21 蓄电池的功用结构及工作原理工作特性Word格式.docx
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2-1蓄电池的功用、结构及工作原理、工作特性
第2章蓄电池
2.1蓄电池的分类及功用
2.1.1蓄电池的分类
蓄电池是一种可逆的低压直流电源，它既能将化学能转化为电能，也能将电能转换为化学能。
蓄电池可分为碱性蓄电池和酸性蓄电池两大类。
汽车上一般采用铅酸蓄电池，其主要目的是起动发动机。
车用蓄电池可分为以下4种：
湿荷电蓄电池、干荷电蓄电池、少维护蓄电池和免维护蓄电池。
2.1.2蓄电池的功用
汽车上装有蓄电池与发电机两个直流电源，全车用电设备均与直流电源并联连接，电路如图。
b）外搭铁式a）内搭铁式
蓄电池功用有：
1、发动机起动时，向起动机和点火系统供电；
2、发动机低速运转时，向用电设备和发电机励磁绕组供电；
3、发动机中、高速运转时，将发电机剩余电能转化为化学能储存起来；
4、发电机过载时，协助发电机向用电设备供电；
5、蓄电池相当于一个大电容器，能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件，保持汽车电气系统电压稳定。
2.2铅蓄电池的结构与型号
2.2.1普通铅蓄电池的构造
汽车上广泛采用的蓄电池由于其极板的主要成分是铅、电解液是稀硫酸，所以又称铅酸蓄电池。
汽车上的蓄电池主要用于起动发动机，又称起动型铅酸蓄电池，简称蓄电池，俗称“电瓶”。
目前汽车上采用的蓄电池可以分为普通铅蓄电池、干荷电蓄电池和免维护蓄电池等。
普通铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、外壳、蓄电池盖、极桩等组成，如图2-2所示。
1、极板
极板是蓄电池的核心，在蓄电池充、放电过程中，电能与化学能的转换就是通过正、负极板上的活性物质与电解液中的硫酸进行电化学反应来实现的。
蓄电池极板分正、负极板，由栅架和活性物质组成。
活性物质填充在铅锑合金铸成的栅架上，正极板上的活性物质是褐色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是青灰色海棉状铅（Pb）。
目前，国产蓄电池极板厚度在1.6～2.4mm之间。
由于单片极板上的活性物质数量少，所存储的电量少，为了增大蓄电池的容量，通常将多片正、负极板分别并联，用横板焊接。
安装时，正负极板相互嵌合，中间插入隔板，组成正、负极板组。
同时，横板上涛有极桩，以便连接各个单格电池。
在每个单格电池中，负极板的数量总比正极板多一片。
这是因为正极板在进行电化学反应时比负极板强烈，且正极板上的活性物质比较疏松，为防止正极板放电不均匀造成极板拱曲而使活性物质脱落，因此在制造时使正极板处于负极板之间。
2、隔板
为避免正、负两极板彼此接触而导致短路，正负极板间用绝缘的隔板隔开。
隔板具有多孔性，以利电解液渗透，减小蓄电池内阻。
常用隔板的材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料（聚氯乙烯、酚醛树脂）、玻璃纤维等，隔板厚度为1mm左右。
隔板安装时，带槽的一面应面向正极板，且沟槽必须与外壳底部垂直。
因为正极板在充、放电过程中化学反应剧烈，沟槽既能使电解液上下流通，也能使气泡沿槽上升，还能使脱落的活性物质沿槽下沉。
近年来，出现了袋式的微孔塑料隔板，它将正极板紧紧套在里面，起到了良好的分隔作用，既减小了蓄电池尺寸，又增大了极板面积，使蓄电池容量增大。
3、电解液
电解液的作用是与极板上的活性物质发生电化学反应，进行电能和化学能的相互转换。
由密度为1.84g/cm3的化学纯硫酸和密度为1g/cm3的蒸馏水按一定比例配制而成。
电解液的密度一般为1.23～1.30g／cm3，使用时密度应根据地区、气候条件和制造厂的要求而定，见表2-l。
使用中应注意，电解液的腐蚀性极强，溅到皮肤上或眼睛里会受伤。
如果接触了蓄电池电解液要立即用苏打水冲洗，酸液溅到眼睛里应立即用凉水或医用眼睛冲洗器冲洗，然后进行处置。
适应不同气温的电解液密度表2-1
4、外壳
