505CH2 镉镍蓄电池的维护

■ 罗武/中国南方航空股份有限公司

蓄电池被广泛用于民航飞机的地面维护、启动辅助动力装置，也用于飞机交流和直流电故障时的供电以及紧急情况下的供电。飞机蓄电池一般分为锂蓄电池和镉镍蓄电池两类。505CH2 是一种镉镍蓄电池，应用于A330、A350、A380 等大型飞机。镉镍蓄电池的优点是轻便、抗震、寿命长、大电流放电特性好。作为飞机重要的储能装置，镉镍蓄电池必须被正确地维护和使用才能保证其容量和性能。

1 505CH2 蓄电池工作原理

505CH2 镉镍蓄电池是一种碱性蓄电池，其正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由镉制成，电解液是氢氧化钾溶液。如图1 所示，505CH2蓄电池由20 个镉镍蓄电池单元体串联连接组成。镉镍蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍〔NiOOH〕，负极板上的活性物质变为金属镉，储蓄了能量；镉镍蓄电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

图1 505CH2蓄电池组成

放电过程：Cd+2NiOOH+2H2O →2Ni（OH）2+Cd（OH）

充电过程：2Ni（OH）2+Cd（OH）→Cd+2NiOOH+2H2O

FAR25.1353 要求飞机蓄电池必须安装温度和压力传感器，不会造成过热和危险气体积聚的风险。505CH2 蓄电池安装了符合规章要求的传感器，可以感知温度、电压等参数的变化。

2 通常的维护方案

2.1 车间定期维护

在非装机使用状态下，蓄电池须按照部件维护手册（CMM）的要求进行维护，以保护蓄电池并维持蓄电池的可用状态。通常的维护方案有以下三类。

1）定期检查

定期检查主要是检查电解质液面是否正常。另外，对蓄电池进行目视检查、轻度清洁、绝缘检测、蓄电池组电压测量和充电等操作。如果发现异常，则会进入大修流程。

2）常规检测

常规检测包括电气恢复、调节电解质液面位置、容量测试。常规检测的一个重要目的是识别并恢复蓄电池的容量。另外，常规检测也对蓄电池进行目视检查、轻度清洁、绝缘检测、单元体电压测量和充电等操作。如果发现异常，则会进入大修流程。

3）大修

大修工作包括蓄电池组分解、完整清洁、组装并完成定期检测的工作，是对蓄电池进行的最完整的维护，确保蓄电池的性能恢复。

2.2 蓄电池在翼维护

在装机使用情况下，蓄电池必须每日进行例行检查，确定蓄电池的电压正常（通常不低于24V），这些工作需要在飞机航前工卡或者过站的工卡内进行。在飞机航后或较长停场期间，为避免蓄电池过度放电，应将驾驶舱的蓄电池开关设置在关断位。在飞机长期停放和封存期间，应遵循飞机维护手册的要求，将蓄电池拆下送至车间维护或者参照手册进行在翼维护。在飞机恢复运行时，须确保蓄电池的容量正常，通常需要更换蓄电池。

飞机正常运营时，为保证蓄电池的容量，蓄电池必须定期从飞机拆下，完成定期常规检测或大修。一般间隔为6 个月或2000 飞行小时拆下一次，拆下的蓄电池送回车间完成检测，如果性能不符合要求，则需要对蓄电池排故或进行大修。

3 常见故障分析

3.1 故障模式

1）蓄电池内部短路

单体蓄电池内部短路主要是内部正负极板之间的隔膜损坏，致使正负极板之间的隔离作用变弱引起的。一般蓄电池过充电或蓄电池在高温下工作，都容易造成隔膜失效。过充电会导致蓄电池内部温度升高，温度上升会导致蓄电池电压下降。如果在飞机上使用稳压充电，就会造成充电电流比预期大，过充电量增加，循环往复，温度升高蓄电池会出现“热失控”，使隔膜损坏，蓄电池内部短路。蓄电池在高温下工作也会导致正负极隔离作用变弱，短路可能性增加。蓄电池短路会导致单体蓄电池的电压为0，蓄电池组的电压和容量降低。

受水和电解质等污染物的影响，单元体电池间以及单元体与蓄电池壳体间也会发生短路情况，导致蓄电池异常放电。

2）单体蓄电池单元的电压过高

随着使用时间的增加，电解液可能发生损耗。在反复充电的过程中，存在电流电解水的副反应，水变成氢气和氧气脱离电解液。如果电解液不充足，会使正负极板部分外露，接受充电的极板面积减少，单体蓄电池的内阻增大。如果充电电流不变，内阻增大会导致电压升高。这种电压升高在充电初期可以通过万用表测量发现。单体蓄电池的电压高会使蓄电池组电压偏高，容易导致蓄电池容量虚高。

3）蓄电池极性倒置

有些蓄电池组使用一段时间后，其中的某个单元体可能出现极性倒置。这是由于蓄电池可等效为电动势和内阻的串联，假如一个蓄电池组中某蓄电池单元功能不佳，放电时会率先放完电。在放电后期，随着蓄电池组继续放电，这个单元体可能被反向充电，出现单元体电池反极性，作业电流在单元体内阻上的电压降大于蓄电池电动势，单元体上压降的增加导致整个蓄电池组的输出电压降低，严重影响蓄电池组的性能。此时，测量单元体蓄电池就会发现极性倒置，如果多个单元体出现极性倒置故障，蓄电池将不具备修理价值。

