概述

傳統上，北方高寒地區的水情自動(dòng)測報系統到了冬天就必須將設備拆回，然后到了來(lái)年春天再重新安裝，這就給系統造成了相當大的安裝維護工作量。隨著(zhù)人們對水情自動(dòng)測報系統自動(dòng)化程度要求的進(jìn)一步提高，這一問(wèn)題也越來(lái)越引起水情測報人員的關(guān)注。

1  水情自動(dòng)測報系統的低溫特性
影響水情自動(dòng)測報系統低溫工作特性的因素很多。首先，早期的數據采集器或通信設備由于電路設計原因，其工作溫度范圍較窄，無(wú)法適應低溫條件下的工作；其次，水面結冰帶來(lái)的水位測量問(wèn)題也是限制水情自動(dòng)測報系統低溫工作的一大原因；再次，由于水情自動(dòng)測報系統一般安裝在野外無(wú)人職守的環(huán)境，現場(chǎng)沒(méi)有交流供電，因此一般只能采用太陽(yáng)能+蓄電池浮充供電的工作方式。而傳統水情自動(dòng)測報系統使用的均是閥控式密封鉛酸蓄電池。由于低溫條件下，鉛酸蓄電池的電解液有可能結凍而無(wú)法正常工作，其最低工作溫度一般只能到-10℃左右。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，水情自動(dòng)測報系統的電子設備使用的都是工業(yè)級產(chǎn)品，其工作溫度范圍已經(jīng)不成問(wèn)題，例如國網(wǎng)電科院的水情自動(dòng)測報系統設備的核心數據采集器ACS300-MM就能在一40℃的低溫環(huán)境下正常工作。另外，水位測量也有了更多的方式，如超聲波、激光水位計等非接觸式測量方式，均可解決水面結冰帶來(lái)的問(wèn)題。
由于蓄電池無(wú)法適應-10℃以下高寒地區的使用。因此，蓄電池的工作溫度范圍就成為決定水情自動(dòng)測報系統低溫工作范圍的主要因素。
為了克服低溫天氣帶來(lái)的蓄電池使用方面的影響，人們也做了大量的努力，如黑龍江乾豐科技發(fā)展有限公司使用加熱降溫系統來(lái)保證蓄電池所處環(huán)境的溫度范圍保持在-10℃～+50℃，當系統在檢測到氣溫低于-10℃時(shí)，便可啟動(dòng)加熱設備加熱；而在氣溫高于+50℃時(shí)，系統則啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱降溫，從而保證蓄電池能正常工作。然而，這種方式由于需要消耗大量的電能，故在日照不能保證的時(shí)候，系統的正常工作時(shí)間將大大降低。另外，采取雙法拉第筒式密閉埋地安裝方式，一方面能較好地使內部工作溫度保持在-5℃～+40℃的范圍，從而克服低溫天氣帶來(lái)的影響，另一方面還具有較好的防雷能力，因此在水情自動(dòng)測報系統中得到了廣泛的應用，但這種方式只適用于遙測雨量站的安裝，對于帶水位或其它水文量測量的水文站來(lái)說(shuō)，則不太適合。
鑒于以上種種原因，水利系統和電力系統的相關(guān)標準，對水情自動(dòng)測報系統規定的最低工作溫度也儀為-10℃和-25℃。
然而，隨著(zhù)卷繞式鉛酸蓄電池的推廣應用，這一問(wèn)題可以得到較好的解決。

2 卷繞式鉛酸蓄電池
卷繞式鉛酸蓄電池是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。鉛酸蓄電池的工作過(guò)程就是鉛和酸之間的化學(xué)反應過(guò)程，為了提高蓄電池的比容量，人們需要盡可能加大它們之間的接觸面積，為此，人們采用壓延鉛合金的方式制造出了很薄的鉛箔作為極板基片。但這樣一來(lái)，它的機械強度勢必要減小，為了解決這一問(wèn)題，人們將正極板、隔板、負極板交替疊放，并卷繞在一起。從而制成電池單體為圓柱形的卷繞式鉛酸蓄電池，又稱(chēng)螺旋卷式鉛酸蓄電池，或卷式電極鉛酸蓄電池。其外形如圖1所示。