蓄电池外壳用于盛放电解液和极板组，早期生产的蓄电池大都采用耐酸、耐热、耐震、绝缘性能好的硬橡胶制成，但由于近年来发展的聚丙烯塑料其韧性、强度、耐酸、耐热等方面的性能优于硬橡胶，且制作工艺简单，生产效率高，外形美观、透明、成本低，又便于观察液面高度，因此，现已逐步取代硬橡胶。
一组蓄电池正负极板产生的电动势为2V，为获得6V或12V电动势，蓄电池需要将三组或六组极板串联起来，因此在制造蓄电池外壳时，将整个壳体制成三个或六个互不相通的单格，安装三组或六组极板，形成6V或12V的蓄电池。
为防止极板上的活性物质脱落后造成短路，在每个单格的底部有突起的肋条以搁置极板组。
肋条间的空隙用来积存脱落下来的活性物质。
5、蓄电池盖
蓄电池盖用来封闭蓄电池。
蓄电池盖有硬质橡胶的或聚丙烯塑料压制而成的。
硬质橡胶盖用于每个单格一个电池盖的蓄电池，聚丙烯塑料盖用于整体式蓄电池。
整体式蓄电池盖的结构形式虽多，但一般都只留一对极桩孔和与单格数相等的注液口。
蓄电池盖与外壳配合严密，使各单格完全隔开。
整体式电池盖的可拆修性较差。
6、联条
联条用于连接蓄电池各单格。
传统的联条安装在蓄电池外壳之外，不仅浪费材料、容易损坏，还导致蓄电池自放电，所以这种连接方式正被穿壁式联条所取代。
采用穿壁式联条连接单格电池时，所用联条尺寸很小，并设在蓄电池内部。
7、极桩
蓄电池各单格电池串联后，两端的正负极桩穿出电池盖，用于连接外电路。
正极桩标“＋”号或涂红色，负极桩标“－”号或涂蓝色、绿色等。
蓄电池极桩用铅锑合金浇铸。
8、防护板
通常由一片布满小孔的lmm厚橡胶板或塑料板制成，盖在极板组的上面，保护极板不被碰伤，还能防止落入异物使极板短路。
9、加液孔盖
加液孔盖可以防止电解液溅出和方便加注电解液。
加液孔盖上有通气孔，便于排出蓄电池内因化学反应产生的H2和O2，以免发生事故，如果在孔盖上安装氧过滤器，还可避免水蒸气的溢出，减少水的消耗。
10、封口料
填充在蓄电池盖与外壳之间缝隙里的易熔材料就是封口料。
其作用是密封间隙，防止电解液溢出。
封口料必须耐酸、耐温、耐寒、具有粘性，软化点应高于100℃，在零下60℃时也不开裂。
聚丙烯塑料外壳与整体式盖之间，可以直接加热熔合，不必使用封口料。
2.2.2蓄电池的型号
1、国产蓄电池型号和规格
按JB2599-85《起动型铅蓄电池标准》规定，国产蓄电池的型号共分为3段5部分，其排列及含义如下：
第1部分表示串联的单格电池数，用阿拉伯数字表示。
3表示3个单格，额定电压为6V；
6表示6个单格，额定电压为12V。
第2部分表示蓄电池的类型，用汉语拼音字母表示。
Q表示起动用蓄电池；
M表示摩托车用铅蓄电池；
JC表示舰船用铅蓄电池；
HK表示航空用铅蓄电池。
第3部分表示蓄电池特征，用汉语拼音字母表示（无字为干封普通极板铅蓄电池）。
有两种特征时顺序将两个代号并列标示，各代号含义见表2-2。
铅蓄电池特征代号表2-2
第4部分表示蓄电池的额定容量，我国目前规定采用20h放电率的额定容量，不带容量单位。
第5部分表示蓄电池的特殊性能，用汉语拼音字母表示。
G表示高起动率；
S表示塑料槽；
D表示低温起动性好。
2、进口蓄电池型号和规格
进口蓄电池的型号和规格是蓄电池协会（BIC）和汽车工程师学会（SAE）联合制定的。
进口蓄电池型号和规格见表2-4。
2.2.3蓄电池的选用
蓄电池在先用时必须注意：
1、电压必须和汽车电气系统的额定电压一致。
2、容量必须满足汽车起动的要求。
可根据表2-3和表2-4上所列技术参数进行选择。
2.3铅蓄电池的工作原理及特性
2.3.1铅蓄电池的工作原理
铅蓄电池的工作原理就是化学能和电能的相互转化过程。
铅蓄电池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（H2SO4）的水溶液。
一般认为1882年格拉斯顿和特拉普提出的双极（或双重）硫酸盐化理论（简称双硫化理论）能较确切地说明蓄电池中的电化学反应过程。
该理论认为：
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H2SO4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。
1、电动势的建立
