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【电池知识】蓄电池知识

2014/12/10 22:10:07      点击:

一.蓄电池的作用


蓄电池是一种可逆直流电源,它是汽车上的两个电源之一,在汽车上与发电机并联,共同向用电设备供电。在发动机正常工作时,用电设备所需的电能主要由发电机供给,蓄电池的作用是:

1) 在发动机起动时,向起动机和点火系统供电。

2) 在发电机不发电或电压较低的情况下向用电设备供电。

3) 当发电机超载时,协助发电机供电。

4) 蓄电池存电不足,而发电机负载又较少时,它可将发电机的电能转变为化学能储存起来(即充电)。

5) 蓄电池相当于一个大容量电容器,在发电机转速和负载发生比较大的变化时,能够保持汽车电器系统电压的相对稳定。同时,还可吸收发电机产生的瞬间过电压,保护汽车电子元件不被损坏,所以,发电机不允许脱开蓄电池运转。

汽车上所使用的蓄电池主要是为了满足起动发动机的需要,所以,通常称为起动型蓄电池。起动型蓄电池在短时间内可提供强大的起动电流(一般为200―600A ,最大可达1000A),根据电解液不同,蓄电池有酸性蓄电池和碱性蓄电池之分。铅酸蓄电池结构简单,起动性能好,价格低廉,所以在汽车上广泛采用。本章主要介绍铅酸电池。


二.铅蓄电池的构造与型号


1) 铅蓄电池的构造

普通铅蓄电池它主要由极板、隔板、壳体、电解液、铅连接条、极柱等部分组成。如图1—1所示。壳体一般分隔为三个或六个单格,每个单格均盛装有电解液,插入正负极板组便成为单体电池。每个单体电池的标称电压为2V,将三个或六个单体电池串联后便成为一只6V或12V蓄电池总成。

(1) 正、负极板

极板分正极板和负极板两种,均由栅架和填充在其上的活性物质构成。蓄电池充、放电过程中,电能和化学能的相互转换就是依靠极板上活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2),呈深棕色。负极板上的活性物质是海绵状纯铅(Pb),呈青灰色。

栅架的作用是容纳活性物质并使极板成形,一般由铅锑合金浇铸而成。铅锑合金中,含锑6%一8.5%,加入锑是为了提高栅架的机械强度并改善浇铸性能。但铅锑合金耐电化学腐蚀性能比纯铅差,锑易引起蓄电池的自放电和栅架的膨胀、溃烂。因此,栅架的生产材料将向低锑(含锑量小于3%)、甚至不含锑的铅钙合金发展。

铅粉是极板活性物质的主要原料。它是用铅块放入球磨机中研磨成粉,在研磨中铅粉与空气接触,氧化成氧化铅。然后加入一定的添加剂和硫酸溶液调和成膏状,涂在栅架上,干燥后放入硫酸溶液中,经较长时间的充电(蓄电池生产中称为“化成”,一般在18h一20 h),使正极板变成棕色的二氧化铅,负极板呈青灰色的海绵状铅。为了防止负极板上活性物质的收缩,增加其多孔性,铅膏里常加入添加剂,如腐植酸、硫酸钡、木素磺酸纳、炭黑等。同时,还在活性物质中加入天然纤维和合成纤维,以防止活性物质的脱落和裂纹。

国产负极板的厚度为1.8mm、正极板为2.2mm。国外大多采用薄型极板,厚度为1.1mm—1.5mm。薄型极板可以提高蓄电池的体积比能量、重量比能量,改善蓄电池的起动性能。

为增大蓄电池的容量,将多片正、负极板分别并联焊接,组成正、负极板组,如图1—1。横板上联有极柱,各片间留有空隙。安装时正负极板相互嵌合,中间插入隔板。由于正极板的机械强度差,所以,在每个单体电池中,负极板的数量总比正极板多一片,这样正极板都处于负极板之间,使其两侧放电均匀,不致造成正极板拱曲变形。

(2) 隔板

为了减小蓄电池的内阻和尺寸,蓄电池内部正负极板应尽可能地靠近,但为了避免彼此接触而短路,正负极板之间要用隔板隔开。隔板材料应具有多孔性和渗透性,且化学性能要稳定,即具有良好的耐酸性和抗氧化性。常用的隔板材料有木质隔板、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维和纸板等。木质隔板价格低,但耐酸性能差。在硫酸和高温作用下易炭化发黑变脆。微孔塑料(聚氯乙烯、酚醛树脂),微孔橡胶隔板耐酸、耐高温性好,因而使用较多。玻璃纤维隔板常和木质、微孔塑料等隔板组合使用。使用时应将玻璃纤维隔板靠近正极板以防止活性物质脱落,提高蓄电池的使用寿命,但由于操作工艺复杂而渐被淘汰。安装时隔板上带沟槽的一面应面向正极板,这是因为正极板在充、放电过程中化学反应激烈,沟槽能使电解液较顺利地上下流通。同时,使正极板上脱落的活性物质顺利地掉入壳底槽中。在新型蓄电池中,还将微孔塑料隔板制成袋状紧包在正极板外部,可进一步防止活性物质脱落,避免极板内部短路并使组装工艺简化。

(3) 壳体

蓄电池的壳体是用来盛放电解液和极板组的,应由耐酸、耐热、耐震、绝缘性好并且有一机械强度的材料制成。早期生产的起动型蓄电池大都采用硬橡胶壳体,近年来随着工程塑料的迅速发展,大都采用聚丙烯塑料壳体。它与硬橡胶壳体相比,具有较好的韧性,壁薄而轻(壁厚仅3.5mm,而胶壳壁厚达l0 mm左右),且制作工艺简单,生产效率高,容易热封合,不会带进任何有害杂质,外形美观、透明,成本低等优点。

