卷绕式铅酸蓄电池应用实例,Lead-acid batteries

传统上，北方高寒地区的水情自动测报系统到了冬天就必须将设备拆回，然后到了来年春天再重新安装，这就给系统造成了相当大的安装维护工作量。随着人们对水情自动测报系统自动化程度要求的进一步提高，这一问题也越来越引起水情测报人员的关注。

1 水情自动测报系统的低温特性
影响水情自动测报系统低温工作特性的因素很多。首先，早期的数据采集器或通信设备由于电路设计原因，其工作温度范围较窄，无法适应低温条件下的工作；其次，水面结冰带来的水位测量问题也是限制水情自动测报系统低温工作的一大原因；再次，由于水情自动测报系统一般安装在野外无人职守的环境，现场没有交流供电，因此一般只能采用太阳能+蓄电池浮充供电的工作方式。而传统水情自动测报系统使用的均是阀控式密封铅酸蓄电池。由于低温条件下，铅酸蓄电池的电解液有可能结冻而无法正常工作，其最低工作温度一般只能到-10℃左右。
随着技术的发展，水情自动测报系统的电子设备使用的都是工业级产品，其工作温度范围已经不成问题，例如国网电科院的水情自动测报系统设备的核心数据采集器ACS300-MM就能在一40℃的低温环境下正常工作。另外，水位测量也有了更多的方式，如超声波、激光水位计等非接触式测量方式，均可解决水面结冰带来的问题。
由于蓄电池无法适应-10℃以下高寒地区的使用。因此，蓄电池的工作温度范围就成为决定水情自动测报系统低温工作范围的主要因素。
为了克服低温天气带来的蓄电池使用方面的影响，人们也做了大量的努力，如黑龙江乾丰科技发展有限公司使用加热降温系统来保证蓄电池所处环境的温度范围保持在-10℃～+50℃，当系统在检测到气温低于-10℃时，便可启动加热设备加热；而在气温高于+50℃时，系统则启动风扇进行散热降温，从而保证蓄电池能正常工作。然而，这种方式由于需要消耗大量的电能，故在日照不能保证的时候，系统的正常工作时间将大大降低。另外，采取双法拉第筒式密闭埋地安装方式，一方面能较好地使内部工作温度保持在-5℃～+40℃的范围，从而克服低温天气带来的影响，另一方面还具有较好的防雷能力，因此在水情自动测报系统中得到了广泛的应用，但这种方式只适用于遥测雨量站的安装，对于带水位或其它水文量测量的水文站来说，则不太适合。
鉴于以上种种原因，水利系统和电力系统的相关标准，对水情自动测报系统规定的最低工作温度也仪为-10℃和-25℃。
然而，随着卷绕式铅酸蓄电池的推广应用，这一问题可以得到较好的解决。

2 卷绕式铅酸蓄电池
卷绕式铅酸蓄电池是近年来开发的新产品。铅酸蓄电池的工作过程就是铅和酸之间的化学反应过程，为了提高蓄电池的比容量，人们需要尽可能加大它们之间的接触面积，为此，人们采用压延铅合金的方式制造出了很薄的铅箔作为极板基片。但这样一来，它的机械强度势必要减小，为了解决这一问题，人们将正极板、隔板、负极板交替叠放，并卷绕在一起。从而制成电池单体为圆柱形的卷绕式铅酸蓄电池，又称螺旋卷式铅酸蓄电池，或卷式电极铅酸蓄电池。其外形如图1所示。

一直以来，卷绕式铅酸蓄电池都是西方发达国家的一张技术王牌。据报道，美国在上世纪60年代就开始研究卷绕式铅酸蓄电池。西方少数发达国家也把卷绕式铅酸蓄电池应用在军事(装甲车、坦克、潜艇等)等特殊领域。在军事测试中，这种特种电池被子弹击穿后，仍可快速启动战车或其它军事装备。经过海湾战争的考验，这种电池组被称之为“美国战略电池组”。

3 卷绕式铅酸蓄电池的结构性能
卷绕式铅酸蓄电池为螺旋型结构，如图2所示。它采用只有1 mm左右的极板并经高压卷绕而成。由于采用的板栅材料为纯铅或铅锡合金，故其比较柔软，利于卷绕，其电解液是固态酸，电极板和固态酸一起捆绑并卷起来做成独特的螺旋式卷绕。由于其使用的是固态酸，因而避免了电解液冻结的问题，同时具有卓越的低温性能，可在-55℃的低温条件下正常工作

卷绕式铅酸蓄电池与传统铅酸蓄电池的工作原理是一样的，它只是在制造工艺上有了改进，而正是这些改进使其具有区别于传统蓄电池的更优异的特性，主要表现在以下几个方面：
(1)卓越的高低温性能
卷绕式铅酸蓄电池可在-55℃～75℃下工作。由于卷绕式铅酸蓄电池采用了螺旋卷绕技术，其机板与机板之间的间隙极小，且其酸是固体酸，并能被玻璃纤维网所吸附，整个结构极其紧密。因此，在高温下，其基本不存在冒气冒泡现象，而在低温下，更没有液态酸可冰冻，也不存在电流输出减少的问题。根据美国SAE测试标准，卷绕式铅酸蓄电池可在-55℃～75℃范围内安全快速起动和牵引工作，而普通蓄电池的适用温度范围一般只在-10℃～40℃。这也是其能解决上述水情自动测报系统低温条件工作的根本原因。

