第一章蓄电池

第1章蓄电池Battery学习目标了解蓄电池的结构与原理。理解蓄电池充放电过程和故障原因。掌握铅酸铅蓄电池的结构、原理、工作特性；充电和充电设备。第1章蓄电池Battery概述蓄电池是一种化学电源，靠其内部的化学反应来储存电能或向用电设备供电。目前燃油汽车上使用的蓄电池主要有两大类：铅酸蓄电池（以下简称铅蓄电池）和镍碱蓄电池。同时，由于人们对燃油汽车排放要求的提高和能源危机的冲击，各国正在不断探索和研制电动汽车，其主要的动力源为新型高能蓄电池。下表列出了各种蓄电池特点。第1章蓄电池Battery类型优点缺点适用车辆铅酸蓄电池结构简单；价格便宜；内阻小；电压稳定；可以短时间供给起动机强大的起动电流比容量小；使用寿命相对较短一般车辆镍碱蓄电池容量大；使用寿命长；维护简单；能承受大电流放电而不易损坏活性物质导电性差；价格较高使用时间长、可靠性高的车辆电动车蓄电池比容量大；无污染；充、放电性能好；使用寿命长结构复杂；成本高电动汽车第1章蓄电池Battery1.1铅蓄电池的构造与型号1.1.1蓄电池的分类铅蓄电池由于结构简单、价格便宜、内阻小、可以短时间供给起动机强大的起动电流而被广泛采用。铅蓄电池又可以分为普通铅蓄电池、干荷电铅蓄电池、湿荷电铅蓄电池和免维护铅蓄电池。各种铅蓄电池的特点见下表。第1章蓄电池Battery类型特点普通铅蓄电池新蓄电池的极板不带电，使用前需按规定加注电解液并进行初充电，初充电的时间较长，使用中需要定期维护。干荷电铅蓄电池新蓄电池的极板处于干燥的已充电状态，电池内部无电解液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静置20～30min即可使用，使用中需要定期维护。湿荷电铅蓄电池新蓄电池的极板处于已充电状态，蓄电池内部带有少量电解液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静置20～30min即可使用，使用中需要定期维护。免维护蓄电池使用中不需维护，可用3～4年不需补加蒸馏水，极桩腐蚀极少，自放电少。第1章蓄电池Battery1.1.2蓄电池的功用汽车上装有蓄电池和发电机两个直流电源，这两个电源并联，全车的用电设备均为并联。第1章蓄电池Battery蓄电池的功用：1）起动发动机时，蓄电池向起动系和点火系供电。2）当发动机低速运转，发电机电压低于蓄电池的充电电压时，由蓄电池向用电设备供电。3）当发动机中、高速运转，发电机电压高于蓄电池的充电电压时，蓄电池将发电机的剩余电能储存起来。4）当发电机过载时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。5）蓄电池还可以吸收电路中的瞬时过电压，保持汽车电器系统电压的稳定，保护电子元件。1.1.2蓄电池的功用第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构铅蓄电池一般由3个或6个单格电池串联而成，结构如图所示：1－负极柱2－加液孔盖3－正极柱4－穿壁连接5－汇流条6－外壳7－负极板8－隔板9－正极板第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构1．极板极板是蓄电池的核心部分，蓄电池充、放电的化学反应主要是依靠极板上的活性物质与电解液进行的。极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质组成。第1章蓄电池Battery栅架的作用是固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好的导电性、耐蚀性和一定的机械强度。栅架的结构右上图所示。为了降低蓄电池的内阻，改善蓄电池的起动性能，有些铅蓄电池采用了放射形栅架,右下图为桑塔纳轿车蓄电池放射形栅架的结构。1.1.3铅蓄电池的结构第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构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的纯铅（Pb），呈青灰色。将活性物质调成糊状填充在栅架的空隙里并进行干燥即形成极板，如右上图所示。1－极板组总成2－负极板3－隔板4－正极板5－极板联条第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构2．隔板隔板插放在正、负极板之间，以防止正、负极板互相接触造成短路。隔板应耐酸并具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。其中，木质隔板耐酸性较差，微孔橡胶隔板性能最好但成本较高，微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构3．电解液电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由纯硫酸（H2SO4）与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般为1.24～1.30g/cm3。电解液的密度对蓄电池的工作有重要影响，密度大，可减少结冰的危险并提高蓄电池的容量，但密度过大，则粘度增加，反而降低蓄电池的容量，缩短使用寿命。第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构下表列出了不同地区和气温下的电解液的密度气候条件完全充足电的蓄电池25℃时电解液的密度(g/cm3）冬季夏季冬季温度低于－40℃地区1.301.26冬季温度高于－40℃地区1.281.25冬季温度高于－30℃地区1.271.24冬季温度高于－20℃地区1.261.23冬季温度高于0℃地区1.241.23第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构4．壳体壳体用于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。壳体上部使用相同材料的电池盖密封，电池盖上设有对应于每个单格电池的加液孔，用于添加电解液和蒸馏水，以及测量电解液密度、温度和液面高度。加液孔盖上的通风孔可使蓄电池化学反应中产生的气体顺利排出。第1章蓄电池Battery1.1.3铅蓄电池的结构5．