高原高寒环境对军用特种车辆蓄电池性能的影响及其维护

蔡 滨，李斐如，马 巍，付 康

(中国人民解放军驻五八O 八厂军事代表室，山东 泰安，271000)

车辆用蓄电池是一种将化学能转变为电能的装置，属于低压直流电源，它在车辆上与发电机并联，并向用电设备供电［1］。军用特种车辆多采用铅酸蓄电池，它具有电动势高、内阻小、放电电压平稳等优点，比较适应车辆启动时短时间内大电流放电的需要。

目前，关于蓄电池容量及老化预测的理论研究较多。如，Matthias Dürr 等［2］研究了蓄电池容量与电压的动态模型，Sun 等［3］研究一种通过测试蓄电池放电后的容量而确定其老化情况的方法。但是，由于在高原高寒等极端环境条件作业的各类型车辆很少，因而对车用蓄电池在高原高寒环境下的性能特点及其维护鲜有研究。高原高寒环境的特点是温度低、昼夜温差大，军用特种车辆在高原高寒环境使用时，蓄电池的性能受环境温度影响较大［4］，若使用维护不当，易导致蓄电池发生故障，降低其使用寿命，影响装备的完好率。

本文根据蓄电池存储电能的基本原理，分析了高原高寒环境对军用特种车辆蓄电池性能的影响，提出了较为简便的维护措施，有利于提高蓄电池的维护效率和军用特种车辆装备的完好率。

1 高原高寒环境对军用特种车辆蓄电池性能的影响

高原环境的特点是昼夜温差大，夜间温度低;高寒地区在冬季低温可达-40 ℃以下。低温条件下，蓄电池的放电能力等性能降低，如果不正常维护，易造成车辆使用时出现故障。

1.1 对蓄电池容量的影响

同型号的蓄电池以相同的放电电流、在一定环境温度范围内放电时，容量随温度升高而增加，随温度降低而减少，其原因主要有3 个方面。

(1)蓄电池的电动势与环境温度成正比。在较高的工作温度下放电，蓄电池可以获得较大的电量，温度较低时，电量减少。

(2)低温降低了负极活性物质的利用率。蓄电池在低温状态下放电时，负极板铅电极逐渐形成硫酸铅，硫酸铅随放电时间增加而逐步向电极深处扩展，使活性物质中的微孔变窄，同时电极区至反应区距离增大，又使扩散速度变小。因此，部分微孔被堵塞，被堵塞的微孔内部电解液很快变稀，在低温下这种微孔发生冻结。温度越低，微孔堵塞现象越严重，导致活性物质利用率降低［5］。严重时可能变成致密的硫酸铅层，使电池钝化而终止放电。

(3)低温使蓄电池的内阻增大。当环境温度降至0 ℃以下，温度每降低10 ℃，内阻约增大15%左右。这是因为，低温时电解液黏度变大，扩散速度降低，使得内阻增大［6］。内阻的增大导致电极反应速度降低，加剧了电极浓差极化的影响，因而使蓄电池的容量降低。

根据相关理论研究，环境温度和蓄电池容量的关系为［7］

式中:Ct为t℃时的蓄电池容量;Ce为25 ℃时的蓄电池容量;K为温度系数，与放电速率有关。当采用C/10 放电时(C为蓄电池额定容量)，K为0.006/℃;当采用C/3 放电时，K为0.008/℃;当采用C/1 放电时，K为0.01/℃。

以额定容量为180 Ah 的蓄电池为例，在18 A(C/10)、60 A(C/3)和180 A(C/1)下放电时，其在不同温度下的实际容量见表1。可见，-20 ℃时，蓄电池在3 种电流下放电时的实际容量分别为额定容量的73%、64%和55%;当温度达到-40 ℃时，其实际容量进一步降低到额定容量的61%、48%和35%。

表1 不同温度下蓄电池的实际容量Ah

综上所述，低温下，蓄电池的实际容量减小，将导致蓄电池放电能力降低，易造成车辆起动困难。因此，温度越低越需控制蓄电池的放电程度。通常，冬季时蓄电池的放电程度不得超过额定容量的25%，夏季时不得超过50%。

