飞机酸性蓄电池使用及维修特性研究

任毅

摘 要：蓄电池是飞机适航必备的设备之一，理解蓄电池的功用、工作原理、使用方法、注意事项等，对做好飞机的维护工作、保障飞行安全有十分重要的意义。通过对酸性航空蓄电池的基本工作原理及充放电特性分析，对铅酸蓄电池在使用、维护过程中需要遵守的规则进行了详细的说明，提出了酸性蓄电池在使用维护过程的注意事项，对提高铅酸蓄电池的可靠性和性能、延长使用寿命有较大的参考价值。

关键词：蓄电池 工作原理 充放电特性 使用和维护注意事项

中图分类号：U267.2 文献标识码：A 文章编号：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 飞机蓄电池概述

1.1 飞机蓄电池的功用

蓄电池是飞机适航必备的设备之一。在飞机上，蓄电池的主要用途是：在飞机主电源故障时应急电源向重要用电设备供电；在飞机主电源不工作时，作为辅助电源或飞机发动机的起动电源；在某些特殊情况下（如在无电源的野外）也可以用作飞机某些小功率用电设备飞行前检查的电源[11]。蓄电池虽然可以在短时间内输出相对较大的功率，但如果长时间与负载接通，则会很快耗光全部电能。其特点决定了它只应在发动机起动和地面无其他电源及应急情况下使用（见飞机电源系统）。飞机蓄电池的塞盖比较特殊，它既能排出正常使用中形成的气体，又能使电解液在飞机机动飞行时不溢出。为保证在低温环境下正常工作，飞机蓄电池附有加温或保温装置。早期飞机和某些现代轻型飞机上则采用蓄电池作为主电源。

1.2 飞机蓄电池的分类方法

飞机蓄电池按照电解液的性质通常分为碱性蓄电池和酸性蓄电池[11]。碱性蓄电池常见的是镉镍蓄电池，在中大型飞机上广泛使用；酸性蓄电池常见的是铅酸蓄电池，一般用于小型飞机。前者比后者能量大，放电特性平稳，内电阻更小，因而起动性能更好，重量只及铅蓄电池的1/2至1/3；缺点是寿命短、价格较贵。

铅酸蓄电池在通用飞机上使用较广，它具有如下优点：（1）比较廉价；（2）高倍率放电性能好，可做启动电源，能以3倍率～5倍率甚至9倍率～10倍率放电；（3）高低温性能良好，可在-40℃～+60℃条件下工作；（4）电能效率高达60%；（5）可以浮充使用，没有“记忆”效应。缺点是：（1）使用寿命较碱性蓄电池短；（2）比能量低，一般为30W·h/kg～40W·h/kg；（3）制成小尺寸比较难，镍镉碱性电池可制成小于0.5A·h的尺寸；（4）放电态长期保存会导致电极的不可逆硫酸铅化；（5）在某些结构电池中由于氢的析出，有爆炸危险[11]。下文主要研究铅酸蓄电池的工作原理，充放电特性，使用和维护注意事项。

2 铅酸蓄电池基本工作原理

2.1 铅酸蓄电池的工作原理

飞机上用的铅酸蓄电瓶是由多个蓄电池串联而成的，即由浸在硫酸水溶液中的铅板所组成，额定电压为2.0V。飞机电瓶额定电压一般为12V或24V，就是说电瓶中串联有6个或12个电池。每个电池是由用结晶细密、疏松多孔的二氧化铅（PbO2）作成的正极板和用海绵状的纯铅（Pb）作成的负极板以及硫酸（H2SO4）、水（H2O）混合液的电解液和隔板所组成[11]。电解液比重为1.285g/mL，隔板的作用是为了防止正、负极的活性物质因为直接接触而短路，见图1。蓄电池的充放电过程实际上就是PbO2与Pb在电解液的作用下发生化学反应将化学能转换为电能的过程，见图2，

其化学反应方程式为：

铅酸蓄电池放电时，在电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流，同时在电池内部进行化学反应[1]。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb+2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板的铅离子（Pb+4）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb+2），与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）[1]。正极板水解出的氧离子（O-2）与电解液中的氢离子（H+）反应，生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电[4]。放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低[9]。主要是由于硫酸铅的形成使得电瓶的容量逐渐降低直至放电完毕。

充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb+2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb+2）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb+4），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）[1]。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解Pb+2）和硫酸根负离子（SO4）为二价铅离子（-2），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb+2）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H-）和硫酸根离子（SO4-2），负极不断产生硫酸根离子（SO4-2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应[9]。这一过程完成时，电瓶充电完成。

