汽车电器设备与维修第2章_蓄电池-电气设备-国防科技大学.

1第2章蓄电池目录2.1蓄电池概述2.2蓄电池的工作原理和工作特性2.3蓄电池技术状况的检查2.4蓄电池的充电操作2.5蓄电池的使用和维护2.6蓄电池常见故障诊断与排除图2-1汽车电源与其他设备连接电路2.1蓄电池概述2.1.1蓄电池的作用车用蓄电池是提供和储存电能的装置。它能产生直流电，与发电机并联，共同为汽车电器设备供电。发动机及蓄电池统称为汽车电源，其与其他设备连接电路如图2-1所示。在起动发动机时，它向起动机提供强大的起动电流，同时给点火系统、电子燃油喷射系统、仪表系统等电器设备供电。1当发电机电压较低或不发电时，如发动机停止运转或低怠速运转的时候，由蓄电池向汽车电器设备供电。2当发电机过载时，由蓄电池协同发电机向电器设备供电。3当发电机的端电压高于蓄电池的电动势时，它会将一部分电能转化为化学能储存起来，即充电。4蓄电池具有以下作用：2.1.2蓄电池的结构蓄电池主要由极板、外壳、接线柱及电解液（图中未画出）等组成，如图2-2所示。额定电压为12V的蓄电池由6个单格电池串联组成，每个单格电池的电压约为2V。图2-2蓄电池结构1—外壳；2—塑料电池盖；3—正接线柱；4—负接线柱；5—加液孔；6—负极板；7—隔板；8—正极板极板、隔板、电解液、外壳、联条极板—由栅架和活性物质组成。正极板：二氧化铅（PbO2),棕红色负极板：海绵状纯铅（Pb）,深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。注意：负极板比正极板多一块。1.极板为了增大蓄电池的容量，将多片正、负极板分别并联，组成正、负极板组，装在单体内。2.隔板隔板安装在正、负极板之间，其作用是使正、负极板尽量靠近而又不至于接触引起短路，以缩小蓄电池的体积。隔板多采用木材、微孔塑料、橡胶、纸质及玻璃纤维等材料制成。隔板应具有良好的绝缘性能，此外隔板材料应具有多孔性，以便于电解液渗透，减小蓄电池内阻，还要具有耐酸及抗氧化性能强等特点，以适应其工作条件。通常情况下，隔板厚度小于1mm，长和宽比极板略大，通常一面带有沟槽（或玻璃纤维），安装时应将带沟槽面朝向正极板，并使沟槽竖直放置。3.电解液电解液的作用是使极板活性物质与其反应，完成蓄电池的充、放电过程。电解液由蒸馏水（H2O）和密度为1.83~1.84g/cm3的化学纯硫酸（H2SO4）按一定体积或质量比配制而成。电解液的密度视厂家要求与使用地区最低气温而定，一般为1.24~1.30g／cm3，电解液液面一般高于极板10~15mm。寒冷的地区和季节应采用较大密度的电解液。4.外壳如图2-5所示，外壳由间壁将其分为3个或6个互相分离的小格子，每个单格一般都有一个加液孔，用于加注电解液或检测电解液密度。在加液孔盖上设有通气孔，以便排出化学反应所放出的气体，防止外壳膨胀或发生事故。底部有凸起的筋条支撑极板组，凸筋之间的空间用来容纳极板脱落的活性物质，以防极板短路。图2-5外壳5.接线柱蓄电池正、负两极板组的横板上焊有接线柱，接线柱有侧置式、圆柱式及L形等类型，如图2-6所示。为了便于区分，在正接线柱上或旁边标有“＋”或“P”记号，负接线柱上或旁边标有“－”或“N”记号，也可在正接线柱上涂红色油漆加以区分。图2-6蓄电池接线柱外形2.1.3蓄电池型号及种类1.蓄电池型号按机械工业部JB/T2599—1993《铅酸蓄电池产品型号编制方法》标准规定，铅酸蓄电池的型号由三大部分组成，各部分之间用破折号分隔，其内容及排列见教材表2-2。2.蓄电池的种类汽车用铅酸蓄电池分为普通蓄电池、干荷电蓄电池和免维护蓄电池等类型。图2-7免维护蓄电池的结构1—正接线柱；2—负接线柱保护壳；3—壳体；4—正极板；5—负极板2.2蓄电池的工作原理和工作特性2.2.1蓄电池的工作原理1.蓄电池电动势的建立极板浸入电解液后，由于少量的活性物质溶解于电解液，产生了电极电位，并且由于正、负极板的电极电位不同而形成了蓄电池的电动势，如图2-8所示。图2-8电动势的建立2.