3-蓄电池的工作原理与特性
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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。
放电电流/A 0.05C
20
0.1C
20
0.25C
20
1C
20
3C
20
连续
放电时间
20h 10h 3h 30min 5min
单格
电池终止
电压/V
1.75 1.70 1.65 1.55 1.50
)
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。