壳体为整体式结构,壳体内部由间壁分隔成3个或6个互不相通的单格,底部有突起的肋条以搁置极板组。肋条之间的空间用来积存脱落下来的活性物质,以防止在极板间造成短路,极板装入壳体后,上部用与壳体相同材料制成的电池盖密封。在电池盖上对应于每个单格的顶部部有一个加液孔,用于添加电解液和蒸馏水,也可用于检查电解液液面高度和测量电解液相对密度。加液孔平时旋入加液孔螺塞以防电解液溅出,螺塞上有通气孔可使蓄电池化学反应放出的气体(H2和O 2等)能随时逸出。硬橡胶壳体一般采用单体盖密封,即每个单格电池上装一个盖,盖上有三个孔,两侧圆孔作为极柱孔,中间为加液孔,电池盖和容器顶部用沥青封口剂密封。 聚丙烯塑料壳体电池盖都采用整体式结构,盖上有3个(6V电池)或6个(12V电池)加液孔,两个正负极柱穿出孔,盖和容器的密封采用粘结剂粘合或热熔连接。

(4) 电解液

电解液在电能和化学能的转换过程即充电和放电的电化学反应中起离子间的导电作用并参与化学反应。它由相对密度为1.84纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成而相对密度一般为1.24为—1.30。配制电解液必须使用耐酸的器皿,切记只能将硫酸慢慢的倒入蒸馏水中并不断搅拌。

电解液的纯度是影响蓄电池的性能和使用寿命的重要因素。因此,电解液的配制应严格选用GB 4554-84标准的二级专用硫酸和蒸馏水。工业用硫酸和一般的水中因含有铁,铜等有害杂质会增加自放电和损坏极板,故不能用于蓄电池。

电解液的密度对蓄电池的工作性能影响很大,密度大,在一定程度上可以提高蓄电池的容量,而且电解液不易结冰。但密度过大,由于电解液粘度增加,渗透性变差,蓄电池的容量下降,而且会降低蓄电池的使用寿命。电解液的密度随地区和气候条件而定,表3—1列出了不同地区和气候条件下的电解液密度值。

(5) 单体电池的串接方式

蓄电池一般都由3个或6个单体电池串联而成,额定电压分别为6V或12V。单体电池的串接方式一般有传统外露式、穿壁式和跨越式三种方式,如图1—2所示。

早期的蓄电池大多采用传统外露式铅连接条连接方式,如图l-2a所示。这种连接方式工艺简单,但耗铅量多,连接电阻大,因而起动时电压降大、功率损耗也大,且易造成短路。新型蓄电池则采用先进的穿壁式或跨越式连接方式。穿壁式连接方式如图1—2b,它是在相邻单体电池之间的间壁上打孔供连接条穿过,将两个单体电池的极板组极柱连焊在一起。跨越式连接在相邻单体电池之间的间壁上边留有豁口,连接条通过豁口跨越间壁将两个单体电池的极板组极柱相连接,所有连接条均布置在整体盖的下面。穿壁式和跨越式连接方式与传统外露式铅连接条连接方式相比,有连接距离短、节约材料、电阻小、起动性能好等优点,且连接条损耗减少80%,端电压提高0.15V—0.4V,节约材料50%以上,因而得到广泛的应用。

2) 蓄电池的规格型号

蓄电池的型号按我国机械工业部JB 2599—85《起动型铅蓄电池标准》规定,其产品型号的编制和含义如下:

(1) 串联的单体电池数用阿拉伯数字表示。

(2) 蓄电池类型是根据其主要用途来划分的。如起动用蓄电池代号为“Q”,摩托车用蓄电池代号为“M”。

(3) 蓄电池特征为附加部分,仅在同类用途的产品中具有某种特征而在型号中又必须加以区别时采用。当产品同时具有两种特征时,原则上应按表1—1的顺序序将两个代号并列标志。产品特征代号见表3—2所示。

(4) 额定容量是指20h率额定容量,单位为Ah,用阿拉伯数字表示。

(5) 在产品具有某些特殊性能时,可用相应的代号加在产品型号的末尾。如G表示薄型极板的高起动率电池,S表示采用工程塑料外壳、电池盖及热封工艺的蓄电池。

例如:

a)3一Q一75:由3个单体电池组成,额定电压为6V,额定容量为75Ah的起动用蓄电池。

b) 6一QA—l05G:由6个单体电池组成,额定电压12V,额定容量为105Ah的起动用干荷电高起动率蓄电池。

c) 6一QAW—100:6个单体电池组成,额定电压12V,额定容量为100Ah的起动用干荷电免维护蓄电池。

国产橡胶槽上固定式起动用轮蓄电池的产品规格见表3—3。

三.蓄电池的工作原理及特性


1) 蓄电池的工作原理

蓄电池是由浸渍在电解液中的正极板(二氧化铅PbO2 )和负极板(海绵状纯铅Pb)组成,电解液是硫酸(H2S04)的水溶液。当蓄电池和负载接通放电时,正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成PbSO4 ,电解液中的H 2SO4减少,相对密度下降。

充电时按相反的方向变化,正负极板上的PbSO4分别恢复成原来的PbO2和Pb,电解液中的硫酸增加,相对密度变大。如略去中间的化学反应过程可用下式表示:

PbO2 +Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

(1) 电势的建立

当极板浸入电解液时,在负极板处,金属铅受到两方面的作用,一方面它有溶解于电解液的倾向,因而有少量铅进入溶液,生成Pb2+,在极板上留下两个电子2e,使极板带负电;另一方面,由于正、负电荷的吸引,Pb2+ 有沉附于极板表面的倾向。当两者达到平衡时,溶解便停止,此时极板具有负电位,约为-0.1V 。

正极板处,少量PbO2溶入电解液,与水生成Pb(OH)4 ,再分离成四价铅离子和氢氧根离子。即

PbO2 +2H2O→Pb(OH)4 Pb(OH)4 →Pb4+ + 4OH -

由于Pb4+ 沉附于极板的倾向,大于溶解的倾向,因而沉附在正极板上,使极板呈正电位。当达到平衡时,约为+2.0V。因此,当外电路未接通,反应达到相对平衡状态时,蓄电池的静止电动势约为:

