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第 1 章 蓄 电 池

第 1 章 蓄 电 池. §1 概 述 §2 蓄电池的构造与型号 §3 蓄电池的工作原理与工作特性 §4 蓄电池的容量 §5 蓄电池的充电 §6 蓄电池的故障及排除 §7 蓄电池的使用与维护 §8 新型蓄电池. §1 概 述. 蓄电池：一种 可逆的 直流电源 （即放电后经过充电能复原续用），提供和存储电能的电化学装置 一、基本原理： 蓄电池的电能是由浸在电解液中两种不同极板之间发生化学反应产生的。 蓄电池放电（流出电流） --- 化学能 电能（释放能量）

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第 1 章 蓄 电 池

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  1. 第1章 蓄 电 池 • §1 概 述 • §2 蓄电池的构造与型号 • §3 蓄电池的工作原理与工作特性 • §4 蓄电池的容量 • §5 蓄电池的充电 • §6 蓄电池的故障及排除 • §7 蓄电池的使用与维护 • §8 新型蓄电池

  2. §1 概 述 蓄电池：一种可逆的直流电源（即放电后经过充电能复原续用），提供和存储电能的电化学装置 • 一、基本原理： • 蓄电池的电能是由浸在电解液中两种不同极板之间发生化学反应产生的。 • 蓄电池放电（流出电流）---化学能 电能（释放能量） • 蓄电池充电（充入电流）----电能 化学能（储存能量） • 二、主要用途： • 三、种类 返回本章首页

  3. 蓄电池的作用 蓄电池的作用：与发电机并联向用电设备供电。 • 在发动机起动时，向起动机和点火系统等供电。 • 在发电机不发电或电压较低的情况下向用电设备供电。 • 当发电机超载时，协助发电机供电 • 蓄电池存电不足，而发电机负载又较少时，它可将发电机的电能转变为化学能储存起来(即充电)。 • 蓄电池相当于一个大容量电容器（起到了稳定整车系统电压的作用）

  4. 蓄电池的种类 起动型（在短时间内能提供大电流，汽车用） 其他 根据用途 根据电解液的不同 铅酸蓄电池（以下简称铅蓄电池）：结构简单，起动性能好，价格低廉，广泛用于汽车上。 酸性蓄电池（铅酸蓄电池） 碱性蓄电池（镍碱蓄电池）

  5. 加液孔 连条 正极柱 负极柱 电极衬套 护板 外壳 隔板 肋条 负极板 §2 铅蓄电池的构造与型号 一、铅蓄电池的构造 • 汽车蓄电池是由3—6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 正极板

  6. 极 板 • 极板：是蓄电池的核心部件，是带有栅格结构的铅栅格板。 • 极板分正极板和负极板两种。正极板上的活性物质是二氧化铅，呈棕红色；负极板上的活性物质是海绵状纯铅，呈青灰色。 • 极板组：

  7. 极 板 组 • 极板组的作用：接受充入的电能和向外释放电能。 • 极板组的结构特点（见图） • 1、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。 • 2、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。 • 3、单格电池中负极板的数目比正极板多一块。

  8. 极板组图 1－极板组总成 2－负极板 3－隔板 4－正极板 5－极板联条

  9. 单格蓄电池 • 不管单格蓄电池含有几块正极板和负极板，每个单格蓄电池均只能提供2.1V的电压。极板的数量越多，蓄电池能提供2.1V电压的时间越长。 • 以一个单格电池的正极边连接另一单格电池的负极边的方式依次连接（用连条），最后留出一组正负极作为蓄电池的正负极，这样，把若干个单格电池串联起来后即构成汽车蓄电池。（见图） • 现代汽车蓄电池一般由6个单格蓄电池串联而成（12V）

  10. 蓄电池图 正极柱 负极柱 加液孔 连条 电极衬套 外壳 护板 隔板 正极板 肋条 负极板 正极板

  11. 隔 板 • 隔板的作用： • 为减少尺寸、降低内阻，正负极板应该尽量靠近， • 但为了避免相互接触而短路，正负极板之间用绝缘的隔板隔开。 • 结构特点： • 多孔性材料，化学性能稳定，有良好的耐酸性和抗氧化性。 • 为厚度小于1mm的长方形板，长、宽略大于极板，一面有特制的沟槽， • 安装时将沟槽面竖直朝向正极板。

