第二節(jié) 蓄電池工作原理
    蓄電池的工作過程就是化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換過程。放電時(shí)，蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能供用電設(shè)備使用；充電時(shí)，蓄電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)備用。
    蓄電池的單格電池是由浸漬在電解液中的正極板和負(fù)極板組成，電解液是硫酸水溶液。在蓄電池充放電過程中，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。自1859年法國(guó)科學(xué)家加斯頓·普萊特發(fā)明鉛酸蓄電池以來(lái)，關(guān)于蓄電池化學(xué)反應(yīng)過程有各種不同的理論，一般認(rèn)為格拉斯頓和特拉普于1882年創(chuàng)立的雙極硫酸鹽化理論（簡(jiǎn)稱雙硫化理論）能較確切地說(shuō)明蓄電池的化學(xué)反應(yīng)過程。
    根據(jù)雙硫化理論，鉛蓄電池正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（Pb02），負(fù)極板上是海綿狀鉛（Pb），電解液是硫酸水溶液（H2SO4）。當(dāng)蓄電池和負(fù)載接通放電時(shí)，正極板上的二氧化鉛和負(fù)極板上的鉛都將轉(zhuǎn)變成硫酸鉛（PbS04），電解液中的硫酸減少、相對(duì)密度下降。當(dāng)蓄電池接通直流電源充電時(shí)，正、負(fù)極板上的硫酸鉛又將分別恢復(fù)成原來(lái)的二氧化鉛和純鉛，電解液中麗硫酸增加，相對(duì)密度增大。如果略去化學(xué)反應(yīng)的中間過程，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

    一、放電過程
    將蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程稱為放電過程，如圖3-9（a）所示。

    當(dāng)放電尚未開始時(shí)，正極板是二氧化鉛，負(fù)極板是純鉛，電解液是硫酸溶液。于正、負(fù)兩極不同物質(zhì)與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使正極板具有正電位，約為2.0V；極板具有負(fù)電位，約為（－0.1） v。正、負(fù)兩極間的電動(dòng)勢(shì)E為
                              E=2.0－（－0.1）=2.1（V）
    當(dāng)放電電路接通時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流便從正極流出，經(jīng)過燈絲流回負(fù)極。電流流過燈絲會(huì)使燈絲發(fā)熱，當(dāng)電流足夠大時(shí)，會(huì)使燈絲熾熱而使燈泡發(fā)出亮光。
    在放電過程中，由于正極板上的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極板上的活性物質(zhì)純鉛不斷與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此二氧化鉛和純鉛逐漸轉(zhuǎn)變成硫酸鉛，正極電位逐漸降低，負(fù)極電位逐漸升高，使正負(fù)極間的電位差逐漸降低；電解液中的硫酸成分逐漸減少、水分逐漸增多，使電解液密度逐漸減小。當(dāng)電位差降低時(shí)，流過燈絲的電流就會(huì)減小，燈絲發(fā)熱量相應(yīng)減少，燈泡亮度變?nèi)酰�直到不能發(fā)光為止，如圖3-9（b）所示。
    理論上，放電過程將進(jìn)行到正負(fù)極板上的活性物質(zhì)全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U為止。實(shí)際上，由于電解液不能滲透到活性物質(zhì)最內(nèi)層，因此所謂完全放電事實(shí)上只有20%～30%的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U。要提高活性物質(zhì)的利用率，就必須增大活性物質(zhì)與電解液之間的反應(yīng)面積。目前，常用措施有采用薄型極板和增大活性物質(zhì)的孔率。
    二、充電過程
    將電能轉(zhuǎn)換成蓄電池化學(xué)能的過程稱為充電過程。充電時(shí)，蓄電池應(yīng)接直流電源，電池正極接電源正極，電池負(fù)極接電源負(fù)極，如圖3-9（c）所示。
    將完全放電的蓄電池與直流電源接通時(shí)，電流就會(huì)按與放電時(shí)相反的方向流過蓄電池。此時(shí)蓄電池內(nèi)部將發(fā)生與放電過程相反的化學(xué)反應(yīng)，正、負(fù)極板上的硫酸鉛將分別還原為二氧化鉛和純鉛，電解液中硫酸成分逐漸增多而水分逐漸減少，電解液密度逐漸增大。
    在充電過程中，上述化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，充電一直進(jìn)行到極板上的活性物質(zhì)完全恢復(fù)到放電前的狀態(tài)為止。
    在充電末期，電解液相對(duì)密度將升高到最大值，充電電流將用于電解水，所以在電解液中將產(chǎn)生大量氣泡。
    蓄電池充電終了的特征是：
   （1）蓄電池內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，即出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。
（2）蓄電池端電壓和電解液相對(duì)密度均上升至最大值，且在2～3h內(nèi)不再增加。