当极板浸入电解液后，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形成了蓄电池的电动势。
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-
其中，溶液中的Pb4+有沉附于正极板的倾向，使正极板呈正电位，同时由于正、负电荷的吸引，极板上Pb4+有与溶液中OH-结合，生成Pb（OH）4的倾向，当两者达到动态平衡时，正极板的电极电位约为+2.0V。
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+，在负极板上留下两个电子2e，使负极板带负电；
另一方面，由于正、负电荷的相互吸引，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。
因此，当外电路未接通，一个充足电的蓄电池，反应达到相对平衡状态时，在静止状态下的电动势Ej:
Ej＝2.0-（-0.1）＝2.1（V）
实际测定的结果是Ej＝2.044V。
2、铅蓄电池的放电
将蓄电池与电路上的负载接通时，在电动势的作用下，电流If从正极经过负载流往负极（电子从蓄电池负极经外电路流向正极），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2-4所示。
图2-4蓄电池的放电过程
如果电路不中断，放电化学反应将不断进行，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H2SO4逐渐减少而水增多，电解液相对密度下降。
总的化学反应式如下：
PbO2＋2H2SO4＋Pb→PbSO4＋2H2O＋PbSO4
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，增加多孔率，提高极板活性物质的利用率是蓄电池工业的发展方向。
3、铅蓄电池的充电
充电时将蓄电池的正负极与直流电源的正负极对应相接，当电源电压高于蓄电池的电动势时，在电源力的作用下，电流从蓄电池正极流入，负极流出（电源驱使电子从蓄电池正极经外电路流向负极）。
这时，正负极板上发生的化学反应与放电过程正好相反，充电时的化学反应过程，如图2-5所示。
图2-5蓄电池的充电过程
由此可见，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H2SO4逐渐增多而水减少，电解液相对密度上升。
PbSO4＋2H2O＋PbSO4→PbO2＋2H2SO4＋Pb
由蓄电池充放电时的化学反应过程，可以得出如下几点结论。
1）蓄电池在放电时，电解液中的硫酸逐渐减少，水逐渐增多，电解液密度下降；
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，电解液密度增加。
因此，可以通过测量电解液密度的方法定性地判断蓄电池充放电程度。
2）在充放电时，电解液密度发生变化，主要是由于正极板的活性物质发生化学反应的结果，因此要求正极板处的电解液流动性要好。
所以在装配蓄电池时，应将隔板有沟槽的一面对着正极板，以便电解液流通。
3）蓄电池放电终了时，极板上尚余有70％～80％的活性物质没有起作用。
因此，要减轻铅蓄电池的质量，提高供电能力，应该充分提高极板活性物质的利用率，在结构上提高极板的多孔性，减少极板的厚度。
2.3.2蓄电池的工作特性
要正确使用蓄电池，必须掌握它的工作特性，即蓄电池的静止电动势、内阻和充放电特性的变化规律。
1、静止电动势和内阻
1）静止电动势
在蓄电池内部工作物质的运动处于静止状态（不充电也不放电）时，蓄电池的电动势称为静止电动势。
静止电动势可用直流电压表或万用表直接测量，静止电动势的大小取决于电解液的密度和温度，在电解液密度为1.050～1.300g/cm3的范围内，蓄电池的静止电动势可用下面的经验公式计算：
Ej＝0.84＋ρ25℃
式中，Ej——蓄电池的静止电动势，单位为V；
ρ25℃——25℃时电解液的密度。
如果测量电解液密度时的电解液温度不是标准温度25℃，则需要进行换算，公式为：
ρ25℃＝ρt＋β（t－25）
式中，ρt——实测的电解液密度；
t——测量时电解液温度，单位为℃；
β——密度温度系数，取β＝0.00075