1.2 对蓄电池充电接收能力的影响

在铅酸蓄电池充放电过程，存在电化学极化和浓差极化，大电流充放电主要受浓差极化的影响。铅酸蓄电池在低于0 ℃以下充电时，扩散电流密度明显减小，而交换电流密度减小不多，所以浓差极化加剧［8］，使蓄电池充电接收能力被限制，导致充电效率降低。

1.3 对蓄电池极板的影响

正常状态下，蓄电池放电时，极板上会形成较小的硫酸铅颗粒，充电过程中可还原为二氧化铅和纯铅。但是，若使用中蓄电池放电电流不当或放电后长期不充电，极板上的硫酸铅在环境温度较高时溶解到电解液中，温度越高溶解量越大。当环境温度降低时，电解液中的硫酸铅会逐渐达到过饱和状态，从电解液中析出，再次结晶形成粗晶粒的硫酸铅覆盖在极板上。再次结晶的硫酸铅在正常充电时不能还原，这种现象称为极板硫化［9］。

高原高寒环境下，昼夜温差大。一旦蓄电池处于充电不足的状态，极板上的硫化铅在白天温度较高时大量溶解到电解液中，在夜间温度较低时再次析出。可见，高原高寒环境将加速极板硫化的过程，使蓄电池更易出现极板硫化现象。

极板硫化将导致蓄电池充放电的电化学反应不能正常进行，导致蓄电池容量降低、内阻增大，使车辆启动时出现电能不足等故障。极板硫化是蓄电池早期损坏的主要原因之一。因此，高原高寒环境下，尤其要防止极板硫化的发生。其主要方法是避免低温大电流放电和蓄电池长期充电不足。

2 某型特种车辆在高原使用时蓄电池的故障现象与实验分析

以某型特种车辆为例。在高原使用时，当地环境温度为-14 ℃左右，蓄电池出现结冰、起鼓现象，检测发现故障蓄电池的电解液体积质量低于1.1 g/m3。正常的蓄电池电解液体积质量为1.28 g/m3，冰点在-60 ～-50 ℃，可以满足高原高寒环境的使用要求。但是，当蓄电池放电较多，充电不足时，电解液浓度降低，导致电解液冰点上升，使电解液在低温下出现结冰。

为验证蓄电池电量不足对其出现结冰、起鼓现象的影响。运用HLT705QS-5 型高低温试验箱对剩余容量分别为100%(A)、60%(B)、40%(C)和20%(D)的4 块某型低温蓄电池进行了低温冷冻实验。试验箱的技术参数见表2。

表2 HLT705QS-5 型高低温试验箱技术参数

实验温度分别为0、-10、-20、-30、-40、-50 ℃，各温度下的实验时间均为24 h。图1 为蓄电池的低温实验图。实验结果见表3。

图1 蓄电池的低温实验示意

表3 蓄电池低温实验结果

可见，-20 ℃时，剩余容量为60%的蓄电池出现碎冰现象，剩余容量为40%和20%的蓄电池出现凝冰和轻微起鼓现象。温度降低至-40 ℃时，剩余容量为60%、40%和20%的蓄电池均出现凝冰现象，并伴有不同程度的起鼓，而剩余容量为100%的蓄电池则保持正常状态。

实验表明:蓄电池在充电良好的状态下，能满足-40 ℃的使用环境，而如果蓄电池匮电，则会导致结冰起鼓等问题。这就要求在高原高寒环境下，需加强对蓄电池充电情况的检查，如发现情况，及时进行补充充电，防止出现结冰、起鼓现象。

3 高原高寒环境下军用特种车辆蓄电池的维护措施

对蓄电池进行维护通常需要多种检测仪器设备，如电压表、密度计等，且要求维护人员具备一定的专业知识。随着我军机械化和信息化的不断发展，大量新型的特种车辆装备列装部队，部队在检测维护设备和专业知识储备上出现不足。为此，根据高原高寒条件对军用特种车辆蓄电池性能的影响，提出了一些维护蓄电池的简便措施，可促进高原高寒地区部队对蓄电池的维护保养，防止因蓄电池性能降低影响军用特种车辆装备的使用与训练。