(2)充电非常迅速
卷绕式铅酸蓄电池在40分钟内可充入95％以上的电量。由于卷绕式铅酸蓄电池的内阻极低，因此可将充电电流基本上全部接受，且其本身容量较大，故充电时没有电流限制，其一般快速充电时间在1小时左右就能满载，而普通蓄电池的内阻较高，故其部分充电电流将转化为热能散出，且其充电时间一般至少要6小时以上。卷绕式铅酸蓄电池采用高纯铅制作，故其相比普通蓄电池，其副反应小得多，因而电池可以使用小电流充电，即使在阴雨天也可以达到90％以上的充电效率。
(3)超长寿命
卷绕式铅酸蓄电池在设计时的浮充寿命可达8年以上。由于卷绕式铅酸蓄电池的活性铅面积非常大，故其放电后的恢复能力也极强，根据美国SAE标准，在J240测试中，卷绕式铅酸蓄电池的起动次数高达15000次以上。相比于普通蓄电池一般2000-4000次左右的动力与起动次数来说，卷绕式铅酸蓄电池更具强劲的优势。
(4)自放电极小
由于卷绕式铅酸蓄电池的内阻极小，故其本身在闲置不用时的自放电极小。卷绕式铅酸蓄电池可放置两年而不用充电，故从某种意义上真正实现了免维护。而普通蓄电池至多可放置1-2个月就必须充电。
由于具有以上优异的性能，卷绕式铅酸蓄电池已被广泛应用于混合电动车、电动工具、仪器仪表、风力发电等各个领域。

4 卷绕式铅酸蓄电池的研究与发展
4.1国外发展现状
美国GATES公司在上世纪60年代就开始开发卷绕式铅酸蓄电池，后来成为瑞典GYLLING集团属下的一个子公司(即Optima batteries A B)，此后，卷绕式铅酸蓄电池的研究和发展更为迅速，瑞典OPTIMA公司投入市场的傲铁马牌电池便是由其开发的。该电池拥有18项专利，采用电池单元螺旋卷绕技术，板栅为0.3 mm的纯铅，正负极之间用超细玻璃纤维(AGM)隔板隔开。极板间距小，内阻仅为2.8 mΩ，其大电流放电性能好。
随后涌现的卷绕式电池有威尔士产SBS电池、美国Bolder公司拥有TMF专利技术的密闭薄层铅酸蓄电池、西班牙Exide公司开发的高能Orbital密封阀控铅酸蓄电池等。
4.2 国内发展现状
国内对于卷绕式铅酸蓄电池的研究还处于发展初级阶段，还没有大规模批量生产。目前涉足卷绕式铅酸蓄电池的生产企业仅有中亿科技、江苏双登、陕西多伦、深圳宝力晟等4家。
中亿科技于2004年开始研发卷绕式铅酸蓄电池，历经4年时间，现已成功开发了2V50AH、6V50AH、12V50AH三种型号卷绕式铅酸蓄电池，目前已经实现小批量生产。
江苏双登(伦敦证交所二板市场上市)主要生产经营各种铅酸蓄电池和锂电池。公司卷绕式铅酸蓄电池项目2003年立项，2006年成功研制出6V2.5Ah以及2V8Ah卷绕式铅酸蓄电池，2007年产品通过了UL认证，并已实现小批量生产。
陕西多伦于2007年6月研制成功“多伦铁马”牌大型卷绕式铅蓄电池产品，据称产品优于国外同类产品，并计划利用该项技术投资30亿元启动动力汽车项目。
宝力晟成立于2004年，专业生产2 V、4 V、6 V、12 V系列卷绕式铅酸蓄电池，AGM铅酸蓄电池、深循环太阳能蓄电池、高尔夫球车蓄电池和胶体电池。公司2002年开始投入卷绕式电池的研发，目前已批量自动化生产2.5AH-50AH系列卷绕式电池，产品通过了CE、UL认证。

5 结束语
目前，水情自动测报系统使用较多的还是阀控式密封铅酸蓄电池，受制于镍氢电池、锂电池的高额成本，这种情况持续了较长时间，这从根本上限制了水情自动测报系统的低温工作特性。随着国内较低成本的卷绕式铅酸蓄电池研发，这一情况得到了大大改观，其-55℃～75℃的宽工作温度范围使其非常适用于高寒地区的应用，此外，由于工艺上的改进，卷绕式铅酸蓄电池还具有启动功率大、比能大、使用寿命长、自放电极小、充电迅速等适用于遥测系统的特性。笔者相信，卷绕式铅酸蓄电池将在水情自动测报系统及其它采用太阳能+蓄电池浮充供电的遥测系统中得到广泛的应用。