第一章 蓄电池教案.docx

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第一章蓄电池教案

旧知回顾：

工程机械电源

本节内容：

第一章蓄电池

一、工程机械电源

1、组成：

蓄电池、交流发电机、电压调节器等组成。

2、作用：

Ø

蓄电池——起动或停车供电。

Ø交流发电机——为用电设备供电，为蓄电池充电。

第一节蓄电池的结构

一、概述

1、工作原理：

将化学能转变为电能的装置，属于可逆的直流电源。

2、要求：

Ø足够多的时间：

5～10s，

Ø足够大的起动电流：

汽油机为200～600A，柴油机可达1000A。

3、功用：

1）起动时，向起动系和点火系供电。

2）低速时，发电机电压低于蓄电池充电电压时，向用电设备供电。

3）高速时，发电机电压高于蓄电池充电电压时，储存发电机的剩余电能。

4）当发电机过载时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。

5）系统电压不稳时，吸收电路中的瞬时过电压，保护电子元件。

4、分类：

铅酸蓄电池、镍碱蓄电池。

二、结构

铅蓄电池一般由3个或6个单格电池串联而成，单格电池电动势为2V左右。

主要由极板、隔板、电解液和外壳等组成。

1、极板——核心

1）组成：

正极板、负极板、栅架和活性物质。

Ø正极板——二氧化铅（PbO2），呈深棕色；正极板并联，组成正极板组。

Ø负极板——纯铅（Pb），呈青灰色；负极板并联，组成负极板组。

注意：

负极板比正极板多一片。

原因：

每片正极板都处于两片负极板之间，可以使正极板两侧放电均匀，避免因放电不均匀造成极板拱曲。

2）栅架作用：

固结活性物质——铅锑合金

为了降低蓄电池的内阻，改善蓄电池的起动性能，采用放射形栅架。

2、隔板

位置——正、负极板之间，

作用——防止正、负极板互相接触造成短路，耐酸并多孔性，利于电解液的渗透。

材料——木质、微孔橡胶和微孔塑料等。

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，广泛采用。

3、电解液

组成——纯硫酸（H2SO4）和蒸馏水，其密度一般为1.24～1.30g/cm3。

作用——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。

影响——密度大，防止结冰并提高容量，

过大则黏度增加，反而会降低容量，缩短寿命。

4、壳体

作用——壳体用于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。

材料——硬橡胶或聚丙烯塑料制成

结构——

Ø肋条：

壳体底部，以搁置极板组。

Ø间壁：

降单格分开，各单格之间用铅质连条串联起来。

Ø电池盖：

密封，

Ø加液孔：

用于添加电解液和蒸馏水，测量电解液密度、温度和液面高度。

Ø通风孔：

可使蓄电池化学反应中产生的气体顺利排出。

三、型号

1、种类

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

2、型号

1——串联的单格电池数，阿拉伯数字，其标准电压是这个数字的2倍。

2——蓄电池的类型和特征，用汉语拼音字母表示。

3——蓄电池的额定容量，我国目前规定采用20h放电率的容量安培小时数A·h。

　　特殊性能，如：

Q—高起动率；S—塑料槽；D—低温起动性能好。

例如：

CA1170P2K2柴油车用型号为6—QAW—100S的蓄电池，是由6个单格串联而成，标准电压为12V，干荷电式免维护蓄电池，它采用了塑料整体式外壳，薄型极板，使用时只需加入规定密度的电解液，静止0.5h，。

小结：

1、工程机械电源组成？

2、蓄电池的结构？

3、蓄电池的型号？

旧知回顾：

工程机械电源的组成？

蓄电池的结构和型号？

本节内容：

第二节蓄电池的工作原理

一、工作原理

双极硫酸盐化理论：

二、静止电动势

将铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中，正、负极板与电解液相互作用，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势。