  12. 电解液 • 说明： • 由密度为1.84g/cm3的纯硫酸加水制成。 • 密度一般在1.24g/cm3------1.31g/cm3。 • 纯度是影响蓄电池性能和使用寿命的重要因素。

  13. 外壳 • 蓄电池外壳为一整体式结构的容器，极板、隔板和电解液均装入外壳内，硫酸液面应高出极板组15mm左右。 • 蓄电池电压一般有6V和12V两种规格，因此，外壳内由间壁分成3个和6个互不相通的单格。底部有突起的肋条以搁置极板组。 • 外壳应耐酸、耐热、耐寒、抗震动。

  14. 联条（外露式） • 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

  15. 联条（穿壁式）

  16. 极板类型 • 单格数 蓄电池 类 型 蓄电池 特征 额定 容量 特殊 性能 二、蓄电池的型号 • 蓄电池的型号 • 例如：3-Q-90 6-QA-105G 表示：由3个单格组成，额定容量为90A.h，起动型铅蓄电池。 表示：由6个单格组成，额定容量为105A.h，A:干式荷电极板，起动型铅蓄电池。 G：高起动功率。

  17. §3 蓄电池的工作原理及特性 一、蓄电池的基本工作原理 二、蓄电池电动势的建立 三、蓄电池的放电过程 四、蓄电池的充电过程 五、蓄电池的工作特性 返回本章首页

  18. 一、蓄电池的基本工作原理 • 蓄电池的基本工作原理----化学反应 PbO2 +Pb+2H2SO4 2PbSO4+2H2O • 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 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。 放电 充电

  19. 二、蓄电池电动势的建立 蓄电池电动势的建立： • 蓄电池的正负极板浸入电解液中后，由于少量的活性物质溶解于电解质溶液，产生电极电位。 • 由于正、负极板电极电位的不同而形成蓄电池的电动势。 • 结论：蓄电池的电动势（静止电动势）大约为2伏。 • 分析：

  20. 蓄电池电动势的建立2 • 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。 • 正极板处： PbO2 +2 H2OPb(OH)4 Pb(OH)4 Pb4++4OH- • 当两者达到动平衡时，正极板的电位约为+2V。 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+

  21. 蓄电池电动势的建立3 • 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 PbPb2+ 电解液中（极板带负电） Pb2+有沉附于极板表面的倾向（正负电荷相吸） Pb

  22. 2e 2H2SO4 充电 状态 Pb PbO2 Pb2++2e 溶解 电离 Pb4++ SO42- +SO42- +2 H2O 输出 电流 Pb2+ 2e PbSO4 放电后生成物 2 H2O PbSO4 正极板 电解液 负极板 三、蓄电池的放电过程 说明

  23. 蓄电池的放电过程说明 • 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++ 2e Pb2+ 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。

  24. 四、蓄电池的充电过程 充电电源 2e 放电 状态 2 H2O PbSO4 PbSO4 溶解 电离 Pb2++ SO42- SO42- +Pb2+ 2e 2e Pb4+ 输入 电流 2 H2O 充电后生成物 Pb PbO2 2H2SO4 正极板 电解液 负极板 说明

  25. 蓄电池的充电过程说明 • 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： PbSO4 Pb2++ SO42- Pb2+- 2e Pb4+ Pb2++ 2SO42- PbSO4 PbSO4+2H2O PbO2 +2H2SO4 • 负极板处： PbSO4 Pb2++ SO42- Pb2+ + 2e Pb SO42-+2H+ H2SO4

  26. 蓄电池的工作过程结论1 • 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PbO2 PbSO4 负极板上 Pb PbSO4 电解液PbSO4 H2O • 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

  27. 蓄电池的工作过程结论2 • 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，正负极板上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。

  28. 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。 • 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

  29. 蓄电池的工作特性1 • 1、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

  30. 蓄电池的工作特性2 • 2、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。

  31. 3、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。

  32. 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。

  33. 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。

  34. 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，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。

  35. 4、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，以一定的电流人向一只完全放电的蓄电地进行充电。 • 保持充电电流入不变，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。 端电压