一直以來(lái)，卷繞式鉛酸蓄電池都是西方發(fā)達國家的一張技術(shù)王牌。據報道，美國在上世紀60年代就開(kāi)始研究卷繞式鉛酸蓄電池。西方少數發(fā)達國家也把卷繞式鉛酸蓄電池應用在軍事(裝甲車(chē)、坦克、潛艇等)等特殊領(lǐng)域。在軍事測試中，這種特種電池被子彈擊穿后，仍可快速啟動(dòng)戰車(chē)或其它軍事裝備。經(jīng)過(guò)海灣戰爭的考驗，這種電池組被稱(chēng)之為“美國戰略電池組”。

3 卷繞式鉛酸蓄電池的結構性能
卷繞式鉛酸蓄電池為螺旋型結構，如圖2所示。它采用只有1 mm左右的極板并經(jīng)高壓卷繞而成。由于采用的板柵材料為純鉛或鉛錫合金，故其比較柔軟，利于卷繞，其電解液是固態(tài)酸，電極板和固態(tài)酸一起捆綁并卷起來(lái)做成獨特的螺旋式卷繞。由于其使用的是固態(tài)酸，因而避免了電解液凍結的問(wèn)題，同時(shí)具有卓越的低溫性能，可在-55℃的低溫條件下正常工作

卷繞式鉛酸蓄電池與傳統鉛酸蓄電池的工作原理是一樣的，它只是在制造工藝上有了改進(jìn)，而正是這些改進(jìn)使其具有區別于傳統蓄電池的更優(yōu)異的特性，主要表現在以下幾個(gè)方面：
(1)卓越的高低溫性能
卷繞式鉛酸蓄電池可在-55℃～75℃下工作。由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了螺旋卷繞技術(shù)，其機板與機板之間的間隙極小，且其酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，整個(gè)結構極其緊密。因此，在高溫下，其基本不存在冒氣冒泡現象，而在低溫下，更沒(méi)有液態(tài)酸可冰凍，也不存在電流輸出減少的問(wèn)題。根據美國SAE測試標準，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55℃～75℃范圍內安全快速起動(dòng)和牽引工作，而普通蓄電池的適用溫度范圍一般只在-10℃～40℃。這也是其能解決上述水情自動(dòng)測報系統低溫條件工作的根本原因。

(2)充電非常迅速
卷繞式鉛酸蓄電池在40分鐘內可充入95％以上的電量。由于卷繞式鉛酸蓄電池的內阻極低，因此可將充電電流基本上全部接受，且其本身容量較大，故充電時(shí)沒(méi)有電流限制，其一般快速充電時(shí)間在1小時(shí)左右就能滿(mǎn)載，而普通蓄電池的內阻較高，故其部分充電電流將轉化為熱能散出，且其充電時(shí)間一般至少要6小時(shí)以上。卷繞式鉛酸蓄電池采用高純鉛制作，故其相比普通蓄電池，其副反應小得多，因而電池可以使用小電流充電，即使在陰雨天也可以達到90％以上的充電效率。
(3)超長(cháng)壽命
卷繞式鉛酸蓄電池在設計時(shí)的浮充壽命可達8年以上。由于卷繞式鉛酸蓄電池的活性鉛面積非常大，故其放電后的恢復能力也極強，根據美國SAE標準，在J240測試中，卷繞式鉛酸蓄電池的起動(dòng)次數高達15000次以上。相比于普通蓄電池一般2000-4000次左右的動(dòng)力與起動(dòng)次數來(lái)說(shuō)，卷繞式鉛酸蓄電池更具強勁的優(yōu)勢。
(4)自放電極小
由于卷繞式鉛酸蓄電池的內阻極小，故其本身在閑置不用時(shí)的自放電極小。卷繞式鉛酸蓄電池可放置兩年而不用充電，故從某種意義上真正實(shí)現了免維護。而普通蓄電池至多可放置1-2個(gè)月就必須充電。
由于具有以上優(yōu)異的性能，卷繞式鉛酸蓄電池已被廣泛應用于混合電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具、儀器儀表、風(fēng)力發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域。