4）蓄电池容量下降

蓄电池的容量就是在额定的工况下能持续放电的能量。容量较大的蓄电池能在满足工况的情况下持续放电，有较长的工作时间。

一方面，电解质与空气中杂质混合会降低OH-离子和K+离子的浓度，使电解液恶化，形成的碳酸盐等化合物积聚在电解液中，增加了蓄电池内阻，导致蓄电池容量下降。另一方面，使用维护过程中，在单体蓄电池及组合箱表面有污物和电解液残留，有水分蒸发和冷凝，都会导致蓄电池局部或整体自行严重放电，使蓄电池容量下降。

蓄电池的放电工况也会影响蓄电池容量。有可能蓄电池在0.1C 电流放电率时能放出100%容量，但在1C 电流放电率时却可能只放出80%容量。如果蓄电池长时间在大电流放电后充电，往往就充不到100%的容量。长此以往，会构成记忆效应（如仅能充放80%的容量）。

检测容量的方法：将蓄电池充满电，单元体电压应不低于1.55V，在50A 的电流下持续放电1h，在放电0.5h 后测量每个单元体的电压必须超过1V，放电1h 后蓄电池组电压应不低于20V，且任一单元体的水分消耗不超过平均值的30%，也不能超过60mL。如果电压下降过快，如单体蓄电池低压，则确认蓄电池容量下降。如果没有其他缺陷，容量下降是可以恢复的，可以通过恢复电解质、清洁蓄电池内部单元体和箱体表面、彻底放电并恒流充电（电压不固定）来恢复容量。需要注意的是，蓄电池在飞机上安装使用时，由于飞机充电采用的是稳压充电，因此在位充电是无法恢复容量的，必须回到蓄电池车间进行容量恢复的操作。

当飞机长期处于封存状态时，应避免使蓄电池处于孤立状态无外部电路连接，因为这种孤立状态会造成蓄电池容量下降，如图2 所示。应参照飞机维护手册要求，确保蓄电池和外部电路有连接，缓慢放电。如果蓄电池脱开所有连接处于孤立状态，蓄电池自身会缓慢放电，导致容量降低。蓄电池容量变化也与环境温度有关，一般来说，环境温度越高，容量下降越快。

图2 孤立蓄电池容量下降曲线

3.2 某航司505CH2 蓄电池故障案例

本文收集了某航司从2014 年6 月～2020 年5 月间的蓄电池车间修理报告，主要研究了有故障报告的修理案例，忽略无故障报告情况，共整理了39 个故障报告。该航司按照定期维修方案，装机的蓄电池每6 个月会送车间进行一次常规检查，按照这个拆换频率，故障率约为16.3%，即约16.3%的蓄电池在拆下送车间检查时发现了故障。故障模式分别为容量低、蓄电池短路（包括绝缘电阻低等）、组件功能测试不通过（包括电压超标等）、传感器失效、BER 报废（无修理价值，可能由多个单元体同时缺陷造成）等，如图3 所示。

图3 蓄电池故障报告分类

从故障分类情况来看，容量低是最常见的故障。如果没有其他的并发故障，通过恢复电解液水平，进行充分放电和恒电流（可变压）充电后，一般蓄电池容量可以恢复。如果仍然无法恢复，则需要更换蓄电池单元体。

绝缘电阻低（短路）情况也比较常见。由于水汽蒸发和冷凝，蓄电池需要定期检查，保持清洁。蓄电池与壳体之间，电极与电极之间都可能因为污染发生短接。清洁和详细目视检查是防止绝缘电阻低的有效方法。

功能测试异常的情况比较复杂，可能是某项测试指标有偏差，也可能与容量低、绝缘电阻低、电压异常、部件性能衰退等多个因素异常有关，需要结合车间维护手册（CMM）进行检测和排故。车间的常规检查可以发现这些故障，通过定期常规检查能有效恢复蓄电池的性能。

4 维护改进措施

1）蓄电池容量降低是使用过程中经常会出现的故障，与使用的环境、工况有关。容量的降低会影响蓄电池的供电性能，在紧急情况下可能达不到应急系统的供电要求，造成安全隐患。需要严格执行定期拆换蓄电池，送车间完成常规检查。如果频繁出现容量降低故障，需要考虑调整拆换/常规检查的频次以应对蓄电池容量下降问题。

2）应注意使用中的蓄电池清洁问题，尤其是湿热环境下。由于飞行环境与地面环境变化较大，容易形成冷凝水，加上杂质，容易导致蓄电池短路/绝缘电阻低情况，电解液也有挥发冷凝以及溢流的情况，同样会造成蓄电池短路/绝缘电阻低。适当的装机在位检查可以识别出一些污染情况。车间常规检查也应谨慎做好蓄电池内外的清洁。

3）飞机上安装蓄电池的位置有通风管路和排气管路，通风管用于冷却蓄电池环境，排气管直接将蓄电池产生的气体排到机外。应对通风管和排气管进行定期检查，确保蓄电池在良好的环境下工作，不会造成危险气体积聚。

4）常规检查代替定期大修，即视情进行大修，可以减少不必要的蓄电池拆解和大修，降低维护成本。