蓄电池的充电过程铅酸蓄电池充电时，应外接一直流电源（充电机或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质状态，并把外界的电能转化为化学能储存起来，如图2-9所示。图2-9充电过程充电时化学反应为：正极板：PbSO4→Pb2++SO42-4H2O→4H++4OH-Pb2+-2e→Pb4+Pb4++4OH-→Pb（OH）4Pb（OH）4→PbO2+4H2OSO42-+2H+→H2SO4负极板：PbSO4→Pb2++SO42-Pb2++2e→PbSO42-+2H+→H2SO4充、放电时化学反应总方程式为：2PbSO4＋2H2O→PbO2＋Pb＋2H2SO43.蓄电池的放电过程铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流。同时在蓄电池内部进行化学反应，如图2-10所示。图2-10放电过程正极板：Pb4++2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4附在正极板上负极板：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO附在负极板上放电时化学反应总方程式为：PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O电解液中：H++OH-→H2OSO4→减少电解液硫酸浓度降低2.2.2蓄电池的工作特性1.蓄电池工作参数1）静止电动势蓄电池处于静止状态时（不充电也不放电），正、负极板之间的电位差（即开路电压）称为静止电动势，通常用ES表示。其值取决于电解液的密度和温度。电解液密度为1.05~1.30g/cm3时，ES=0.85+ρ25℃。2）内阻电流流过蓄电池时所受到的阻力称为蓄电池的内阻。蓄电池的内阻包括以下几部分：（1）极板内阻。（2）隔板内阻。（3）电解液内阻。3）蓄电池的容量蓄电池的容量标志着蓄电池对外供电的能力，是指蓄电池在完全充足电的条件下，在允许的放电范围内所输出的电量，单位为安培小时（A·h）。当蓄电池以恒定电流放电时，其容量C为C=If·tf式中，If为放电电流（A）；tf为放电时间（h）一般蓄电池容量包含以下类型：（1）理论容量。（2）实际容量。（3）额定容量。（4）储备容量。（5）起动容量。4）影响蓄电池容量的因素（1）构造因素。极板厚度越薄，活性物质的利用率就越高，容量就越高；极板面积越大，同时参与反应的物质就越多，容量也越大；同性极板中心距越小，蓄电池内阻越小，容量就越大。（2）放电电流。放电电流越大，单位时间所消耗的硫酸越多，极板孔隙内硫酸消耗较快，造成孔隙内电解液下降较快，电解液来不及渗入极板内部，就已被表面生成的硫酸铅堵塞，致使极板内部大量的活性物质不能参加化学反应，因而蓄电池容量减小。（3）电解液温度。电解液温度对容量的影响如图2-11所示。电解液温度降低时，一方面，电解液的黏度增大，离子运动速度慢；另一方面，极板的收缩使得极板表面的孔隙缩小，电解液向极板孔隙内层渗入困难，使极板孔隙内的活性物质不能充分利用，使蓄电池放电容量下降。一般来讲，在正常范围内，电解液温度每下降1℃，蓄电池容量约下降1%。图2-11电解液温度对容量的影响（4）电解液密度。电解液密度与容量的关系如图2-12所示。适当增加电解液的密度，可以提高蓄电池的电动势及电解液的渗透能力，并减小电解液的内阻，使蓄电池容量增加。但密度过大，其黏度增加，渗透能力降低，内阻增大，蓄电池端电压及容量将减小。电解液密度偏小有利于提高放电电流和容量。冬季使用的电解液，在不使其结冰的前提下，尽可能采用较小密度的电解液。图2-12电解液密度与容量的关系2.放电特性恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf、电动势E和电解液密度ρ25℃随时间tf变化的规律称为蓄电池的放电特性，曲线如图2-13所示。图2-13恒流放电特性曲线3.充电特性在恒流充电过程中，蓄电池的充电电压UC、电动势E和电解液密度ρ25℃随时间tC变化的规律称为蓄电池的充电特性，曲线如图2-14所示。