    第三節(jié) 蓄電池工作參數(shù)
    蓄電池的主要工作參數(shù)有電解液的相對(duì)密度、電動(dòng)勢(shì)、端電壓、電流、內(nèi)阻、容量等。
    一、相對(duì)密度
電解液的相對(duì)密度是指電解液中硫酸成分所占的比例。實(shí)測(cè)密度應(yīng)按下式換算成25℃時(shí)的相對(duì)密度P25℃：

式中Ρt----實(shí)測(cè)電解液密度，g/cm3 ；
      T----實(shí)測(cè)電解液溫度，℃；
β----密度溫度系數(shù)（β=0.0007），即溫度每升高1℃ ，密度將降低0.0007g/cm3。

    二、靜止電動(dòng)
  蓄電池處于靜止?fàn)顟B(tài)（不充電也不放電）時(shí)，正、負(fù)極板之間的電位差（即開路電壓）稱為靜止電動(dòng)勢(shì)。靜止電動(dòng)勢(shì)的高低與電解液的相對(duì)密度和溫度有關(guān)，在密度為1.05～1.30g/cm，范圍內(nèi)，靜止電動(dòng)勢(shì)ES可用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，

  汽車用蓄電池電解液的密度在充電時(shí)增大，放電時(shí)減小，一般在1.12～1.30g/cm3變化，因此其靜止電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)地在1.97～2.15V變化。

    三、內(nèi)阻
    電流流過蓄電池時(shí)所受到的阻力稱為蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池的內(nèi)阻包括極板電阻、隔板電阻、電解液電阻、聯(lián)條電阻和極柱電阻。在正常狀態(tài)下，蓄電池的內(nèi)阻很小，39所以能夠供給幾百安培甚至上千安培的起動(dòng)電流。
    極板電阻很小，且隨極板上活性物質(zhì)的變化而變化。充電時(shí)電阻變小，放電時(shí)電阻變大，特別是在放電終了時(shí)，由于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為導(dǎo)電性能較差的硫酸鉛，因此電阻大太增加。
    隔板電阻與材料有關(guān)。木質(zhì)隔板多孔性差，所以電阻比微孔橡膠和塑料隔板的電阻大。此外，隔板越薄，電阻越小。

    電解液的電阻與其溫度和密度有關(guān)。如6-Q-75型蓄電池在溫度為40℃時(shí)的內(nèi)阻為0.010Ω，而在-20℃時(shí)，內(nèi)阻則為0.019Ω，可見內(nèi)阻隨溫度降低而增大。
    電解液電阻與密度的關(guān)系如圖3-10所示。由圖可見，電解液相對(duì)密度為1.20時(shí)，硫酸的離解度最好，黏度較小，所以電阻最小。

    四、容量
    1．容量概念
    蓄電池的容量是指在規(guī)定的放電條件（放電電流、放電溫度和終止電壓）下，蓄電池能夠輸出的電量，用C表示。
當(dāng)恒流放電時(shí)，蓄電池的容量等于放電電流與放電時(shí)間之積，即