1、负极板：

铅Pb溶于电解液中，失电子生成Pb2+

Pb－2e→Pb2+

电子（负极板上）和Pb2+（电解液中），使负极具有负电位，为-0.1V。

2、正极板：

PbO2溶于电解液

PbO2+2H2O→Pb（OH）4

　　Pb（OH）4→Pb4++4OH－

OH－（电解液中），Pb4+（正极表面）,使正极板有+2.0V

3、静止电动势为：

E=2.0－（－0.1）=2.1V

三、放电过程

放电过程，电子e从负极经过外部负载流往正极，使正极板的电位下降，破坏了原有的平衡状态。

Ø阶段1：

电解液H2SO4转化成H+和SO42-，正极板上的PbO2转化成Pb4+和OH-，负极板上的Pb失去电子Pb2+；

Ø阶段2：

正极板上的Pb4+得到电子转化成Pb2+，负极板上Pb的得到电子转化成Pb2+；

Ø阶段3：

正负极板上的Pb2+与SO42-反应形成PbSO4，OH-与水中的H+形成H2O。

问题一：

为什么放电过程中电解液密度会下降？

放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb都与电解液中的H2SO4发生反应，生成硫酸铅（PbSO4），沉附在正、负极板上。

此时电解液中的H2SO4不断减少，密度也随之下降。

问题二：

为什么放完电蓄电池的活性物质利用率只有20%～30%？

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，所以只能使用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。

问题三：

蓄电池放电终了的特征是什么？

（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。

四、充电过程

充电时，正极接电源正极，负极接直流电源负极。

电流由蓄电池的正极流入，从蓄电池的负极流出。

电子由正极板经外电路流往负极板。

Ø阶段1：

正极板上的PbSO4转化成Pb2+和SO42-，负极板上的PbSO4转化成Pb2+和SO42-；

Ø阶段2：

正极板上的Pb2+失去电子转化成Pb4+，负极板上的Pb2+得到电子转化成Pb；

Ø阶段3：

正极板上的Pb4+与水中O反应形成PbO2，SO42-与水中的H形成H2SO4。

问题一：

为什么充电过程中电解液密度会上升？

充电时，正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb，电解液中的H2SO4不断增多，密度上升。

问题二：

为什么充电过程中电解液会产生气泡和沸腾现象？

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，使正极板附近产生的O2从电解液中逸出，负极板附近产生的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。

问题三：

蓄电池放充足电的特征是什么？

（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。

小结：

1、蓄电池的工作过程的化学反应平衡式？

2、蓄电池电动势的建立？

3、蓄电池充放电过程？

旧知回顾：

蓄电池充放电过程？

本节内容：

第三节蓄电池容量的影响因素

一、蓄电池电动势

铅蓄电池的静止电动势Ej与极板的片数、大小无关，仅与电解液的密度有关，其关系式为：

Ej＝0.84＋ρ25

式中：

Ej——蓄电池的静止电动势，单位为V；

ρ25——25℃时电解液的相对密度（g/cm3）。

注意，实测电解液的相对密度应转换成25℃时电解液的相对密度，转换关系式为

ρ25＝ρt＋β（t－25）

式中：

ρt——实测的电解液相对密度（g/cm3）；

　　　t——测量时的电解液温度（℃）；

β——相对密度温度系数，取β＝0.00075。

铅蓄电池电解液密度在1.12～1.30g/cm3之间变化，每个单格电池的电动势在1.97～2.15V之间变化。

二、蓄电池的容量

容量等于放电电流与放电时间之积，即C＝Iftf单位为A·h

1、额定容量

额定容量：

是以20h放电率的放电电流在电解液初始温度为（25±5）℃，相对密度为（1.28±00.1）g/cm3（25℃）的条件下，连续放电到规定的单格终止电压1.75V，蓄电池所输出的电量，称为蓄电池的额定容量，记为C20。

6—QA—60：

在电解液初始温度为25℃时，以3A的放电电流持续放电20h，单格电压降到1.75V，其额定容量C20＝3×20＝60A·h。

2、额定储备容量

额定储备容量是是指充足电的蓄电池在电解液温度为25℃的条件下，以25A电流放电到单格终止电压1.75V时所能维持的时间。

符号为Cm，单位为min。

3、起动容量

起动容量表示蓄电池在发动机电力起动时的供电能力，用倍率和持续时间表示。

1）常温起动容量——电解液初始温度25℃时，以5min放电率的电流放电，放电5min至单格电池电压降至1.5V时所输出的电量。

5min放电率的电流在数值上约为其额定容量的3倍。

例如，对于6—Q—100型蓄电池，C20＝100A·h，在电解液初始温度为25℃时，以3倍C20＝3×100＝300A的电流放电5min，单格电池电压降至1.5V，蓄电池端电压降至1.5×6＝9V，其起动容量为300×560＝25A·h。

