水文儀器設備電源系統的管理維護

□陶新紅（河南省許昌水文水資源勘測局）

1 引言

近些年來，隨著對水文投入的增加，現代化的水文儀器在水文監測工作中得到了廣泛使用，雨量、水位、墑情等遙測儀器設備陸續得到了應用，走航式ADCP、全站儀、GPS測量儀器、自動墑情監測儀等新儀器不斷引進、推廣和應用。在這些新儀器的應用中，都需要電源系統的支持，其電源系統涉及鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，為保證儀器設備的正常使用，需要結合電池特性認真做好電池的管理維護。

2 電池特性

2.1 鉛酸蓄電池

電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。充電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。根據鉛酸蓄電池結構與用途區別，可分為：啟動類、動力類、固定型閥控類、其它類。鉛酸電池有6、12、24V等系列，常用于遙測設備、走航式ADCP、GPS測量儀器的供電系統等，水文儀器中使用的鉛酸蓄電池多為固定型閥控類，采用太陽能自動充電或市電充電。

2.2 鎳氫電池（Ni-MH）

鎳氫電池是目前最環保的電池，注重環保的國家都大力提倡使用鎳氫電池，因為易于回收再利用，且對環境的破壞也最小。不過鎳氫電池與鋰電池相比，還是有一些缺點。充電時間長、重量較沉、容量也比鋰電小，還有記憶效應。用戶必須用盡后再充電。鎳氫電池的充電次數能夠達到700次以上，某些質量好的產品充放電可達1 200次，比鋰電池長壽而且價格也很大眾化。

2.3 鋰離子電池（Li-ion）

它的陽極采用能吸納鋰離子的碳極，在放電時，鋰原子從石墨晶體內陽極表面電離成鋰離子和電子，脫離電池陽極，到達鋰離子電池陰極。充電時，陰極中的鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽極運動與電子合成鋰原子。

3 電池優缺點

鉛酸蓄電池。優點:免維護蓄電池由于自身結構上安全密閉的優勢，使用時不需補充蒸餾水，維護上比較簡單，且無記憶效應，它還具有耐震、耐高溫、使用壽命長、可回收性好的特點。缺點:比容小，即在同樣的容量下，電池重量和體積都大。

鎳氫電池（Ni-MH）。優點:使用壽命長，易于回收再利用，對環境的破壞最小。缺點：存在記憶效應，性能比鋰電池要差。

鋰離子電池（Li-ion）。優點:鋰離子電池放電平臺平緩，單個電池的電壓高，能量密度高也就是電池比較輕。自放電小，沒有記憶效應，好的電池，每月在2%以下，且可以恢復。工作溫度范圍寬為-20～60℃。循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大，使用壽命長。不含有毒有害物質，被稱為綠色電池。缺點:缺點是價格昂貴，生產工藝比較復雜，要求高。

4 電池維護注意事項

充電時，應確保充電器的電極與電池的電極連接正確，即充電器的陽極與電池的正極相連接，充電器的陰極與電池的負極相連接。現在鋰電池、鎳氫電池的充電器多為專用充電裝置，一般不會發生電極接反的現象。但對于鉛酸電池，因充電接頭多為金屬夾，易發生此類風險，可根據顏色來判斷極性，通常紅色為正（陽）極，黑色為負（陰），顏色相對應就可保證正確的連接。

不同容量、不同性能的蓄電池不能混用。特別是應防止出現短路，否則易發生起火、爆炸的危險。

4.1 鉛酸蓄電池

沒有記憶效應，但由于自放電，電池容量會緩慢減少，因此長期停用的蓄電池應定期充電維護。

避免過放電，放電到終止電壓后，繼續放電稱為過放電，過放電會嚴重損害蓄電池，對蓄電池的電氣性能及循環壽命極為不利。蓄電池放電后應立即再充電，若放電后的蓄電池擱置時間太長，即使再充電也不能恢復其原容量。

過充電會增加蓄電池內水分損失，加速板柵腐蝕，使活性物質軟化，而且會提高蓄電池變形的概率，因此應盡量避免過充電現象的發生。選擇合適的充電器，保證充電電流和電壓等參數與蓄電池的良好匹配。