E0 = 2.0 – (- 0.1) = 2.1 V

(2) 铅蓄电池的放电

当蓄电池接上负载后,在电动势的作用下,电流Jf从正极经过负载流往负极(即电子从负极到正极),使正极电位降低,负极电位升高,破坏了原有的平衡。放电时的化学反应过程,如图3—3所示。

在正极板处,Pb4+ 和电子结合,变成二价铅离子Pb2+,Pb2+ 与电解液中的S042-结合生成PbSO4沉附于极板上。即

Pb4+ + 2e → Pb2+ Pb2+ + S042- → PbSO4

在负极板处,Pb2+与电解液中S042-的结合也生成PbSO4沉附在负极板上,而极板上的金属铅继续溶解,生成Pb2+ 和电子。如果电路不中断,上述化学反应将继续进行,使正极板上的PbO2和负极板上的Pb都逐渐转变为PbSO4 ,电解液中的PbSO4 逐渐减少而水增多,故电解液相对密度下降。

理论上,放电过程应进行到极板上的活性物质全部变为硫酸铅为止,而实际上是不可能的,因为电解液不能渗透到活性物质的最内层。使用中,所谓放完电的蓄电池,实际上只有20%—30%的活性物质变成了硫酸铅,因此采用薄型极板,增加多空率,提高极板活性物质的利用率可提高蓄电池的容量,也是蓄电池工业的发展方向。

(3)铅蓄电池的充电

充电时,应将蓄电池接直流电源。当电源电压高于蓄电池电动势时,在直流电源电压作用下,电流从蓄电池正极流入,负极流出(即驱使电子从正极经外电路流入负极)。这时正负极板发生的反应正好与放电过程相反,其化学反应过程如图3—4所示。

I—放电状态 II—溶解电离 III—通入电流 IV—充电状态

在负极板处有少量的PbSO4 进入电解液中,离解为Pb2+ 和S042- 即PbSO4 →Pb2+ + S042-Pb2+ 在电源的作用下获得两个电子变为金属Pb ,沉附在极板上。而S042- 则与电解液中的H+ 结合,生成硫酸。即:

Pb2+ + 2e → Pb S042- + 2 H+ → H2SO4

负极板上总的反应式为:

PbSO4 + 2e + 2 H+ → Pb + H2SO

正极板处,也有少量PbSO4 进入电解液中,离解为Pb2+和S042- ,Pb2+ 在电源作用下失去两个电子变为Pb4+ ,它又和电解液中水理解出来的OH – 结合,生成Pb(OH)4 ,Pb(OH)4 又分解为PbO2 和H2O ,而S042-又与电解液中的H+ 结合生成硫酸。

2 S042- + 4H+ → 2H2SO

其反应式如下: PbSO4 →Pb2+ + S042- Pb2+ - 2e → Pb4+ 4H2O → 4H+ + 4OH – Pb4+ + 4OH – → Pb(OH)4 Pb(OH)4 →PbO2 +2H2O

正极板上的总反应为:

PbSO4 - 2e + 2H2O+ S042-→PbO2 + H2SO

可见,在充电过程中,正负极板上的PbSO4 将逐渐恢复为PbO2和Pb ,电解液中硫酸成分逐渐增多,水逐渐减少。

充电终期,密度将升到最大值,且会引起水的分解,水分解的化学反应式如下:

2H2SO4 →4H+ + 2 S042-

负极上:

4H+ + 4e →2H2 ↑

正极上:

2S042- - 4e + 2H2O →2H2SO + O2↑

总反应为:

2H2SO4 + 2H2O →2H2SO + 2H2 ↑+ O2↑

由上式可见,实际上分解的是水:

2H2O → 2H2 ↑+ O2↑

2) 蓄电池的工作特性

蓄电池的工作特性主要包括蓄电池的电动势、内阻以及充、放电特性。

(1) 静止电动势

静止电动势是指蓄电池在静止状态(不充电也不放电),正负极板之间的电位差(即开路电压),用E0表示。它的大小与电解液的相对密度和温度有关,在相对密度为1.050一1.300的范围内,可由下述经验公式计算其近似值: E0 =0.85 + ρ25 ℃

式中:ρ25 ℃——为25℃的电解液相对密度。

实测所得电解液相对密度应按下式换算成25℃时的相对密度:

ρ25 ℃=ρt + β(t一25)

式中: ρt —— 实际测得的电解液密度;t —— 实际测得的电解液温度;β—— 密度温度系数A=0.00075,即每温升1℃,相对密度将下降0.00075。

汽车用蓄电池的电解液相对密度在充电时增高,放电时下降,一般在1.12一1.30之间波动,因此,蓄电池的静止电动势也相应地变化在1.97V一2.15V之间。

(2) 内电阻

蓄电池的内电阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同的条件下,内电阻越小,输出电流越大,带负载能力越强。蓄电池的内电阻为极板电阻、电解液电阻、隔板电阻、连条和极柱电阻的总和,用只R0表示。

极板电阻一般很小,并且随极板上的活性物质的变化而变化。充电后电阻变小,放电后电阻变大,特别是在放电终了,由于有效活性物质转变为硫酸铅,则电阻大大增加。

隔板电阻因所用的材料而异。木质隔板比微孔橡胶隔板、微孔塑料隔板的电阻大。另外,阁板越薄,电阻越小。相对密度为1.2时(15℃),硫酸的离解度最好,粘度较小,电阻也最小。

连接条电阻与单体电池的连接形式有关。传统外露式铅连接条电阻比内部穿壁式、跨越式连接的电阻要大。

一般来说,起动型铅蓄电池的内电阻是很小的(单体电池的内电阻约为0.0110),在小负荷工作时对蓄电他的电力输出影响很小,但在大电流放电时(如起动发动机时),如内阻过大,则会引起端电压大幅度下降而影响起动性能。 完全充足电的蓄电池在温度为20℃时内阻只。可按下述经验公式计算其近似值

