3-蓄电池的工作原理与特性

蓄电池的工作原理与特性

一、蓄电池的基本工作原理

铅酸蓄电池在充、放电过程中的化学反应是可逆的，其电化学反应方程式可简化为：

铅酸蓄电池充、放电反应原理如图2-21所示。当接通外电路负载蓄电池放电时，正极板上的PbO2和负极板的Pb 都变成了PbSO4，电解液中的硫酸减少，水增多，电解液密度下降。

在蓄电池处于过充电时，会引起水的电解。其反应式为：

二、蓄电池的工作特性

1.静止电动势

蓄电池处于静止状态（不充电也不放电）时，正、负极板间的电位差（即开路电压）称为静止电动势。

1.静止电动势及基本电特性

(1)静止电动势E j：蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差称为静止电动势。

(2)开路电压：理论上，开路状态下的端电压并不等于蓄电池的电动势。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

1)当温度为25℃时：

E s=0.84+ρ25℃（V）

式中：E s—静止电动势(V)

0.84—温度换算系数

ρ25℃-- 25℃时的电解液密度(g/cm3)

汽车用蓄电池的电解液密度一般在 1.12-1.30g/cm3之间，因此E S=1.97～2.15（V）

2)当温度不为25℃时，密度修正为：

ρ25℃=ρ+β(t-25)

式中：ρ—实测密度(g/cm3)

β—密度的温度换算系数。数值为0.00075g/cm3.含义为：电解液温升1℃，密度下降0.00075g/cm3.

t—实测温度(℃)

(3)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。

1)开路电压：在发电机未正常工作时测量的蓄电池端电压为开路电压。一般为12V。

2)充电电压：在发电机正常工作时测量的蓄电池端电压为充电电压。一般为14V。

3)放电电压：起动发动机时测量的蓄电池端电压为放电电压。约为8-11V。实际测量时采用高率放电计模拟起动状态。

2.内阻

电流流过铅酸蓄电池时所受到的阻力称为铅酸蓄电池的内阻。铅酸蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液和联条的电阻。在正常状态下，铅酸蓄电池的内阻很小，所以能够供给几百安培甚至上千安培的起动电流。

电解液的电阻与其密度和温度有关。如6－Q－75型铅酸蓄电池在温度为+40℃时的内阻为0.01Ω，而在－20℃时内阻为0.019Ω，可见，内阻随温度降低而增大。

电解液电阻与密度的关系如图2-22所示。由图可见，

电解液密度为1.20g

／cm3（15℃）时其

电阻最小。同时，在

该密度下，电解液的

粘度也比较小。密度

过高、过低时，电解

液的电阻都会增大。

因此，适当采用低密度电解液和提高电解液温度（如冬季对电池采取保温措施），对降低蓄电池内阻、提高起动性能十分有利。

2、蓄电池的内阻

(1)组成

电解液电阻、极板电阻、隔板电阻、联条与极柱接触电阻等。

(2)影响因素

1)放电程度

放电程度越高，PbSO4越多，极板电阻越大。

2)隔板电阻与材料

木质隔板多孔性差，其电阻比橡胶和塑料隔板电阻大。

3)联条电阻与联条形式：传统的外露式联条比内部穿壁式、跨越式联条电阻大。

4)电解液密度：电解液密度一般为1.2g/cm3时，电阻最小，过低（H+和SO42-少）或过高（粘度大）内阻均增加。

5)电液温度：温度低，粘度大，电解液电阻大。

(3)结论：铅酸蓄电池内阻一般很小，故可提供大电流，适于作起动电源。

3.放电特性

铅酸蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，铅酸蓄电池的端电压和电解液密度随放电时间而变化的规律。

（单格电池电压变化规律

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。

3）迅速下降阶段

端电压由1.85V迅速下降至1.75V，电解液密度达最小值ρ15℃=1.11g/cm3。

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。

4）蓄电池放电终了的特征

①终止电压：允许的放电终止电压与放电电流大小有关，放电电流越大，则放电时间越短，允许的放电终止电压越低。

②电解液密度ρ15℃=1.11g/cm3。

）

图2-23所示为6－QA－60型干荷电蓄电池以3A电流放电时的特性曲线图。

放电终了的特征：

①单格电池电压下降到放电终止电压（以20h放电率放电时终止电压为1.75Ⅴ）。

②电解液密度下降到最小允许值1.10～1.12g／cm3。

4.充电特性

铅酸蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，铅酸蓄电池的端电压和电解液密度随充电时间而变化的规律。图2-24所示为6—QA－60型干荷电蓄电池以3A电流充电时的特性曲线图。

（(1)概念：

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。

注意：充电电源必须采用直流电源，以一定的电流强度向一只完全放电的蓄电地进行充电。

单格电池电压变化规律：

1）充电开始阶段：

端电压迅速上升到2.1V。

说明：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：

端电压缓慢上升至2.4V左右，并开始产生气泡。

说明：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。

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。过充电电流主要用于电解水，应避免长时间过充电。切断电源后，单格电压迅速降至2.11V。

4)蓄电池充足电的标志

①端电压上升到最大值2.7V，并在2h-3h内不再增加。

②电解液相对密度上升到最大值1.27g/cm并在2h-3h 内不再增加。

③蓄电池内产生大量气泡，停充1h后再接通充电电源时，蓄电池电解液会立刻沸腾。）

充电终了的特征：

①蓄电池端电压和电解液密度上升到最大值且2～3h内不再上升。

②蓄电池电解液中产生大量气泡，呈现“沸腾”状态。