2）内阻
蓄电池的内阻大小反映了蓄电池带负载的能力。
在相同条件下，内阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。
蓄电池内阻包括极板电阻、隔板电阻、电解液电阻、铅连接条和极桩的电阻等。
在正常的使用中，蓄电池的内阻很小，约为0.0l1Ω。
极板电阻一般很小，并随着极板上活性物质的变化而变化。
隔板电阻主要取决于隔板的材料、厚度及多孔性，在常用的隔板中，微孔塑料隔板的电阻较小。
电解液的电阻与电解液的温度和密度有关。
总之，铅蓄电池的内阻是很小的，如美国标准SAEJ546明确规定，12V蓄电池在标准负荷时的内阻为0.014Ω。
因此，铅蓄电池可以获得较大的输出电流，以适应起动需要。
完全充足电的蓄电池在温度为20℃时的内阻R0可按下述经验公式计算：
式中：
Ue——蓄电池额定电压，V；
C20——蓄电池额定容量，Ah。
R0＝
2、蓄电池的放电特性
蓄电池的放电特性是指恒流放电时，蓄电池端电压Uf、电动势E和电解液密度ρ25℃、随放电时间变化的规律。
完全充足电的蓄电池以20h放电率恒流放电的特性曲线如图2-6所示。
图2-6蓄电池的放电特性
第一阶段是开始放电阶段（2.11～2.0V）。
这时，蓄电池端电压Uf从2.11V迅速下降，这是由于放电之初极板孔隙内的H2SO4迅速消耗，密度迅速下降的缘故。
第二阶段是相对稳定阶段（2.0～1.85V）。
这一阶段，极板孔隙外的电解液向极板孔隙内渗透速度加快，当渗透速度与化学反应速度达到相对平衡时，极板孔隙内的电解液密度的变化速率趋于一致，端电压将随整个容器内的电解液密度降低而缓慢下降到1.85V。
第三阶段是迅速下降阶段（1.85～1.75V）。
这时由于放电接近终了时，化学反应渗入到极板内层，而放电时生成的硫酸铅较原来的活性物质的体积大（是PbO2的1.86倍，Pb的2.68倍），硫酸铅聚集在极板孔隙内，缩小了孔隙的截面积，使电解液渗入困难，因而极板孔隙内消耗的硫酸难以补充，孔隙内的电解液密度便迅速下降，端电压也随之急剧下降。
第四阶段是过度放电阶段（＜1.75V）。
蓄电池单格的端电压下降至一定值时（20h放电率降至1.75V），再继续放电即为过度放电。
过度放电对蓄电池十分有害，易使极板损坏。
此时如果切断电源，让蓄电池“休息”一下，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，蓄电池的端电压将会有所回升。
由此可见，蓄电池放电终了的特征是：
（1）单格电压放电至终止电压（以20h放电率放电，单格电压降至1.75V）。
（2）电解液密度降至最小许可值（约1.11g／cm3）。
蓄电池允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。
3、蓄电池的充电特性
蓄电池的充电特性是指恒流充电时，蓄电池充电电压UC、电动势E及电解液密度ρ25℃等随充电时间变化的规律。
蓄电池以20h充电率恒电流充电时的特性曲线如图2-7。
由于采用恒（定电）流充电，单位时间内生成的硫酸量相同。
所以，电解液的密度ρ25℃呈直线上升，静止电动势也随之上升。
图2-7蓄电池的充电特性
从充电特性曲线可看出，蓄电池单格端电压的变化规律也可分为四个阶段：
一阶段是开始充电阶段（2.0～2.11V）。
开始接通充电电源时，极板孔隙内表层迅速生成硫酸，使孔隙中电解液的密度增大，因此，蓄电池单格端电压迅速上升。
第二阶段是稳定上升阶段（2．11～2．3V）。
蓄电池单格端电压上升到2.1V以后，孔隙内硫酸向外扩散，继续充电至孔隙内产生硫酸的速度和渗透的速度达到平衡时，蓄电池的端电压就不再上升，而是随着整个容器内电解液密度的上升而相应提高。
第三阶段是迅速上升阶段（2.3～2.7V）。
蓄电池单格电压达到2.3～2.4V时，极板外层的活性物质基本都恢复为PbO2和Pb了，继续通电，则使电解液中的水电解，产生H2和O2，以气泡形式出现，形成“沸腾”现象。
由于产生的H2以离子状态H+集结在溶液中负极板处，来不及立即全部变成气泡放出，使得溶液与极板之间产生约0.33V的附加电压，因而使得蓄电池单格端电压U上升至2.7V左右。
四阶段是过充电阶段（≥2.7V）。