2）低温起动容量——电解液初始温度－18℃时，以5min放电率的电流放电，放电2.5min至单格电池电压降至1V时所输出的电量

三、影响蓄电池容量的因素

1、结构因素

Ø极板的表面积越大，极板片数越多，参加反应的活性物质就越多，容量越大。

Ø极板越薄，多孔性越好，电解液向极板内部的渗透越容易，活性物质利用率越高，容量越大。

2、使用因素

1）放电电流——放电电流越大，蓄电池的容量就越小。

问题一：

为什么放电电流越大，蓄电池的容量就越小？

问题二：

为什么每次启动的时间不应超过5s，且连续两次应至少间隔15s？

原因：

放电时，正、负极板上的PbO2和Pb逐渐转变成PbSO4，PbSO4的体积比PbO2和Pb大，它将逐渐堵塞极板孔隙，阻碍电解液向极板内部渗透。

当放电电流增大时，化学反应速度加快，PbSO4堵塞孔隙的速度也越快，孔隙中电解液密度迅速下降，导致极板内层大量的活性物质不能参与反应，蓄电池的实际输出容量减小。

同时，电解液密度迅速下降，导致蓄电池的端电压也迅速下降，因而缩短了放电时间。

因此，在实际使用中必须严格控制起动时间，每次起动的时间不应超过5s，且连续两次起动之间的时间间隔不应少于15s。

2）电解液温度——放电电流一定的条件下，温度降低则容量减小。

问题三：

为什么放电电流一定的条件下，温度降低则容量减小？

原因：

温度降低时，电解液的黏度增加，渗入极板困难，同时内阻增大，使蓄电池端电压降低，容量减小。

由于温度对蓄电池容量和端电压影响很大，因此在寒冷地区冬季应当对蓄电池采取保温措施。

3）电解液密度。

电解液密度ρ↑电动势E↑，电液渗透能力↑，参加反应的活性物质↑→C↑

ρ过高，粘度↑，内阻↑，极板硫化↑→C↓

实践证明，电解液密度偏低有利于提高放电电流和容量，延长蓄电池的使用寿命。

冬季在电解液不结冰的前提下，应尽可能采用稍低的电解液密度。

小结：

1、蓄电池的容量？

2、蓄电池容量的影响因素？

旧知回顾：

蓄电池容量的影响因素？

本节内容：

第四节蓄电池的充电方法

一、充电方法

1、充电设备

充电接线——充电电源的正极接蓄电池的正极，充电电源的负极接蓄电池的负极。

车载充电设备——发动机驱动的交流发电机。

车下充电设备——硅整流、晶闸管整流和智能充电机。

2、充电方法

充电方法——恒压充电、恒流充电和脉冲快速充电。

1）恒压充电——充电电源电压保持恒定，适用于补充充电

原理：

Ic＝（U－E）/R电动势E↑，充电电流Ic↓，充电终了Ic=0。

被充蓄电池采用并联连接，单格电池充电电压为2.5V

问题一：

为什么恒压充电适用于补充充电，而不适用于初充电和去硫化充电？

原因：

在恒压充电初期，充电电流较大，4～5h内即可达到额定容量的90%～95%，因而充电时间较短，而且不需要调整充电电流，适用于补充充电。

由于充电电流不可调节，因此恒压充电不适用于初充电和去硫化充电。

2）恒流充电——充电电流保持恒定，用于初充电、补充充电和去硫化充电等

Ø恒流充电时，被充蓄电池采用串联连接。

Ø单格电池充足电时需2.7V，串联的单格电池的数目＝充电机的额定电压/2.7。

Ø充电电流按小容量电池选择，充足后摘出，再继续给大容量电池充电。

Ø充电过程：

第一阶段采用较大电流，当电量基本充足，单格电池电压达到2.4V，开始电解水产生气泡时，再将充电电流减小一半，直到电解液密度和蓄电池端电压达到最大值且在2～3h内不再上升，蓄电池内部剧烈冒出气泡时为止。