3.1 日常使用中蓄电池的维护

(1)防止过放电。车辆启动时，蓄电池放电电流大，为防止过放电，每次使用启动机不超过5 s，2次启动间隔应在15 s 以上，切忌连续点火启动。

(2)检查电解液液面。正常情况下，电解液液面应位于蓄电池外壳标识的“min”与“max”刻线之间，且各单格液面高度应均匀一致。由于电解液中水分的蒸发，液面会逐渐下降，此时需要及时补充蒸馏水。检查的频率一般冬季每10 ～15 d 检查1 次，夏季每5 ～7 d 检查1 次。

需要特别注意的是补充电解液时只能加注蒸馏水，无蒸馏水可用雨水或雪水;不可用河水或自来水，以免混入杂质造成自放电故障;也不可加注电解液或硫酸，因为加注电解液或硫酸会使电解液的密度增大，加速极板腐蚀及硫化。

(3)检查和清洁蓄电池外部。定期对蓄电池外部进行检查和清洁。主要包括:①检查蓄电池的安装是否牢靠。军用特种车辆常在高低不平的路上颠簸行驶，若蓄电池安装不牢，将在安装座内上下左右窜动撞击，可能导致壳体震裂、接线头松动和内部极板受损。②检查蓄电池及各极柱导线夹头的固定情况，应无松动现象。③检查蓄电池盖上的通气孔。倘若通气孔被堵，应进行清理，否则蓄电池充电时产生的气体可能将壳体胀破。④定期清除极柱桩头上的污染物和氧化物，擦净连接线外部及夹头，清理后用凡士林涂抹，以防再度锈蚀。⑤清洁蓄电池盖上的灰尘污物及溢出的电解液，有助于防止自放电。

(4)采取一定的保温措施。温度低于-20 ℃时，有必要对蓄电池采取保温措施。可将蓄电池卸下，放入室内保暖，次日使用时再装上。尽管比较繁琐，但能够有效保持蓄电池的温度，提高其工作性能。

3.2 长时间不使用时蓄电池的维护

车辆长期放置不用时(1 ～2 个月)，蓄电池通常存在不同程度的自放电现象［10］，导致蓄电池容量降低，再次使用时易出现无法启动等故障。因此，需要定期将蓄电池拆下进行补充充电(一般每月1 次)。

在没有充电设备的情况下，也可通过跑车的方式，利用车上的发电机对蓄电池进行充电(跑车里程通常在5 km 以上)。

3.3 封存时蓄电池的维护

超过2 个月不使用时，部队通常需要对车辆进行封存。封存时，需将蓄电池拆下后放入室内(温度5 ～40 ℃)保存，并由专门技术人员定期进行维护保养。

3.4 换季时蓄电池的维护

电解液密度对蓄电池的性能影响很大。如果密度过小，在使用时，极板还未放完电，电解液就已接近于水，不利于蓄电池最大限度地发挥作用。如果密度过大，尽管可在一定程度上提高容量，但会加剧极板的腐蚀，影响蓄电池的使用寿命。在高原高寒地区，为防止电解液在低温下结冰，冬季时可适当调高电解液密度;春季气温回升后，将电解液密度调低至原值。蓄电池电解液密度调节值见表4。

表4 冬季蓄电池电解液密度调节值 g/cm3

4 结 语

(1)高原高寒环境易造成蓄电池的放电能力降低，特别当温度低于-20 ℃时，蓄电池易因容量不足而导致结冰等故障。

(2)为防止高原高寒环境下军用特种车辆蓄电池的早期损坏，需根据特种车辆的使用频率、存放情况和季节变化等进行相应的维护，以提高军用特种车辆装备的完好率。

［1］ 徐曼珍.新型蓄电池原理与应用［M］. 北京:人民邮电出版社，2005.

［2］ Dürr M，Cruden A，Gair S，et al. Dynamic model of a lead acid battery for use in a domestic fuel cell system［J］. Journal of Power Sources，2006，161(2):1400-1411.

［3］ Sun Y H，Jou H L，Wu J C. Aging estimation method for lead-acid battery［J］. Energy Conversion，2011，26(1):264-271.

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［7］ 马宜静.低温对蓄电池容量影响的分析［J］.通信电源技术，2011，28(4):68-69.

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