式中:Ue——蓄电池额定电压,V;

C20——蓄电池额定容量,阿Ah。

(3) 充电特性

蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中,蓄电池的端电压Ue和电解液密度ρ等参数随充电时间变化的规律。以一定的充电电流Ic向一只完全放电的蓄电池进行充电,在充电过程中,每隔一定时间测量其单体电他的端电压Uc、电解液密度ρ和温度,便可得到该蓄充电时电源电压必须克服蓄电池的电动势E和蓄电池内阻产生的电压降IcR0,因此,充电过程中蓄电池的端电压总是大于蓄电池的电动势E,即 Uc=E+ IcR0 (1—11)

由于采用恒流充电,单位时间内所生成的硫酸量相等。所以,电解液相对密度严随时间成直线上升,静止电动势E0也由于相对密度的不断上升而增加。

在充电开始后蓄电池的端电压Uc便迅速上升,这是因为充电时活性物质和电解液的作用首先是在极板的孔隙中进行的,生成的硫酸使孔隙内的电解液相对密度迅速增大所致。以后随着生成的硫酸量增多,硫酸将开始不断地向周围扩散,当继续充电至极板孔隙内析出的硫酸量与扩散的硫酸量达到平衡时,蓄电池的端电压就不再迅速上升,而是随着整个容器内电解液相对密度的上升而相应地增高。

当充电接近终了时,蓄电池端电压将达到2.3V一2.4V,这时极板上的活性物质最大限度地转变为二氧化铅(PbO 2)和海绵状铅(Pb),再继续充电,电解液中的水将开始分解而产生氢气和氧气,以气泡的形式剧烈放出,形成所谓的“沸腾”状态。由于氢离子在极板上与电子的结合不是瞬间完成而是缓慢进行的,于是靠近负极板处会积存有较多的正离子“H+”,使溶液和极板之间产生了附加电位差(也称氢过电位,约0.33V),因而使端电压急剧升至2.7V左右。此时应切断电路停止充电,否则,将造成蓄电池的过充电。过充电时,由于剧烈地放出气泡,会在极板内部造成压力,加速活性物质的脱落,使极板过早损坏。所以,应尽量避免长时间的过充电。但在实际充电中,为了保证将蓄电池充足,往往需要2h—3h的过充电才行。

全部充电过程中,极板孔隙内的电解液密度比容器中的电解液相对密度稍大一些。因此,蓄电池的电动势E总是高于静止电动势E0 。充电停止后,由于Ic=0 ,端电压Uc立即下降,极板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋向平衡,因而蓄电他的端电压又降至2.1V左右。

蓄电池充电终了的特征是:

a) 蓄电池内产生大量气泡,呈 “沸腾”状。

b) 端电压和电解液相对密度均上升至最大值,且2h一3h内不再增加。

(4) 放电特性

蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中,蓄电池的端电压Uf和电解液相对密度严等参数随时间而变化的规律。将一只完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行恒流放电,在放电过程中,每隔一定时间测量其单体电池的端电压Uf和电解液相对密度ρ,便可得到该蓄电池的放电特性曲线。图1—7所示为一只6一Q—l05型蓄电池的放电特性曲线。由于放电过程中电流是恒定的,单位时间内所消耗的硫酸量相同,所以,电解液的相对密度沿直线下降。相对密度每下降0.03一0.038,则蓄电池约放电25%。

放电过程中,由于蓄电池内阻R。上有压降,所以,蓄电池的端电压认总是小于其电动势E,即

Uf = E - If R0

式中:Uf——放电时蓄电池的端电压;E——放电时蓄电池的电动势;If——放电电流;R。——蓄电池的内阻。

随着放电程度的增加,电解液相对密度不断下降,电动势E也下降,同时内阻R0增加,故端电压Vf将逐渐下降。放电时由于孔隙内的电解密度小于外部电解液密度,因此放电时的电动势E总是小于静止电动势E0 。

放电开始时,其端电压从2 .1V迅速下降,这是由于极板孔隙中的硫酸迅速消耗,密度降低的缘故。这时容器中的电解液便向极板孔隙内渗透,当渗入的新电解液完全补偿了因放电时化学反应而消耗的硫酸量时,端电压将随整个容器内电解液相对密度的降低而缓慢地下降,到1.95V。接着电压又迅速下降至1.75V,此时应停止放电,如继续放电,电压将急剧下降。这是由于放电接近终了时,化学反应深入到极板的内层,而放电时生成的硫酸铅较原来活性物质的体积为大(是海绵状铅的2.68倍、是二氧化铅的1.86倍),硫酸铅聚积在极板孔隙内,缩小了孔隙的截面积,使电解液的渗入困难,因而极板孔隙内消耗掉的硫酸难以得到补充,孔隙内的电解液相对密度便迅速下降,端电压也随之急剧下降。

当端电压降至一定值时(20 h放电率降至1.75V)再继续放电即为过度放电。过度放电对蓄电池是有害的,因为孔隙中生成的粗结晶硫酸铅,充电时不易还原,而使极板硫化,容量下降。

停止放电后,由于极板孔隙中的电解液和容器中的电解液相互渗透,趋于平衡,蓄电池的端电压将有所回升。

蓄电池放电终了的特征是:

a) 电解液相对密度下降到最小许可值(约1.1)。

b) 单体电池的端电压降至放电终止电压(以20 h放电率放电,单格电压降至1.75V;10h放电率放电,单格电压降至1.7V)。

容许的放电终止电压与放电电流强度有关,放电电流越大;则放完电的时间越短,而允许的放电终止电压越低。


四. 蓄电池容量及其影响因素


1) 蓄电池容量

蓄电池的容量是指在规定的放电条件下,完全充足电的蓄电池所能放出的电量,用“C”表示。蓄电池的容量是标志蓄电池对外放电能力、衡量蓄电池质量的优劣以及选用蓄电池的最重要指标。