2.2 铅酸蓄电池的充放电特性

2.2.1 铅酸蓄电瓶的充电特性

铅酸蓄电瓶的充电特性见图3所示。铅酸蓄电瓶的充电有初充电和普通充电两种。

初充电[3]（见表1）是指对未经使用的蓄电池在使用前所应该进行初次充电，分为两个阶段充电。初充电前应拧下蓄电池上的排气栓，然后将已经配制成的密度为1.285g/mL的稀硫酸电解液，仔细的由注液孔缓缓灌入，电解液灌入之前温度不准超过25℃。电解液必须高出隔板6毫米～7毫米（机载用）或12毫米～15毫米（地面用），以防倾斜45°角时电解液流出或极板露出液面。电解液注入蓄电瓶2小时后，当电解液温度降到35℃以下（如超过35℃应设法冷却），既可以开始初充电[4]。充电前如果电解液液面降低，则应调整到规定的液面高度。一般蓄电瓶初充电当大多数单体蓄电池电压达到2.35V～2.4V时，及时转入第二阶段充电，初次充电量应不少于蓄电池10h率或5h率容量的2.5～3.5倍。充电时间一般为20h左右。

普通充电是指经过初充电，以后的再充 电就称为普通充电。蓄电瓶常用的普通充电方式有两种：恒流充电，见图4和恒压充电，见图5。恒流充电[6]是充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电，该电流是通过调整充电装置的办法来达到。这种维持电流的方法，从直流发电机和硅整流装置中都能得到实现，其操作简单、方便、易于做到，最好用于小电流长时间的充电模式。其缺点是开始充电阶段电流较小，在充电后期充电电流又过大，整个充电时间长，析出气体多，对极板的冲击大，能耗高，充电效率不超过65%。使用碱性电池的飞机上的电瓶充电器一般工作于这种方式，充电器通过调整充电电压来保持充电电流的恒定。电瓶要求的充电电流的大小主要取决于每个单体电池极板的数量。

恒压充电[6]是指每一单体电池都以某一恒定电压进行充电。因此充电初期电流相当大，随着充电的进行，电流逐渐减小，到充电终期只有很小的电流通过了，这样就不用在充电的过程中调整电流了。这种充电方法比较简单，因为充电过程中电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可以达到80%，如果充电电压选择得当，充电过程可以在8h内完成。其不足之处就在于，充电初期如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危害充电电机的安全，电池也可能因为过流而损坏。若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间长，不适用于串联电池多的电池组充电。蓄电池端电压的变化很难补偿，充电中对落后电池的完全充电也很难完成[4]。恒压充电器用于维修车间内对电瓶快速充电。快速充电不能使一个未充满的电瓶达到充满电的状态，但能使电瓶有足够的容量启动发动机。启动之后，由飞机上的电瓶充电系统继续对其充电，使用酸性电瓶的飞机主电源也是通过这种方式给电瓶充电。

无论哪种方法进行充电，充电过程中电解液温度均不得超过45℃，否则应尽快采取冷却降温措施，使电解液温度下降至35℃以下再进行充电，但初充电中暂停时间不能过长。

蓄电池充电的端子电压如式（1）所示：

U=E+I·R （1）

其中：E=电瓶电动势（V）；I=充电电流（A）；R=内部阻抗（Ω）（航空电瓶的内阻较小，通常为几百分之一到几千分之一）。

充电量与寿命[7]：

蓄电池所需之充电量为放电量的110%～120%。放电量与蓄电池寿命具密切关系，假设充电量为放电量120%时的电池，使用寿命为1200回（4年），则当电池的充电量达放电量之150%时，则可推算该电池的寿命为：

1200回×120/150=960回（3.2年）

150%电流充电，迫使水被分解产生气体，电解液遽减，将使充电终点的温度上升，结果温度上升造成耐用年限缩短。此外，充电不足即又重复放电使用，则会严重影响电池寿命。

气体的产生与通风换气[7]：

充电中产生的气体为氧与氢的混合气，氢气具爆炸性，若空气中氢气达3.8%以上，且又近火源，则会发生爆炸。充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。

由充电特性曲线可知：在开始充电时（a-b段）电瓶电压及电动势上升很快，随后很长一段时间内（b-c段）电压及电动势缓慢上升，当充电快结束时（c-e段）电瓶电压及电动势再次明显上升。随着充电的进行，极板上电阻较大的硫酸铅逐渐还原成铅和二氧化铅，电瓶内阻变小，由U=E+I·R可以得出，电动势上升较电压快，这点我们在图3的c-d段可以明显看出来。当充电结束后，电动势迅速回落到2.1伏这个稳定值。