  36. 蓄电池的充电特性说明1 • 端电压变化情况： （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，端电压迅速上升。 （2）稳定上升阶段 • 端电压缓慢上升至2.4V左右。 • 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。

  37. 蓄电池的充电特性说明2 （3）充电末期 • 电压迅速上升到2.7V左右，且稳定不变，电解液呈沸腾状态。 • 活性物质还原反应结束后的充电称为过充电，充电电流用于电解水，应避免长时间过充电。 • 电解液密度的变化： 密度直线上升 • 蓄电池充电终了的特征

  38. 蓄电池的充满电的特征 • 端电压上升到最大值2.7V，并在2h--3h内不再增加。 • 电解液相对密度上升到最大值1.27g/cm • 蓄电池内产生大量气泡。即电解液产生“沸腾”现象。

  39. §4 蓄电池的容量及其影响因素 • 一、蓄电池的容量 • 二、容量的类型 • 三、影响容量的因素 返回本章首页

  40. 一、蓄电池容量 • 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放出的电量，用“C”表示。 • 蓄电池的容量是标志蓄电池对外放电能力、衡量蓄电池质量的优劣以及选用蓄电池的最重要指标。 • 蓄电池的容量采用Ah(安时)来计量。即容量等于放电电流与持续放电时间的乘积。

  41. 二、蓄电池的几种标称容量 • 额定容量 • 起动容量

  42. 额定容量 • 20h率额定容量 • 国标GB5008.1-91《启动用铅蓄电池技术条件》规定： • 将充电的新蓄电池在电解液温度为25±5°C条件下，以20h率的放电电流(即额定容量的0.05倍)连续放至单格电池平均电压降到1.75V时，输出的电量称为额定容量。 • 实际测量蓄电池容量超过20小时为合格 • 例：3-Q-90型蓄电池以4.5A（0.05C20＝0.05×90＝4.5A）的电流连续放电至单池平均电压降到1.75V时，若放电时间大于等于20h，则其容量C＝If·tf≥90A·h，达到了额定容量，为合格产品；若放电时间小于20h，则其容量低于额定容量，为不合格产品。

  43. 起动容量 • 起动容量表征了铅蓄电池在发动机起动时的供电能力，是检验蓄电池质量的重要指标之一。起动容量受温度影响很大，故又分为低温起动容量和常温起动容量两种。 （1）低温起动容量：电解液在－18℃时，以3倍额定容量的电流持续放电至单格电压下降至1V时所放出的电量。持续时间应在2.5min以上。 （2）常温起动容量：电解液在30℃时，以5min放电率电流(3倍额定容量的电流)持续放电至单格电压下降至1.5V时所放出的电量。持续时间应在5min以上。

  44. 起动容量举例 • 3-Q-90型蓄电池在30℃以270A的电流放电5min，蓄电池的端电压降到4.5V，其起动容量为：270×（5/60）=22.5 • 说明：起动容量在数值上小于额定容量； 低温起动容量小于常温起动容量。

  45. 三、影响蓄电池容量的因素 • 极板的构造对容量的影响 • 放电电流对容量的影响 • 电解液温度对容量的影响 • 电解液密度对容量的影响

  46. 1．极板构造因素对容量的影响 • 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，容量就越大。 • 同性极板中心距越小，蓄电池内阻越小，容量越大。

  47. 放电电流对容量的影响 汽车起动机工作时，蓄电池属于大电流放电， 蓄电池在不同电流下的放电特性

  48. 蓄电池在不同电流下的放电特性 如：额定容量为135A.h，若以5min放电率（即3倍额定容量的大电流）放电，到单格电压降到1.5V时，只能维持放电5min，则此时输出的电量（即实际容量）： 405（A）×（5/60）=33.7A.h

  49. 电解液温度对容量的影响 • 温度↓粘度↑渗入极板困难，活性物质利用率↓→C↓； • 同时，粘度↑内阻↑内压降↑端电压↓→C↓

  50. 电解液密度对容量的影响 • 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。冬季使用的电解液，在不使其结冰的前提下，尽可能采用稍低的电解液密度。 • 1.12-1.30g/cm3

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