蓄电池的容量采用Ah(安时)来计量。即容量等于放电电流与持续放电时间的乘积,用下式表示:

C = Iftf

式中:C一—蓄电池容量,Ah;If——放电电流,A;tf——放电持续时间

蓄电池的容量与放电电流、放电持续时间及电解液温度有关。因此,蓄电池出厂时规定的额定容量是在一定的放电电流、一定的终止电压和一定的电解液温度下取得的。我国国家标准GB 5008.1—9l《起动用铅酸蓄电池技术要求和试验方法》规定以20 h放电率额定容量作为起动型蓄电池的额定容量。

(1) 额定容量

额定容量是指完全充电的蓄电池,在电解液温度为25±5 ℃,相对密度为1.28±0.01g/cm3时,以20 h放电率的放电流连续放电到12V蓄电池端电压降到10.50 V ±O.05V;6V蓄电池端电压降到5.25V ±0.02V时所输出的电量,用C20表示,单位是Ah。

例如,6一Q一105型蓄电池,在电解液平均温度为25℃时,以5.25A的电流连续放电20h后,端电压降至10.50V,其20 h率额定容量则为:C20=5.25×20=105Ah。h后,端电压降至10.50V,其20 h率额定容量则为:C20=5.25×20=105Ah。

(2) 储备容量

国际蓄电池协会和美国汽车工程师协会(SAE)规定了另外一种蓄电池容量表示法,即储备容量表示法,我国GB 5008.1—91标准也对储备容量的定义和试验方法做了有关规定。

蓄电池的额定储备容量是指完全充足电的蓄电池,在电解液温度为25℃土2℃时,以25A电流放电至l2V蓄电池端电压达10.50 V± 0.05V;6V蓄电池端电压达5.25V±0.02V时,放电所持续的时间,用Cr.n表示,单位为min(分钟)。它说明当汽车充电系统失效时,汽车尚能持续提供25A电流的能力。

例如,北京切诺基BJ/XJ213型越野车原装蓄电池58—390型或58—475型,其储备容量分别为75min和82min。

2)影响蓄电池容量的主要因素

蓄电池的容量与很多因素有关,归纳起来可分为两类:一类是与生产工艺及产品结构有关的因素,如活性物质的数量、极板的厚薄、活性物质的孔率等;另一类是使用条件,如放电电流、电解液温度和电解液相对密度等。

(1) 产品结构因素

A. 极板上活性物质的数量

要得到1Ah的电量,负极板上要有3.866g铅,正极板上要有4.463g二氧化铅,电解液中要有3.66g硫酸。从理论上讲,活性物质越多,则容量应越大。实际上,正负极板上只有大约55%一60%的活性物质参加反应,当活性物质的数量确定后,其它因素对容量的影响就是对活性物质的利用率的影响了。 极板面积越大,片数越多,则同时和硫酸起化学反应的活性物质就越多,容量就越大。国产蓄电池极板面积已统一,每对极板面的容量为7.5Ah。所以,极板数量与容量的关系可用下式进行计算:

C20 =7.5(N-1)

式中:C20——额定容量,Ah;N——正负极板的总片数

B.极板的厚度

极板越厚,电解液向极板深处的扩散越困难,活性物质越不易参与反应。因此,减小极板厚度可以提高活性物质的利用率。例如,采用厚度为1.7mm的薄型极板,则蓄电池在相同体积的情况下,容量可提高40%左右。

C.活性物质的孔率

孔率即活性物质的孔隙多少,孔率越大,硫酸溶液扩散渗透越容易,则容量可相应提高。但如果孔率过大,则单位面积活性物质的数量要减少,容量却反而会下降。

D.活性物质的真实表面积

活性物质的真实表面积包括活性物质与电解液直接接触的表面积和细孔内的表面积。极板的真实表面积要比极板的几何尺寸计算面积大的多(几百倍),真实表面积大,容量可相应提高。

E.极板中心距

极板中心距小,可以减小蓄电池的内电阻,所以,在保证有足够的硫酸量的前提下,缩小极板中心距可以提高蓄电池的容量。

3) 使用条件对蓄电池容量的影响

(1) 放电电流的影响

根据实验,放电电流越大,则电压下降越快,至终止电压的时间越短,因而容量越小。因为大电流放电时,极板表面活性物质的孔隙会很快被生成的硫酸铅所堵塞,使极板内层的活性物质不能参加化学反应,因此,放电电流增大,蓄电池的容量减小。

(2) 电解液温度的影响

温度降低则容量减小,这是由于温度降低时,电解液的粘度增加,渗入极板内部困难;同时电解液电阻也增大,使蓄电池内阻增加,电动势消耗在内阻上的压降增大,蓄电池端电压降低,容量因此减小。

根据GB 5008.1—91标准,蓄电池额定容量是指电解液温度为25℃时的20h率容量。温度每下降1℃,缓慢放电时的容量约减少1%,迅速放电时约减少2%。不同温度下的容量可用下式换算为25‘C时的容量。

C25c=Ct[1—0.0l(t一25)]

式中:C25c——换算为25C时容量,Ah;Ctc——电解液平均温度为tC时的实际容量.Ah; t——放电终止时中间单体电池电解液的温度, C; 0.01——温度系数。

由于温度对蓄电池放电时的端电压和容量有较大影响,因此,在寒冷地区应特别注意蓄电池的保温。

(3) 电解液密度的影响

适当增加电解液的相对密度,可以提高电解液的渗透速度和蓄电他的电动势,并减小内阻,使蓄电池的容量增大。但相对密度超过某一数值时,由于电解液粘度增大使渗透速度减低,内阻和极板硫化增加,又会使蓄电池的容量减小。


五.蓄电池的使用与维护


实践证明,蓄电池的电气性能和使用寿命不仅取决于其本身的产品结构和质量,而且在大程度上更决定于对蓄电池的使用情况和使用过程中是否对其认真、细致的维护。因此,必须正确使用和做好使用中的维护工作,才能保证蓄电池特性的正常发挥并延长其使用寿命。