2.2.2 铅酸电瓶的放电特性

铅酸电瓶的放电特性见图6所示。铅酸电瓶放电主要受到放电电流（见图7）和温度（见图8）两个方面的影响。

当放电电流越大时，电瓶的放电时间就越短，且单体电池的放电终止电压也就越低[1]。其原因是：放电倍率[4]（倍率是指电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数）越高，放电电流密度越大，电流在电极上分布不均，电流优先分布在离主体电解液最近的表面上，从而在电极的最外表面优先生成PbSO4。PbSO4的体积比PbO2和Pb大，于是放电产物PbSO4堵塞多孔电极的孔口，电解液则不能充分提供电极内部反应的需要，电极内部物质不能得到充分的利用，因而高倍率放电时容量将降低。在大电流放电时，活性物质沿厚度方向的作用深度有限，电流越大其作用深度越小，活性物质被利用的程度越低，电池给出的容量也就越小[1]。

当蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少[8]：

（1）电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。

（2）电解液之阻抗增加，电瓶电压下降，蓄电池的容量会随蓄电池温度下降而减少。

因此：

（1）冬季比夏季的使用时间短。

（2）特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。

若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应先提高其温度。

在蓄电池的放电中应该注意的一个问题是放电深度。放电深度是指电池实际放出容量与额定容量的比值[3]。蓄电瓶是有几个蓄电池串联而成的，当对电瓶进行充电时，有的蓄电池极板上的硫酸铅不能完全还原成铅和二氧化铅，造成单体电池容量减小，使蓄电瓶容量变小，影响使用。这时候就应该用对电瓶进行小电流深度放电。但深度放电对蓄电池的寿命影响非常大，蓄电池的放电深度越深，则循环使用次数就越少。因此既要避免重载过流放电，又要避免轻载小电流长时间放电造成的放电深度过深，更要避免短路放电，否则会严重损坏蓄电池再充电能力和蓄电能力，缩短使用寿命。在实际使用中，不是追求蓄电池放出容量的百分之多少，而是要关注和处理落后蓄电池，在对落后蓄电池进行处理后再做针对性放电实验。这样可以防止事故，避免放电中落后蓄电池恶化成反极蓄电池。

由放电特性曲线图（见图6）我们可以看出：

在放电的初始阶段都会使端电压下降较多，然后略有回升的现象（A-B段），这是因为电池从充电状态转变为放电状态的瞬间，电池极板附近的电荷快速释放出来，而离极板较远的电荷需要逐渐运送到极板附近，然后才能释放出来，这个过程形成了电池端电压有较大的低谷。然后会出现很长时间的电压缓慢下降（B-C段）。过了这段时间电池电压下降的速度有所加快（C-D段）。电池端电压最终将出现急剧下降的拐点（D点），电池电压工作终点都是设计在这个拐点附近的。

3 铅酸蓄电池在飞机上的使用

3.1 铅酸蓄电池在飞机上的使用要求

铅酸电瓶在飞机上的主要作用是作为发动机的起动电源或飞机主电源失效时作为应急电源使用。发动机启动时需要电瓶输出短时大功率，因此应保证电瓶有足够的电压，一般规定当飞机电瓶电压低于21伏（24伏电瓶）或10.5伏（12伏电瓶）时应更换电瓶。另外根据FAA（美国联邦航空局）规定，当飞机主电源失效时，飞机电瓶应能向飞机必要的用电设备持续供电至少30分钟，这就要求对定期对飞机电瓶的蓄电量进行实验，方法为：在已充满电的电瓶上连接一个适当的负载。如果24分钟（30分钟的80%）以后，电瓶每一电池的电压在1.75伏或者以上（12伏电瓶电压至少10.5伏，24伏电瓶电压至少21.0伏），该电瓶即认为是可以使用的。如果不能达到此要求，该电瓶就应该更换。

3.2 铅酸电瓶在使用过程中常见的故障及维修方法

铅酸电瓶在使用过程中常见的故障及维修方法见表2所示。

3.3 电瓶维护注意事项

3.3.1 电瓶激活程序[3]