鉛酸電池適應范圍較廣，但應盡可能通風散熱良好，夏秋高溫季節，使用時要盡可能避免高溫環境。若蓄電池使用或充電時出現過熱現象，要立即停止使用，關閉電源，采取降溫措施，待溫度正常時才能進行使用或充電。蓄電池放電深度較淺，可不充或少充，外界溫度偏高時應減少充電時間，并注意觀察電池溫度。鉛酸電池可在0～35℃的環境下存放，存放地點應清潔、通風、干燥，避免陽光直射。

4.2 鎳氫電池（Ni-MH）

一般情況下，新的鎳氫電池只含有少量的電量，使用前要先進行充電然后再使用。但如果電池出廠時間比較短，電量很足，推薦先使用然后再充電。新買的鎳氫電池一般要經過3-4次的充電和使用，性能才能發揮到最佳狀態。

雖然鎳氫電池的記憶效應小，但仍建議盡量每次使用完后再充電，并且是一次性充滿，不要斷斷續續的充電。周期性地將電放完然后再充滿有利于保持電池的容量與質量。電池充電時，要注意充電器周圍的散熱，為了避免電量流失等問題發生，保持電池兩端的接觸點和電池蓋子的內部干凈，必要時使用柔軟、清潔的干布輕擦。長時間不用的時候，要把電池從電池倉中取出，置于干燥的環境中推薦放入電池盒中，可以避免電池短路。鎳氫電池的自放電效應較明顯，約為每月30%或更多。電池越是充的滿，其自放電速率就越快，當電池電量下降至一定程度，其自放電速率又會稍微下降。電池所處環境溫度對自放電速率也有很大的影響，所以，如果長時間不用，建議充電到“半滿”狀態。如果電池完全放電后再保存，很長時間內不使用，電池的自放電現象就會造成電池的過放電，會損壞電池，嚴重時會造成電池報廢。因此對鎳氫電池應定期放電充電，充電時建議采用慢充方式充電，以延長其使用壽命。盡量不要對鎳氫電池進行過放電，過放電會損壞電池，導致充電失敗，其危害遠遠大于鎳氫電池本身的記憶效應。

4.3 鋰離子電池（Li-ion）

放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害。絕對不能過放電，過放會使電池壽命縮短，嚴重時會導致電池失效。電池不用時，應將電池充滿電。

電池出廠時，已充電到約50%的電容量，新購的電池可直接使用。電池第一次用完后充足電再用，第二次用完后再充足電，這樣連續3次后，電池可達到最佳使用狀態。

對鋰離子電池充電，應使用專用的鋰離子電池充電器。鋰離子電池充電采用“恒流/恒壓”方式，先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電。

對電池充電時，其環境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度范圍。電池應在0～45℃溫度范圍內進行充電，遠離高溫（高于60℃）和低溫（-20℃）環境。

鋰離子電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。在使用中應盡可能防止過充電及過放電。在充電過程中，充滿后應及時斷開充電器。放電深度淺時，循環壽命會明顯提高。因此在使用時，不要等到出現電量不足的信號時才去充電，更不要在出現此信號時繼續使用。充電量是充電電流與充電時間的乘積，在充電電壓為定值的情況下，充電電流越大，則充電速度越快，但充電電流過大，會損害鋰電池，造成電池容量不足，原理是電池的部分電極活性物質在沒有進行充分的電化學反應就停止充電，這種現象會隨著循環次數的增加而加劇。

第一次充電，盡可能在充足電后多充一段時間，使用時則強制用到規定的電壓或直至自動關機，如此能激活電池使用容量。但在鋰離子電池的平常使用中，不需要如此操作，可以隨時根據需要充電，充電時既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作，只需要每隔3～4個月進行連續的1～2次即可。長期不用時，盡可能充滿再放置，并定期檢查電池電量，若電量過低，其過放電會損害電池，嚴重時造成電池報廢。

5 結語

對水文儀器常用的以上三種蓄電池，需要根據電池特性，掌握正確的充電和維護方法，以保證電池的可用性。在使用過程中對鉛酸電池和鋰離子電池可隨時充電，不必等電池電量耗盡再充電，而對鎳氫電池因有記憶效應宜在電量基本耗盡后再充充電，中間不宜停頓。

電池較長時間不用時，因有不同程度的自放電效應，應定期對電池進行充電維護，以保證電池的性能，延長電池使用壽命。