4 卷繞式鉛酸蓄電池的研究與發(fā)展
4.1 國外發(fā)展現狀
美國GATES公司在上世紀60年代就開(kāi)始開(kāi)發(fā)卷繞式鉛酸蓄電池，后來(lái)成為瑞典GYLLING集團屬下的一個(gè)子公司(即Optima batteries A B)，此后，卷繞式鉛酸蓄電池的研究和發(fā)展更為迅速，瑞典OPTIMA公司投入市場(chǎng)的傲鐵馬牌電池便是由其開(kāi)發(fā)的。該電池擁有18項專(zhuān)利，采用電池單元螺旋卷繞技術(shù)，板柵為0.3 mm的純鉛，正負極之間用超細玻璃纖維(AGM)隔板隔開(kāi)。極板間距小，內阻僅為2.8 mΩ，其大電流放電性能好。
隨后涌現的卷繞式電池有威爾士產(chǎn)SBS電池、美國B(niǎo)older公司擁有TMF專(zhuān)利技術(shù)的密閉薄層鉛酸蓄電池、西班牙Exide公司開(kāi)發(fā)的高能Orbital密封閥控鉛酸蓄電池等。
4.2  國內發(fā)展現狀
國內對于卷繞式鉛酸蓄電池的研究還處于發(fā)展初級階段，還沒(méi)有大規模批量生產(chǎn)。目前涉足卷繞式鉛酸蓄電池的生產(chǎn)企業(yè)僅有中億科技、江蘇雙登、陜西多倫、深圳寶力晟等4家。
中億科技于2004年開(kāi)始研發(fā)卷繞式鉛酸蓄電池，歷經(jīng)4年時(shí)間，現已成功開(kāi)發(fā)了2V50AH、6V50AH、12V50AH三種型號卷繞式鉛酸蓄電池，目前已經(jīng)實(shí)現小批量生產(chǎn)。
江蘇雙登(倫敦證交所二板市場(chǎng)上市)主要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)各種鉛酸蓄電池和鋰電池。公司卷繞式鉛酸蓄電池項目2003年立項，2006年成功研制出6V2.5Ah以及2V8Ah卷繞式鉛酸蓄電池，2007年產(chǎn)品通過(guò)了UL認證，并已實(shí)現小批量生產(chǎn)。
陜西多倫于2007年6月研制成功“多倫鐵馬”牌大型卷繞式鉛蓄電池產(chǎn)品，據稱(chēng)產(chǎn)品優(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品，并計劃利用該項技術(shù)投資30億元啟動(dòng)動(dòng)力汽車(chē)項目。
寶力晟成立于2004年，專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)2 V、4 V、6 V、12 V系列卷繞式鉛酸蓄電池，AGM鉛酸蓄電池、深循環(huán)太陽(yáng)能蓄電池、高爾夫球車(chē)蓄電池和膠體電池。公司2002年開(kāi)始投入卷繞式電池的研發(fā)，目前已批量自動(dòng)化生產(chǎn)2.5AH-50AH系列卷繞式電池，產(chǎn)品通過(guò)了CE、UL認證。

5  結束語(yǔ)
目前，水情自動(dòng)測報系統使用較多的還是閥控式密封鉛酸蓄電池，受制于鎳氫電池、鋰電池的高額成本，這種情況持續了較長(cháng)時(shí)間，這從根本上限制了水情自動(dòng)測報系統的低溫工作特性。隨著(zhù)國內較低成本的卷繞式鉛酸蓄電池研發(fā)，這一情況得到了大大改觀(guān)，其-55℃～75℃的寬工作溫度范圍使其非常適用于高寒地區的應用，此外，由于工藝上的改進(jìn)，卷繞式鉛酸蓄電池還具有啟動(dòng)功率大、比能大、使用壽命長(cháng)、自放電極小、充電迅速等適用于遙測系統的特性。筆者相信，卷繞式鉛酸蓄電池將在水情自動(dòng)測報系統及其它采用太陽(yáng)能+蓄電池浮充供電的遙測系統中得到廣泛的應用。