1) 蓄电池的维护

为了使蓄电池经常处于完好状态,延长其使用寿命,对使用中的蓄电池需进行下列维护工作:

(1) 观察蓄电池外壳表面有无电解液漏出;

(2) 检查蓄电池在车上安装是否牢靠,导线接头与电桩的连接是否紧固;

(3) 经常清除蓄电池盖上的灰尘泥土,擦去电池顶上的电液,透通加液孔盖上的气孔,清除包桩和导线接头上的氧化物;

(4) 定期检查和调整电解液的相对密度及液面高度;

(5) 经常检查蓄电池放电程度,超过规定时立即充电。

2) 蓄电池使用中技术状况的检查

为了及时发现蓄电池使用中的各种内在故障,汽车每行驶1000 km,或冬季行驶10天至15天,夏天行驶5天至6天,需对蓄电池进行下列检查:

(1) 电解液液面高度的检查

液面高度可用玻璃管测量,如图3-6所示。电解液液面应高出极板l0 mm一15mm,电解液不足时应加注蒸馏水。注意:除非确知液面降低是由于电解液溅出所致,否则一般不允许加入硫酸溶液。

电解液的相对密度用吸式密度计测定,,先吸入电解液,使密度计浮子浮起,电解液液面所在的刻度即为相对密度值。注意在测量密度时,应同时测量电解液温度,并将测得的电解液相对密度值转换到25℃进行修正,也可按式(1—9)换算为25℃时的相对密度值。

根据实际经验,相对密度每减小0.01;相当于蓄电池放电6%,所以从测得的电解液相对密度就可以粗略估算出蓄电池的放电程度。需要注意的是,在强电流放电和加注蒸馏水后,由于电解液混合不匀,不应立即测量电解液相对密度。

(2) 用高率放电计测量放电电压

高率放电计是模拟接入起动机负荷,测量蓄电池在大电流(接近起动机起动电流)放电时的端电压。如图3-7所示,用以判断蓄电池的放电程度和起动能力。

高率放电计由一个3V电压表和一个定值负载电阻组成。测量时应将两叉尖紧压在单体电池的正、负极柱上,历时5s左右,观察大负荷放电情况下蓄电池所能保持的端电压。不同厂牌的放电计,负荷电阻值不同,放电电流和电压表读数也就不同。使用时应参照原厂说明书规定。

一般技术状况良好的蓄电池,用高率放电计测量时,单体蓄电池电压应在1.5V以上,并在5s内保持稳定;如果5s内电压迅速下降,或某一单体电池的电压比其它单体电池低0.1V以上时,表示该单体电池有故障,应进行修理。

(3) 用镉电极判断蓄电池正负极板的状况

用镉电极作为辅助电极测量在充、放电过程中正负极板组的电位,从其电位的变化,可以判断极板组的质量状况,从而进一步分析容量减少和故障发生的原因。

镉电极由纯镉制成,上端接一铜接线柱,下端装在硬橡胶套内以防测量时与电池的正负极相碰,但电解液能自由地接触镉电极。

测量镉电极所使用的电压表必须是高电阻的(大于l 000Ω/V),这样可以避免因极化作用而产生较大的误差,一般可采用数字式电压表或数字万用表即可。电压表刻度为-3V—0一3V或O一3V。

测量中,测蓄电池正极时镉电极为负,测负极时镉电极为正。连接好后,将镉电极由加液孔伸入蓄电池内的电解液中,便可读出镉电极与正负极板组之间的电位差。

正常蓄电池在充电状态下,正极锦电压为2.4V,负极镐电压为-0.25V,其代数差为2.65V;放电状态时,正极锦电压为2.0V,负极镐电压为-0.20V,其代数和为1.80 V。如一只蓄电池放电到末期,正极镉电压小于1.96V,可判定为正极不良,放电末期负极大于-0.20 V时,可判定为负极不良。

3) 电解波相对密度的选择和配制

(1) 电解液相对密度的选择

电解液的相对密度对蓄电池的工作有很大的影响,相对密度增大,电解液冰点降低,冰冻的危险减小,并可提高蓄电池的容量。但相对密度过大时,由于电解液粘度增大,渗透困难,蓄电池容量反而降低,并且相对密度过大又会使木隔板加速炭化,极板也易于硫化,从而使蓄电池寿命大为缩短。因此,应根据不同的使用条件,选择不同的电解液相对密度。寒冷地区应使用相对密度较高的电解液,同一地区使用中的蓄电池,冬季的电解液相对密度应较夏季高0.02~0.04。新蓄电池一般应控制造厂规定,加注相对密度为1.25—1.285的电解液。

(2) 电解液的配制

配制电解液时应用符合GB 4554—84《蓄电池用硫酸》标准规定的浓硫酸和ZBK 84004-89标准的规定用水,按一定的体积或重量比配制。由于电解液相对密度随温度变化而变化,故应换算成25℃标准温度时的相对密度。

配制电解液的注意事项:

A. 配制电解液应用耐酸的玻璃、陶瓷、硬橡胶或铅质的容器。

B. 配制时须先将水放入容器,然后将硫酸徐徐加入水中,并不断地用玻璃棒或塑料棒搅拌。绝对禁止将蒸馏水倒入浓硫酸中,以免发生爆溅,伤害人体和设备。

C. 配制电解液时,操作人员必须配戴防护眼镜、橡皮手套、塑料围裙、高筒胶鞋,以防烧伤。

配制电解液时因硫酸稀释发热,使电解液温度升高,因此配制好的电解液需待冷却至35℃以下,才能注入蓄电池内。

4) 冬季使用特点

冬季使用蓄电池,应特别注意经常保持蓄电池处于充足状态,以防电解液相对密度降低而结冰,甚至容器破裂,极板弯曲和活性物质脱落等故障。

在冬季应按规定加入相对密度为1.4的电解液进行调整。进入夏季前应吸出少许电解液加入蒸馏水进行调整。

注意冬季加水时,只能在发动机运转,发电机向蓄电池充电时进行。这样可使水较快地和电解液混合,减少电解液结冰的危险性。由于冬季电池容量降低,因此冷发动机起动时应进行预热,每次接通起动机的时间不得超过3s一5s,再次起动时,应在休息5s一6s以后进行。