蓄电池单格端电压U上升至2.7V时应切断电源，停止充电，否则将会造成“过充电”。
长时间过充电易加速极板活性物质的脱落，使极板过早损坏，因此必须避免。
在实际使用中，为保证将蓄电池充足电，往往在出现“沸腾”之后，再继续充电2～3h，注意测量端电压和电解液密度，如果不再增加，才停止充电。
充电停止后由于充电电流为零，端电压迅速回落，极板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋于平衡，因而蓄电池端电压又降至2.11V左右。
可见，蓄电池在充电终了时（充足电）有如下特征：
（l）蓄电池内产生大量气泡，即出现“沸腾”现象。
（2）端电压上升至最大值，且2h内不再增加。
（3）电解液密度上升至最大值，且2～3h内不再增加。
2.3.3蓄电池容量及其影响因素
1、蓄电池的容量
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提供的电量，用C表示。
蓄电池的容量是衡量蓄电池对外放电能力、质量优劣、以及选用蓄电池的最重要指标。
蓄电池的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
C——蓄电池容量，Ah；
Ｉｆ——放电电流，A；
ｔf——放电持续时间，ｈ。
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GB5008.1-91《起动用铅酸蓄电池技术要求和试验方法》规定以20h放电率额定容量，作为起动型蓄电池的额定容量。
1）20h放电率额定容量
20h放电率额定容量是指完全充电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以20h放电率的电流连续放电到6V蓄电池端电压降到5.25V±
0.02V；
12V蓄电池端电压降到10.50V±
0.05V时所输出的电量。
用C20表示。
例如，6-Q-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20h率额定容量则为：
C＝5.25×
20h＝105Ah。
2）储备容量
由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GB5008.1-1991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℃±
2℃时，以25A电流放电至6V蓄电池端电压达5.25V±
12V蓄电池端电压达10.50V±
0.05V时，放电所持续的时间，用Cｍ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。
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。
起动容量有两种规定：
常温起动容量和低温起动容量。
（1）常温起动容量
常温起动容量为电解液初始温度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，6-Q-100型蓄电池，其C20＝100Ah，在电解液初始温度为25℃时，以3C20＝3×
100＝300A的电流放电5min，单格电池电压下降至1.5V，其起动容量为（300×
5/60）Ah＝25Ah。
（2）低温起动容量
低温起动容量为电解液初始温度为-18℃时，以5min放电率的电流放电，放电2.5min至单格电池电压下降至1V时所输出的电量。
2、影响蓄电池容量的因素
蓄电池的容量不是一个固定不变的常数，而与很多因素有关，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
（1）极板上活性物质的数量
（2）极板的厚度
（3）活性物质的孔率
（4）活性物质的真实表面积
（5）极板中心距
2）使用条件对蓄电池容量的影响
（1）放电电流的影响
（2）电解液温度的影响
（3）电解液密度的影响
课堂小结
巩固练习
作业布置
2、课后作业：
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