      式中C----蓄電池容量，Ah；
        If----放電電流A；
        Tf----放電持續(xù)時(shí)間，h。

    蓄電池容量是反映蓄電池對(duì)外供電能力、衡量蓄電池質(zhì)量?jī)?yōu)劣以及選用蓄電池的重要指標(biāo)。容量越大，可提供的電能越多，供電能力也就越大；反之，容量越小，則供電能力就越小。
    蓄電池的容量與放電電流、電解液溫度、放電終止電壓和放電持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此，蓄電池出廠時(shí)規(guī)定的額定容量是在一定的電解液溫度、一定的放電電流和一定的終止電壓下測(cè)得的。GB 5008.1-2005《起動(dòng)用鉛酸蓄電池技術(shù)條件》規(guī)定，以20h放電率額定容量作為起動(dòng)型蓄電池的額定容量。
     2．額定容量
     蓄電池的20h率額定容量是指完全充足電的蓄電池，在電解液溫度為25℃±5℃條件下，以20h率的放電電流（即0.05C20安培電流）連續(xù)放電至12V蓄電池的端電壓降到10.5V±0.05V時(shí)輸出的電量，角C20表示，單位為Ah。

      額定容量是檢驗(yàn)蓄電池質(zhì)量的重要指標(biāo)。新蓄電池必須達(dá)到該指標(biāo)，否則就為不合格產(chǎn)品。例如：對(duì)新產(chǎn)6-QA-105型蓄電池以5.25A電流連續(xù)放電至電壓降到10. 5V±0.05V時(shí)，若放電時(shí)間大于或等于20h，則其容量為C=Iftf≥105Ah，達(dá)到或超過了額定容量105Ah，因此該蓄電池為合格產(chǎn)品；若放電時(shí)間小于20h，則其容量為C=Iftf<105Ah，低于額定容量值105Ah，因此該蓄電池為不合格產(chǎn)品。

    3．儲(chǔ)備容量
    國(guó)際蓄電池協(xié)會(huì)和美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）規(guī)定：蓄電池容量用儲(chǔ)備容量表示， GB 5008.1-2005對(duì)儲(chǔ)備容量的定義和試驗(yàn)方法也有明確規(guī)定。
    蓄電池的額定儲(chǔ)備容量是指完全充足電的蓄電池，在電解液溫度為25℃±5℃條件下，以25A電流連續(xù)放電至12V蓄電池電壓降到10.5V±0.05V時(shí)，放電所持續(xù)的時(shí)間，用CM表示，單位為min。
    儲(chǔ)備容量表達(dá)了在汽車充電系統(tǒng)失效的情況下，蓄電池能為照明和點(diǎn)火系統(tǒng)等用電設(shè)備提供25A恒流的能力。例如，北京切諾基吉普車58-475型蓄電池的額定儲(chǔ)備容量為82min； 6-QA-60型蓄電池的額定儲(chǔ)備容量為94min。

    第四節(jié) 影響蓄電池容量因素
    蓄電池容量并不是一個(gè)固定不變的常數(shù)，而與很多因素有關(guān)，歸納起來(lái)分為兩類：一類與生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)，如活性物質(zhì)的數(shù)量、極板的厚薄、活性物質(zhì)的孔率等；另一類是使用條件，如放電電流、電解液溫度和電解液相對(duì)密度等。

    一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素對(duì)蓄電池容量影響
    1．極板上活性物質(zhì)數(shù)量
    從理論上講，活性物質(zhì)越多，則容量越大。要得到1Ah的電量，負(fù)極板上要有3.866g鉛，正極板上要有4.463g二氧化鉛，電解液中要有3.66g硫酸。實(shí)際上，正負(fù)極板上只有55%～60％的活性物質(zhì)參加反應(yīng)。
    當(dāng)活性物質(zhì)的數(shù)量確定后，其他因素對(duì)容量的影響就是對(duì)活性物質(zhì)利用率的影響了。極板面積越大，片數(shù)越多，則同時(shí)與硫酸起化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)就越多，容量就越大。國(guó)產(chǎn)蓄電池極板面積基本統(tǒng)一，每對(duì)極板面的容量為7.5Ah。
    2．極板厚度
    極板越厚，電解液向極板深處擴(kuò)散就越困難，活性物質(zhì)越不容易參與反應(yīng)。因此，減小極板厚度可以提高活性物質(zhì)的利用率。例如，采用厚度為1.7mm的薄型極板，蓄電池在相同體積的情況下，容量可以提高40％左右。
    3．活性物質(zhì)孔率
    孔率是指活性物質(zhì)孔隙的多少，孔率越大，硫酸溶液擴(kuò)散滲透越容易，容量就可相應(yīng)提高。但孔率過大時(shí)，活性物質(zhì)的數(shù)量就會(huì)減少，容量反而會(huì)下降。
    4．活性物質(zhì)真實(shí)表面積
    活性物質(zhì)的真實(shí)表面積包括活性物質(zhì)與電解液直接接觸的表面積和細(xì)孔內(nèi)的表面積。極板的真實(shí)表面積要比極板的幾何尺寸計(jì)算面積大幾百倍。真實(shí)表面積大，擴(kuò)散面積和反應(yīng)面積都會(huì)增加，容量就可相應(yīng)提高。
    5．極板中心距
    極板中心距小，可以減小蓄電池的內(nèi)電阻。因此，在保證有足夠硫酸量的前提下，縮小極板中心距可以提高蓄電池的容量。