六.蓄电池的充电


1)蓄电池的充电

根据充电目的的不同,蓄电池的充电作业可分为初充电、补充充电、去硫充电等。

(1) 初充电

新蓄电池或修复后的蓄电池在使用之前的首次充电称为初充电,其目的在于恢复蓄电池在存放期间,极板上部分活性物质缓慢硫化和自放电而失去的电量。故初充电恰当与否,对蓄电池的使用性能极为重要。初充电的特点是充电电流小、充电时间长,电化学反应充分。

初充电的程序如下:

首先按蓄电池制造厂的规定,加注一定相对密度的电解液(一般为1.25一1.285)。电解液加入蓄电池之前温度不得超过30℃,注入电解液后应静置3h一6h,待温度低于35℃才能充电。此时若液面因电液渗入极板而低落,应补充到高出极板上缘10—15mm。然后将蓄电池的正极与充电机的正极相接,蓄电池的负极接充电机的负极。因为新蓄电池在储存中可能有一部分硫化,充电时易于过热,所以初充电一般应选用较小的电流。充电过程通常分两个阶段:第一阶段的充电电流约为额定容量的1/l 5,充电至电解液中放出气泡,单体电池端电压达2.4V为止。第二阶段将充电电流减半,继续充电到电解液剧烈放出气泡(沸腾),相对密度和电压连续3h稳定不变为止。全部充电时间约为60h一70h。

充电过程中应经常测量电解液温度。若温度上升到40℃,应将电流减半;如继续上升到45℃,应立即停止充电,并采用人工冷却,待冷至35℃以下时再充。充电过程中如减少充电电流则应适当延长充电时间。

初充电临近完毕时,应测量电解液的相对密度,如不合规定,应用蒸馏水或相对密度为1.40的电解液进行调整。调整后,应再充电2h,如相对密度仍不符合规定,应再调整并充电2h,直至符合规定为止,然后将加液孔塞拧上,把电池表面擦干净,即可使用。

对部分更换极板的蓄电池,修复后初充电时,应灌入较规定相对密度低0.03~0.06的电解液,并按表1—12规定的初充电电流值的50%一80%进行充电。

对于新蓄电他的初充电作业,应进行一至三次充、放电循环,目的是检查它的容量是否达到额定容量,并促使极板上未转化的物质转变为活性物质,以提高蓄电池的容量功能。方法是新蓄电池初充电后,用20 h率电流放电至单体电池电压降为1.75V,测量蓄电池容量是否达到额定容量,如容量低于额定容量的90%,应再进行一次充放电循环直到容量达到额定容量的90%以上为止。

(2) 补充充电

蓄电池在车辆上使用时,常有充电不足的现象,尤其是短途运输车辆,应根据需要进行补充。一般每月一次,如有下列现象发生,必须随时进行补充充电。

A. 电解液相对密度下降到1.15以下时;

B. 冬季放电超过25% ,夏季放电超过50% 。

C. 灯光暗淡、起动机运转无力,表明电力不足时。

另外,蓄电池放置时间超过一个月时,也应进行补充充电;在大量补充蒸馏水后也应进行补充充电。补充充电的规范见表1—12。

(3) 循环锻炼充电

蓄电池在使用中常处于部分放电的情况,参加化学反应的活性物质有限,为迫使相当于额定容量的活性物质都能参加工作,以避免活性物质长期不工作而收缩,可每隔3个月进行一次循环锻炼充电。即在电池正常充足后,用20 h放电率放完电,再正常充电后送出使用。

(4) 去硫充电

当极板硫化较严重时,可进行“去硫充电”。方法是先倒出电池内的电解液,用蒸馏水反复冲洗数次,然后灌入蒸馏水至高出极板10—15mm,用初充电电流进行充电,并随时测量相对密度。如相对密度升到1.15以上时,可用蒸馏水冲淡,继续充至相对密度不再上升后进行放电。如此反复多次,或充6h,中间停2h,反复进行至6h相对密度不变为止,最后参照初充电方法充电并调整相对密度至规定值,用20 h放电率放电检查容量,如容量达到额定容量的80%时,说明硫化已基本消除,即可使用。

(5) 均衡充电

蓄电池在使用过程中,由于制造、使用等因素,会出现各单体电池的端电压、电解液密度、容量等的差异,采用均衡充电的方法可消除这种差异。具体方法是:先用正常的充电方法进行充电,待蓄电池端电压稳定后,停充1h,改用20h率电流值进行充电,充2h停1h,反复三次,直至蓄电池各单体一开始充电立即剧烈地产生气泡为止,最后调整各单体电池的电解液密度即可。

(6) 充电方法

蓄电池充电,必须根据不同情况选择适当的方法,并且正确地使用充电设备。这样才能提高工作效率,并延长蓄电池和充电设备的使用期限。

通常蓄电他的充电方法有定流充电和定压充电两种,近年来快速充电(脉冲充电)也逐步推广。

① 定流充电

在充电过程中,充电电流保持一定的充电方法,称为定流充电。

由于充电电流Ic=U-E/R0上,所以随着蓄电池电动势E的升高,要保持充电电流Ic一定,必须逐步提高充电电压U。当每单体电池的端电压升高到2.4V时气体开始形成,应将充电电流减少一半,直到蓄电池完全充足。R0是蓄电池的内阻。采用定流充电时,被充电的蓄电池不论是6V或12V都可串联在一起,如图1—17a所示。充电时,每个单体需要2.7V,故串联的单体电池总数不应超过n=Uc/2.7(Uc为充电机的额定电压),则串联6V蓄电池的数目n为n=Uc/3×2.7所串联的蓄电池最好容量相同,否则充电电流的大小必须按照容量最小的蓄电池来选定,而容量大的蓄电池则充电太慢。