联条联条装在盖子上面，是一种传统的，但是这种连接方式不仅浪费材料，而且使电池的内阻增大，所以此种连接方式正在被尺寸更小的穿壁式连接所代替。图1－6穿壁式联条第1章蓄电池Battery1.1.4铅蓄电池的型号按机械工业部JB2599－85《铅蓄电池产品型号编制方法》标准规定，铅蓄电池的型号分为三部分，见教材表1－2所示。第1章蓄电池Battery1.2铅蓄电池的工作原理1．铅蓄电池的静止电动势铅蓄电池工作时，电解液密度总是在1.12～1.30g/cm3之间变化，每个单格电池的电动势也相应地在1.97～2.15V之间变化。第1章蓄电池Battery1.2.2铅蓄电池的工作原理2．铅蓄电池的放电当铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势，此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb，都与电解液中的H2SO4反应生成硫酸铅（PbSO4），沉附在正、负极板上。电解液中H2SO4不断减少，密度下降。理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止，但由于生成的PbSO4沉附于极板表面，阻碍电解液向活性物质内层渗透，使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应，因此在使用中被称为放完电蓄电池的活性物质利用率只有20％～30％。因此，采用薄型极板，增加极板的多孔性，可以提高活性物质的利用率，增大蓄电池的容量。第1章蓄电池Battery1.2.3铅蓄电池的工作原理蓄电池放电终了的特征是：（1）单格电池电压降到放电终止电压；（2）电解液密度降到最小许可值。放电终止电压与放电电流的大小有关。放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止电压也越低。如下表所示。C20——蓄电池的额定容量。放电电流（A）0.05C200.1C200.25C20C203C20放电时间20h10h3h25min5min单格电池终止电压（V）1.751.701.651.551.50第1章蓄电池Battery蓄电池放电过程第1章蓄电池Battery1.2.3铅蓄电池的工作原理3．铅蓄电池的充电充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出，这一过程称为充电。蓄电池充电过程是电能转换为化学能的过程。充电时，正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb，电解液中的H2SO4增多，密度上升。当充电接近终了时，PbSO4已基本还原成PbO2和Pb，这时，过剩的充电电流将电解水，使正极板附近产生O2从电解液中逸出，负极板附近产生H2从电解液中逸出，电解液液面高度降低。因此，铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。蓄电池充足电的标志是：（1）电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态；（2）电解液的密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在2～3h内保持不变。第1章蓄电池Battery铅蓄电池的充电过程第1章蓄电池Battery蓄电池充放电过程结论蓄电池在放电时，电解液中的硫酸将逐渐减少，而水将逐渐增多，电解液相对密度下降。蓄电池在充电时，电解液中的硫酸将逐渐增多，而水将逐渐减少，电解液相对密度增加。在充放电时，电解液浓度发生变化，主要是由于正极板的活性物质化学反应的结果，因此要求正极极处的电解液流动性要好。在装配蓄电池时，应将隔板有沟槽的一面对着正极板，以便电解液流通。第1章蓄电池Battery蓄电池的工作特性蓄电池的静止电动势及基本电特性蓄电池的内阻蓄电池的放电特性蓄电池的充电特性第1章蓄电池Battery1、蓄电池的静止电动势及基本电特性静止电动势ES蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差（即开路电压）称为静止电动势。开路电压：理论上，开路状态下的端电压并不等于电池的电动势。但是，开路电压在数值上很接近蓄电池的静止电动势，可以用开路电压代替静止电动势。一般规定铅蓄电池的额定开路电压为2.0V。开路电压（静止电动势）公式ES=0.85+ρ25°C（V）汽车用蓄电池的电解液密度一般在1.12-1.30g/cm3之间，因此ES=1.97～2.15（V）第1章蓄电池Battery1、蓄电池的静止电动势及基本电特性蓄电池端电压的测量：端电压包括开路电压、放电电压和充电电压，取决于蓄电池的工作状况。一般发动机未工作时测量蓄电池电压为开路电压为12V。一般发动机工作时测量蓄电池电压为充电电压为14V。启动时测量蓄电池电压为放电电电压约为8-11V。实际测量时采用放电计模拟启动状态。第1章蓄电池Battery2、蓄电池的放电特性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。第1章蓄电池Battery放电特性曲线第1章蓄电池Battery2、蓄电池的放电特性（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，孔内外电解液密度一起缓慢下降，所以端电压缓慢下降。第1章蓄电池Battery2、蓄电池的放电特性（3）迅速下降阶段端电压由1.85V迅速下降至1.75V。放电接近终了时，电化学极化、浓差极化、欧姆极化显著增大，端电压迅速下降。第1章蓄电池Battery3、蓄电池的充电特性在恒流充电过程中，蓄电池的端电压与电解液相对密度随时间而变化的规律。充电电源必须采用直流电源，以一定的电流向一只完全放电的蓄电池进行充电。保持充电电流不变，每隔一定时间测量单格电池的端电压和电解液相对密度。可以绘制出蓄电池的充电特性曲线，如图所示。第1章蓄电池Battery蓄电池的充电特性（1）充电开始阶段端电压迅速上升。开始充电时，孔隙内迅速生成硫酸，浓差极化增大，端电压迅速上升。（2）稳定上升阶段孔隙内生成的硫酸向孔隙外扩散，当硫酸生成的速度与扩散速度达到平衡时，端电压随整个容器内电解液密度变化而缓慢上升，端电压缓慢上升至2.4V左右。第1章蓄电池Battery蓄电池的充电特性（3）充电末期电压迅速上