（1）检查电瓶外表应无破损。

（2）建立电瓶履历本。

（3）根据表3的电解液初填量，准备好1.285g/mL比重的电解液。

注意：在添加前应晃动电解液，以保证电解液能充分混合。

（4）使用塑料漏斗向各单元格添加电解液，直到液面高度达到分离环的顶部。

注意：操作过程中，应佩戴护目镜及防酸手套，以保护皮肤及眼睛

（5）把通气孔端盖上回原处，只拧1/4圈，放置约30分钟，以充分排气。此时电瓶温度有可能上升，根据需要进行冷却。

（6）检查每个电池单元格电解液高度应在分离环的顶部，视情添加。此时只能添加电解液。

（7）添加电解液后，应在8小时内对电瓶进行充电。以表3的起始充电电流进行恒流充电8～12h。

（8）充电1h后，检查每个电池单元格电解液高度，确认液面在分离环底部，视情添加。此时只能添加电解液。

（9）将通气孔端盖用手拧紧，确保电解液无渗出。

（10）在充电过程中，应保持电瓶温度不高于43.3°C。若超过此温度范围，应进行外部冷却，或降低充电电流，并适当增加充电时间。

（11）在充电结束前3个小时内，每隔1小时检查比重。当电解液比重读数稳定时，表明电瓶已充满，其比重应在（1.275g～1.295g）/ml范围内。按表4所示，对读数进行温度补偿，得到实际的比重值。

（12）若不能精确测量比重，也可监测电瓶电压。24V电瓶充满时，其电压稳定在32V左右，12V电瓶充满时，其电压稳定在16V左右。

（13）充电后期，所有电池单元格会均匀冒泡，电压读数稳定并有轻微的降低。

（14）电瓶充满后，在不关断充电器的情况下，调节电解液高度到分离环底部。

（15）充完电后，断开所有电缆。

（16）清洗电瓶：首先确认通气孔端盖是固紧的，以防止干苏打进入单元格，然后用清水与苏打水清洗电瓶。安装前，应将电瓶擦干。

3.3.2 对电瓶的日常维护应该注意[3]

（1）铅酸电瓶与镍镉电瓶的设施分开，包括将维护车间和维修工具分开，这样可以防止酸性电瓶与碱性电瓶的电解液相互污染。禁止在飞机上或在燃油箱附近10英尺（3.048m）范围内对电瓶进行充电。

（2）不应长时间地让电瓶处于完全用完电状态。如让电瓶处于用完电状态，会形成硬的、白色晶体的硫酸铅，称为硫化。这种晶体会使活性材料的小孔堵塞，并使极板损坏。

（3）电解液液面必须在极板的上面，否则会使极板暴露在空气中并造成迅速的硫化。必须定期检查电解液液面，如果低就应添入蒸馏水。

（4）在电瓶的输出端和接头上，可能会形成绿色的铜盐沉积物。这是由于正常的通气和溢出的电解液造成的腐蚀，可以用硬刷子将其除去，受腐蚀的区域可以用氨水溶液或5%的小苏打水溶液进行冲洗，以便将留在上面的电解液中和掉。该区域上还应涂一层薄的油脂或者防护油以防止腐蚀。将电压表接在电瓶的负极和电瓶外表上，对电瓶上是否有酸桥进行检查，酸桥会使电瓶自身放电。如电压表指示有酸桥存在，需彻底地冲洗吹干以将其除去。

（5）向旧电瓶中添加电解液是为了弥补由于溢出而损失的电解液。新电瓶在完全充满电时的电解液比重在1.285g/mL，在其寿命接近结束时，充满电后的比重只有1.275g/mL。此时就不应该再加入电解液了。电瓶极板此时可能已稍微有硫化，加入比重更大的电解液会加剧这种情况。

注意：操作过程中，应佩戴护目镜及防酸手套，以保护皮肤及眼睛。

4 结语

飞机上蓄电池的功用是作为启动电源和在主电源失效的时候作为应急电源，对碱性航空电池和酸性航空电池分类的方法进行了简单的介绍。详细的说明了铅酸蓄电池的工作原理是化学能和电能的转换，介绍了常用的两种充电方式：恒流充电和恒压充电，说明了这两种充电方式各自的特点和使用环境；说明了放电的方法并指出深度放电的适用情况以及放电过深将对电瓶性能造成极大损害，缩短使用寿命；并通过曲线图分析了酸性电瓶的充放电特性，了解了充放电过程中电池电压和电动势的变化情况。对蓄电池在飞机上正常使用的条件做了简单的介绍，如24伏电池，在飞机上使用时电压不得低于21伏，电解液浓度必须高于1.275g/ml，正常值为1.285g/ml；然后归纳了蓄电池常见的故障，发生故障的原因和解决的方法。从以上几个方面提出了在蓄电池在初次使用时的正确操作程序以及在日常维护当中应该注意的问题，包括对工作场所的要求、操作人员的保护措施、充放电过程中电解液温度的要求等。通过这篇文章，我们可以对航空蓄电池的作用和类型，对铅酸电池的工作原理、充放电特性、常见的故障以及维护的方法有一个初步的了解。

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