定流充电有较大的适应性,可以任意选择和调整充电电流,因此可对各种不同情况的蓄电池充电。如新蓄电池的初充电,普通充电,以及去硫充电均可采用这种方法。但它的缺点是充电时间长,并且需要经常调节充电电流。

② 定压充电

充电过程中,电源电压U始终保持不变的充电方法称为定压充电。由于IC=U-E/R0,因此在定压充电开始时,充电电流很大。此后随着蓄电池电动势互的增大,充电电流逐渐减小,至充电终了时,Ic将自动降低到零(图l—14b),这样可不必由人照管。另外,定压充电时,充电电流很大,开始充电后4h一5h内蓄电池就可获得本身容量的90%一95%,因而可大大缩短充电时间。由于定压充电,充电时间短,不需照管且经济性高,所以较适合于蓄电池的补充充电,因而被汽车维修厂家广泛采用。但定压充电时,不能调整充电电流的大小,所以不能用于蓄电池的初充电,也不能用来消除硫化。并且要求所有充电的蓄电池电压必须相同才行。

采用定压充电时,要选择好充电电压,若电压过高,不但充电初期充电电流过大,且会发生过充电现象,以致引起极板弯曲、活性物质大量脱落,蓄电池温升过高的现象;若充电电压过低,则会使蓄电池不能充电。一般每单体电池约需2.5V,即6V的蓄电池充电,充电电源的电压应为7.5V;对12V蓄电池充电,电源电压应为15V。且被充电的蓄电池,必须并联在充电电源之间。在汽车上由于蓄电池是和发电机并联的,所以蓄电池始终是在发电机的恒定电压(通过调节器调整)下进行充电的。

③ 脉冲快速充电

上述的充电方法统称为“常规充电”,要完成一次初充电需60 h一70 h,补充充电也要20 h左右。由于充电的时间太长,给使用带来很大不便。但是,单纯加大充电电流来缩短充电时间是行不通的,因为这样不仅使充电时蓄电池达不到额定容量,反而会使蓄电池温升快,产生大量气泡,造成活性物质脱落而影响其使用寿命。50年代初国外已开始研究快速充电技术,探寻其理论基础。近年来我国快速充电技术也发展很快,已研制成功并生产了可控硅快速充电机。新蓄电池初充电一般不超过5h,旧蓄电池补充充电只需0.5h一1.5h,大大缩短了充电时间,提高了效率。

在充电后期的化学反府过程中,蓄电池两极板间电位差会高于两极活性物质的平衡电极电位(每单格为2.1v),这种现象称之为极化。

极化阻碍了蓄电池充电过程化学反而的正常进行,是造成充电效率低.充电时间长的主要因素。只有找出产生极化的原因并加以消除,才能提高充电效率,实现快速无电。

根据化学机理分析,产生极化现象的原因可分为以下三种:

A. 欧姆极化

欧姆极化是在充电过程中,由于蓄电池内阻上的电压降,引起端电压升高而产生的,充电停止后会自动消失。

B. 浓差极化

在充电过程小,由于在极板孔隙中形成硫酸,致使极板附近电解液的相对密度较其它地方稍高而形成浓度差,由此引起极板电位“升高”而严生浓差极化。充电停止后,由于扩散的结果,浓差极化会逐渐消失。

C. 电化学极化

在充电的终期,由于水的电解,H+集聚后使负极板与电解液之间产生附加电位,由此引起负极板电位下降而产生电化学极化。充电终了的充电电流越大,电化学极化就越显著,最大可达到0.33V。

脉冲快速充电,可极大地克服充电过程中所产生的极化现象,有效地提高充电效率。脉冲快速充电首先利用充电初期极化现象不明显、蓄电池可以接受大电流的特点,初期采用0.8-1.0C20的大电流对蓄电池进行定流充电.使蓄电池在短时间内达到60%左右的容量;当单格电池电压达2.4v,电解液开始冒气泡时,控制电路使充电转入脉冲充电阶段:先停止充电25ms左右,使欧姆极化消失,浓差极化也由于扩散作用而部分消失;接着再反向脉冲充电,反向充电的脉宽一般为150一1000μs,脉幅为1.5—3倍的充电电流,以消除电化学极化所产生的电荷积累,并进一步消除浓差极化;接着再停止充电25ms后再利用正脉冲进行充电,周而复始,直到充满为止。 脉冲快速充电的优点是:

a) 充电时间大为缩短,一般初充电不多于5h,补充充电不多于1h。

b) 可以增加蓄电池的容量。由于脉冲快速充电能够消除极化。因此,充电时化学反应充分,加深了反应深度,使蓄电池容量有所增加,故新蓄电池初充电后不必放电即可使用,这样不仅节约了电能,又给使用带来了方便。

c) 具有显著的去硫化作用。由于脉冲快速充电具有上述优点,因此在电池集中、充电频繁或应急使用部门,其优点更为突出。但脉冲充电机控制电路复杂,价格高于普通充电机,使用中还不够理想,有待进一步改进。

④ 充电时蓄电池正负极性的识别

充电时应将蓄电池的正负极对应的和充电机的正负极相连。因此,需要正确判断蓄电池的极性。

蓄电池的极柱上一般都标有“十”、“一”记号;或正极柱上涂红色。如果标记模糊不清,可用下述方法进行识别:

A. 观察极柱的颜色,使用过的蓄电池正极柱呈深棕色,负极柱呈淡灰色。

B. 用直流电压表接蓄电池的两极,按照指针偏摆方向判断其正负极。

C. 利用电解液进行识别,将蓄电池的两极接上导线,分别插入电解液中(不要使两导线相碰)导线周围产生气泡多的为负极。