《汽车电器与电子设备》课件(广科大玉洁)第一章蓄电

课程概况汽车的常用电器设备（电源系统、用电设备）构造、工作原理、性能的基本知识主要内容：相关课程：与本课程相关的先导课程包括电工学、汽车构造等，后续相关课程有汽车电子、汽车故障诊断与维修等相关教材：1、汽车电器及电子设备古永棋重庆大学出版社汽车电气特点汽车电气具有以下四个特点：（1）低压。（2）直流。（3）单线制。（4）负极搭铁。第一章蓄电池本章主要内容主要内容：1、蓄电池的结构与型号；2、工作原理和工作特性、容量及其影响因素；3、充电方法、使用与维护、蓄电池技术状况的检测等汽车电源系统由蓄电池、发电机和调节器组成。在汽车上，蓄电池和发电机并联工作，发电机是汽车的主要电源，蓄电池是辅助电源。电池的简介电池的简介蓄电池的作用汽车并联电路（1）发动机起动时，向起动机和点火系统供电。（2）发动机低速运转、发电机不发电或电压较低时，向用电设备和交流发电机磁场绕组供电。（3）发动机中高速运转、发电机正常供电时，将发电机剩余电能转换为化学能储存起来。（4）发电机过载时，协助发电机向用电设备供电。（5）蓄电池相当于一只大容量电容器，不仅能够保持汽车电气系统的电压稳定，而且还能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件不被损坏。作用：主要要求：容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。第一节蓄电池的构造与型号一、铅蓄电池的构造汽车蓄电池是由6—12个单格电池串联组成组成部件：1、极板及极板组2、隔板3、电解液4、联条1、极板（Grids）和极板组1、极板极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质构成。极板极板组（增大容量）（1）、栅架的结构栅架由铅合金制成的网架形式，一般在铅中加入少量的锑（改善机械强度与浇注性能），近年来为了改善蓄电池的自放电性能，而在铅中加入少量的钙。结构●放射状结构：利于大电流放电●栅格结构：利于深度放电厚度●薄板：大电流放电性能较好●厚板：浮充使用寿命较长1、极板和极板组（续）1、极板和极板组（续）•将二氧化铅与稀硫酸调成膏状，涂在栅架上，就成了正极板。呈棕红色；•将纯铅粉与稀硫酸调成膏状涂在栅架上，就成了负极板。呈青灰色。Negativepaste（负极铅膏）Positivepaste（正极铅膏）(2)、极板组为了增大蓄电池容量将多片正极板（4-13片）和多片负极板（5-14片）分别并联，用横板焊接组成正、负极板组。横板上连有电桩1、安装时，正负极板相互嵌合，之间插入隔板，用极板连接条将所有的正极和所有的负极分别连接，如此组装起来，便形成单格蓄电池。2、单格电池中负极板的数目比正极板多一块。1、极板和极板组（续）2、隔板（Separator）（1）隔板的作用：保持正负极板绝缘防止铅枝短路（DendriteShorts）吸附、保持电解液气体通道压紧活性物质，延缓活物质脱落（2）隔板常用材料：隔板材料孔隙度％孔隙尺寸μm内阻Ω/cm2微孔PVC80＜30.18微孔隙聚乙烯63＜10.15无纺聚乙烯60120.21无纺玻璃棉65200.18微细玻璃纤维棉90240.1(AGM)（3）隔板的安装方法：装入时，沟槽面应竖直对向正极板。这样，可使正极板在化学反应时，得到更多的电解液而反应充分。此外，在蓄电池充电时生成的气泡可随槽上升，脱落的活性物质则会沿槽下沉。2、隔板（续）3、电解液（Electrolyte）（1）电解液的作用：电解液是蓄电池内部发生化学反应的主要物质。（2）电解液的成份：蓄电池电解液是用纯净硫酸和蒸馏水（去离子水）按一定比例配制而成的。电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。JB/T10052-2010《铅酸蓄电池用电解液》HG/T2692-2007《蓄电池用硫酸》JB/T10053-2010《铅酸蓄电池用水》3、电解液（续）电解液对蓄电池性能的影响电解液既为导电物质又参与化学反应电解液比重（SpecificGravity）与电池开路电压（Opencircuitvoltage）关系：OCV＝SG+0.84SG影响充电电压大小、电池“放电性能”SG影响电解液冰点（SG=1.300，冰点：-68.9）SG影响板栅腐蚀速度00.20.40.60.80.911.11.21.31.41.5H2SO4Densitywt.%00.20.40.60.8wt.%*10conductivitymhos/cmsolubilityofPbSO4*104、外壳（Container）是盛放正、负极板和电解液等的容器。是由PP塑料、橡胶等材料制成，常用材料◆丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）◆聚丙烯（Polypropylene--PP）PPABS外壳内用间隔分隔成几个单格，每个单格内放入极板组和电解液便组成一个单格电池。壳的底部有凸起的筋条（突棱）用来放置极板组。4、外壳（续）4、外壳（续）------技术状况指示装置5、联条铅连接条：各单格电池为串联连接，一个单格电池的正极桩与另一个单格电池的负极桩用联条焊接,由铅锑合金制成。连接方式：1、外露式2、跨桥式3、穿壁式5、联条单格电池的连接方式5、联条（穿壁式）二蓄电池型号蓄电池的型号标示例如：3-Q-90表示：由3个单格组成，额定容量为90A.h，起动型铅蓄电池。其他型号举例：P5表1-2蓄电池型号由三部分组成，各部分之间用破折号分开，其内容及排列如图按我国有关标准规定主要蓄电池系列6-QA-105G是什么电池？选择蓄电池时，根据GB5008.2-2013《起动用铅酸蓄电池第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记》规定选用第二节、蓄电池的工作原理一、蓄电池的工作原理1、蓄电池的基本工作原理----化学反应说明：蓄电池中参与化学反应的物质：正极板：PbO2；负极板：Pb；电解液：硫酸水溶液放电：正极板的PbO2和负极板的Pb生成PbSO4电解液中的H2SO4减少，密度下降。