操作人員的保護措施、充放電過程中電解液溫度的要求等。通過這篇文章，我們可以對航空蓄電池的作用和類型，對鉛酸電池的工作原理、充放電特性、常見的故障以及維護的方法有一個初步的了解。

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