图2-14恒流充电特性曲线1要检查蓄电池的安装是否牢固，线夹与接线柱的连接是否牢固，并及时清除线夹和接线柱上的氧化物。在线夹与接线柱的表面涂上凡士林或黄油可防止氧化。2要检查蓄电池盖的表面是否清洁，应及时清除灰尘、油污、电解液等脏物。3要检查加液孔盖的通气小孔是否畅通，以防止因小孔堵塞引起蓄电池内部气体积聚而造成压力升高，压力升高会挤裂壳体甚至发生爆炸事故。2.3.1外部检查2.3蓄电池技术状况的检查2.3.2电解液密度及液面高度检查1.电解液密度检查用吸式密度计检测电解液密度，方法如图2-15所示。图2-15检测电解液密度2.电解液液面高度检查1）目测法蓄电池的壳体是用透明或半透明材料制成的，可以直接观察电解液液面的高度，判断电解液液面是否在蓄电池外壳上、下液面线即高、低水平线之间。2）用玻璃管测量法测量方法如图2-16所示，电解液液面高度应高出极板10~15mm。注意：除非确知电解液溅出，否则不允许添加硫酸溶液。图2-16用玻璃管测量液面高度2.3.3蓄电池开路电压检查检查蓄电池开路电压时，为了获得准确的测量结果，蓄电池充电完成后至少应等待10min，或者接通前照灯30s，以消除“表面充电”现象。然后切断所有负载，让蓄电池的电压稳定，才能进行电压检查。对于技术状况良好的蓄电池，当以起动电流或规定的放电电流连续放电15s时，端电压应不低于规定值。2.4蓄电池的充电操作2.4.1蓄电池充电方法1.恒流充电在充电过程中，充电电流恒定不变的充电方法称为恒流充电，其连接图如图2-17所示。图2-17恒流充电法连接图2.恒压充电在充电过程中，充电电压恒定不变的充电方法称为恒压充电。恒压充电是蓄电池在汽车上由发电机对其充电的方法，其连接简图及特性曲线如图2-18所示。图2-18恒压充电3.改进恒流充电改进恒流充电为两阶段充电法，在第一阶段用较大电流充电，当单格电池电压升到2.4V，电解液开始产生气泡时，将充电电流减小一半进行第二阶段恒流充电，直到蓄电池完全充足电为止。改进恒流充电特性曲线如图2-19所示。图2-19改进恒流充电特性曲线4.快速充电1）脉冲快速充电以脉冲大电流充电来实现快速充电的方法称为脉冲快速充电。采用脉冲快速充电法，新蓄电池的初充电时间不超过5h，旧蓄电池的补充充电只需要0.5~1.5h，大大缩短了充电时间，提高了工作效率。2）智能快速充电利用单片机的智能功能，控制充电电流按照最佳充电电流变化而实现快速充电的方法称为智能快速充电法。2.4.2蓄电池充电种类1.初充电对新蓄电池或修复后的蓄电池在使用之前进行的首次充电称为初充电。其目的是恢复蓄电池在存放期间极板上部分活性物质因缓慢放电和硫化而失去的电量。初充电恰当与否，对蓄电池以后的使用性能极为重要。进行初充电操作时，加注的电解液密度要符合厂家规定，液面高度符合要求。蓄电池注入电解液后应静置3~6h，待温度低于35℃时才能充电。将蓄电池的正接线柱与充电机的正极相接，蓄电池的负接线柱接充电机的负极。因为新蓄电池在储存中可能有硫化现象，所以初充电一般应选用较小的电流。2.补充充电蓄电池在汽车上使用时，常发生充电不足的现象，尤其是经常跑短途运输的汽车，应根据需要进行补充充电，一般每月一次。3.间歇过充电间歇过充电是避免蓄电池使用中极板硫化的一种预防性充电。一般应每隔3个月进行一次。充电方法是先按补充充电方式充电，停歇1h后，再以减半的充电电流进行过充电，直至充足电为止。4.循环锻炼充电蓄电池在使用中常处于部分放电状态，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，以避免活性物质由于长期不参与化学反应而收缩结晶，每隔一段时间应对蓄电池进行一次循环锻炼充电。循环锻炼充电方法是先用补充充电或间歇过充电将蓄电池充足电，然后以20h放电率放完电，再用补充充电法充足电。1倒出电解液，加入蒸馏水冲洗两次后，再加入蒸馏水。2用IC=C20/30的电流进行充电，当密度上升到1.15g/cm3时，倒出电解液，再加蒸馏水继续充电，直至密度不再上升。3以20h放电率放电至单格电池电压降到1.75V时，再进行上述充电。反复进行以上过程，直至输出容量达到额定容量