充电：正极板的PbSO4恢复为PbO2；负极板的PbSO4恢复为Pb。电解液中的H2SO4增加，密度下降。二、放电过程1、电动势的建立当两极板放置在浓度为27%～37%的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅〔Pb（OH）4）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根〔4（OH）-〕组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。蓄电池的电动势（静止电动势）大约为2伏。二、放电过程（续）分析：为何蓄电池的静止电动势为2伏？正极板处：当正极板浸入电解液中时，少量的PbO2溶入电解液中，与水生成Pb(OH)4，再分解成四价铅离子和氢氧根离子。沉附在极板在溶液中有沉附在极板上，使极板带正电有与溶液中OH-的结合生成Pb(OH)4的倾向，Pb4+当两者达到动平衡时，正极板的电位约为+2V二、放电过程（续）负极板处：金属Pb受到两方面的作用当两者达到动态平衡时，极板的电极电位约为：-0.1V结论：一个充足电的蓄电池(单格)的静止电动势E0约为2.1V。实际测定结果为E0=2.044V当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。二、放电过程（续）二、放电过程（续）2e充电状态溶解电离输出电流放电后生成物正极板负极板PbSO4PbSO4PbO22H2SO4PbPb4++SO42-+SO42-+2H2OPb2++2ePb2+2H2O电解液2e若将蓄电池与外电路的负荷接通，电动势使电路内产生电流。电子e从负极板经过外电路负荷流向正极板。正极板处：Pb4++2ePb2+Pb2++SO42-PbSO4（沉附在正极板上）负极板处：Pb2++SO42-PbSO4（沉附在负极板上）PbPb2++2e(Pb继续溶解)外部电路继续流通，正负极板上的活性物质PbO2和Pb不断转化为PbSO4，电解液中的硫酸逐渐减少。水增多。二、放电过程（续）三、充电过程2e放电状态溶解电离输入电流充电后生成物正极板负极板PbSO4PbPbO22H2SO4Pb2++SO42-Pb4+电解液充电电源PbSO42H2OSO42-+Pb2+2e2H2O2e三、充电过程(续）若将蓄电池直流电源接通，当电源电压高于蓄电池的电动势时，电源力使电子e从正极板经过外电路流向负极板。正极板处：PbSO4Pb2++SO42-Pb2+-2ePb4+Pb2++2SO42-PbSO4PbSO4+2H2OPbO2+2H2SO4负极板处：PbSO4Pb2++SO42-Pb2++2ePbSO42-+2H+H2SO4四、蓄电池的工作过程总结1、蓄电池对外既不充电也不放电（不工作）时的静止电动势大约为2伏2、放电过程：将蓄电池的化学能转化为电能的的过程放电过程中，正负极板上PbO2PbSO4负极板上PbPbSO4电解液PbSO4H2O可以通过测量电解液密度来判断蓄电池的充放电程度。蓄电池放电终了，极板上尚有70%--80%的活性物质没有起作用，应该充分提高极板活性物质的利用率。活性物质减少密度下降四、蓄电池的工作过程总结（续）3、充电过程：将蓄电池的电能转化为化学能的过程放电过程中，正极板上PbSO4还原为PbO2负极板上PbSO4还原为Pb电解液PbSO4增多H2O减少（密度增加）充电一直进行到极板上的活性物质完全恢复到放电前的状态为止。如果继续充电，将引起水电解，放出大量气泡。第三节蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性：蓄电池的静止电动势、内阻和充放电特性的变化规律。蓄电池的技术参数主要包括：蓄电池的静止电动势蓄电池的内阻放电特性充电特性一、蓄电池的工作特性11、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。它的大小取决于电解液的相对密度和温度E0=0.84+γ25℃γ25℃---为25℃时的电解液的相对密度E0=1.97---2.15之间二、蓄电池的工作特性22、内电阻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R0表示。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。三、蓄电池的工作特性33、蓄电池的放电特性端电压蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压和电解液相对密度随时间而变化的规律。将完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行放电，在放电过程中不断地调节外接的电位器，使放电电流保持稳定不变，每隔一定的时间，测量端电压和电解液密度，得到如图所示的放电特性曲线。三、蓄电池的工作特性3----蓄电池的放电特性说明1端电压的变化情况（1）开始放电阶段端电压由2.14V迅速下降至2.1V极板孔隙内硫酸迅速消耗，电解液密度迅速下降，浓差极化增大，端电压迅速下降。（2）相对稳定阶段端电压由缓慢下降至1.85V极板孔隙外向孔隙内扩散的硫酸与孔隙内消耗的硫酸达到动态平衡，所以端电压缓慢下降。三、蓄电池的工作特性3----蓄电池的放电特性说明2（3）迅速下降阶段端电压由1.85V迅速下降至1.75V。电解液密度的变化情况：密度直线下降。蓄电池放电终了的特征：单格电池电压降到放电终止电压。电解液比重降到最小许可值约为1.13。三、蓄电池的工作特性3----放电终止电压的影响因素放电终止电压与放电电流的大小有关。放电电流越大，