Ø恒流充电的适应性强，可任意选择和调整充电电流的大小，有利于保持蓄电池的技术性能和延长使用寿命；其缺点是充电时间长，要经常调节充电电流。

3）脉冲快速充电

脉冲快速充电必须用脉冲快速充电机进行。

充电过程：

先用0.8～1倍额定容量的大电流进行恒流充电，使蓄电池在短时间内充至额定容量的50%～60%。

当单格电池电压升至2.4V，开始冒气泡时，由充电机的控制电路自动控制，开始脉冲快速充电：

首先停止充电25ms（称为前停充），接着放电或反向充电，使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流（脉冲深度一般为充电电流的1.5～3倍，脉冲宽度为150～1000μs），然后再停止充电40ms（称为后停充），以后的过程为正脉冲充电—前停充—负脉冲瞬间放电—后停充—正脉冲充电……此过程循环进行，直至充足电。

脉冲快速充电的优点是充电时间可大大缩短（新蓄电池充电仅需5h，补充充电需1h）；缺点是对蓄电池的寿命有一定的影响，并且脉冲快速充电机结构复杂、价格昂贵，适用于电池集中、充电频繁、要求应急的场合。

二、充电种类

1、初充电——指对新蓄电池或更换极板后的蓄电池进行的第一次充电。

步骤：

（1）按蓄电池制造厂的规定和本地区的气温条件，加注一定密度的电解液（加注前，电解液温度不得超过30℃），放置4～6h，使极板浸透，并调整液面高度至规定值。

（2）将蓄电池的正、负极分别与充电机的正、负极相连。

（3）采用两阶段恒流充电法充电时，第一阶段充电电流为额定容量的1/15，待电解液中有气泡冒出、单格电池电压达2.4V时转入第二阶段，将电流减小一半，直至蓄电池充足电为止。

充电过程中应注意测量电解液的温度，当温度超过40℃时应将电流减半，如温度继续上升达45℃时应停止充电，待冷却至35℃以下时再充电。

（4）充好电的蓄电池应检查电解液的密度，如不符合规定，应用蒸馏水或1.4g/cm3的稀硫酸进行调整，并调整液面高度至规定值。

调整后再充电2h，直到电解液密度符合规定为止。

2、补充充电——无故障的前提下，为保持或恢复其额定容量而进行的正常的充电。

一般工程机械用蓄电池应每隔1～2个月从车上拆下来进行一次补充充电。

补充充电可采用恒压充电或两阶段恒流充电。

工程机械上蓄电池的充电采用恒压充电法充电，充电室多采用两阶段恒流充电法充电。

采用两阶段恒流充电法进行补充充电时，应先用C20为10A·h的电流进行充电，当单格电池电压达到2.4V以上时，改用C20为20A·h的电流充电至充足为止。

不同型号铅蓄电池的补充充电电流值见表2.5。

3、间歇过充电——为了避免使用中的铅蓄电池极板硫化的一种预防性充电，工程机械用铅蓄电池应每隔三个月进行一次。

充电方法是：

先按补充充电的方法将蓄电池充足电，停歇lh后再以减半的充电电流值进行过充电至沸腾，再停歇1h后重新接入充电，如此反复，直到蓄电池刚接入充电时立即沸腾为止。

4、循环锻炼充电——为防止极板钝化而进行的保养性充电。

铅蓄电池使用中常处于部分放电的状况，参加化学反应的活性物质有限，为避免活性物质长期不工作而收缩，应每隔三个月进行一次循环锻炼充电。

充电方法是：

先按照补充充电或间歇过充电的方法将铅蓄电池充足电，再用20h放电率的电流连续放电至单格电池电压降为1.75V为止。

其容量降低不得大于额定容量的10%，否则应进行充、放电循环，直至容量达到额定容量的90%为止方可使用。

5、去硫化充电——消除铅蓄电池极板轻度硫化的一种排故性充电。

步骤：

（1）将铅蓄电池按20h放电率放电至单格电池电压降至1.75V为止。

（2）倒出电解液，用蒸馏水反复冲洗几次，然后加入蒸馏水至规定的液面高度，用初充电第二阶段充电电流进行充电。

当电解液密度增大到1.15g/cm3时再将电解液倒出，加入蒸馏水，继续充电，反复多次，直至电解液密度不再上升为止。

（3）换用正常密度的电解液，按初充电的方法将蓄电池充足电。

（4）用20h放电率放电，检查容量，若其输出容量可达额定容量的80%以上，则可装车使用，若达不到，应更换蓄电池或进行修理。

小结：

1、蓄电池的充电方法？

2、蓄电池的充电种类？