    二、使用條件對(duì)蓄電池容量的影響
    1．放電電流影響
    蓄電池的放電特性是指在恒流放電過程中，蓄電池的端電壓和電解液密度隨時(shí)間而變化的規(guī)律。
    由放電特性曲線可以看出，蓄電池放電后電解液密度是沿直線下降的。這是因?yàn)榉烹婋娏饕欢ǎ瑒t在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的硫酸量是相同的。所以隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，電解液中的硫酸量會(huì)越來(lái)越少，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，密度每下降0.04，蓄電池約放電25%.
    放電過程中，蓄電池的端電壓也是逐漸下降的。因?yàn)?a target="_blank" href="http://www.mqzt.com.cn/search.asp?m=1&s=0&word=%D0%EE%B5%E7%B3%D8&x=28&y=18" class="UBBWordLink">蓄電池內(nèi)阻上有壓降，所以端電壓總是小于其電動(dòng)勢(shì)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
                                    U=E－IfR0
式中U----蓄電池端電壓；
      E----蓄電池電動(dòng)勢(shì)；
      I f----放電電流；
      R0----蓄電池內(nèi)阻。
    由圖3-11所示為6-Q-135型蓄電池在不同放電電流情況下的放電特性可見，放電電流越大，電壓下降越快，越容易出現(xiàn)放電“終了”的現(xiàn)象，放電開始單格電壓便從2.1V迅速下降。當(dāng)單格電壓下降到1.75V時(shí)（20h率），應(yīng)切斷負(fù)載，停止放電。若再繼續(xù)放電，電壓將急劇下降，稱為過度放電。過度放電會(huì)使硫酸鉛的晶粒變大，充電時(shí)不僅不易還原，而且會(huì)堵塞極板孔隙使電解液滲透困難，造成蓄電池容量下降而影響蓄電池使用壽命。因此，在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，必須嚴(yán)格控制起動(dòng)時(shí)間，每次起動(dòng)時(shí)間不得超過5s，再次起動(dòng)應(yīng)間隔15s以上。圖3-12所示為3-Q-75型蓄電池在電解液溫度為30℃時(shí)，蓄電池容量與放電電流的關(guān)系。

    2．電解液溫度影響
    溫度降低則容量減小，這是由于溫度降低時(shí)，電解液的勃度增加，滲入極板內(nèi)部困難，使離子擴(kuò)散速度和化學(xué)反應(yīng)速度降低；同時(shí)電解液電阻也增大，使蓄電池內(nèi)阻增加，電動(dòng)勢(shì)消耗在內(nèi)阻上的壓降增大，蓄電池端電壓降低，允許放電時(shí)間縮短，因此容量減小。圖3-13所示為3-75型蓄電池電解液溫度分別為＋30℃和－18℃的情況下，以225A電流放電時(shí)的端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。圖3-14所示為3-Q-75型蓄電池以225A電流放電時(shí)，在不同溫度條件下的輸出容量。



    GB/T 5008.1-2005規(guī)定，蓄電池額定容量是指電解液溫度為25℃時(shí)的20h率容量。溫度每降低1℃，緩漫放電時(shí)容量約減少1%，迅速放電時(shí)將減少2%。不同溫度條件下的容量可用下式換算為25℃時(shí)的容量。

式中C25℃----換算為25℃時(shí)的容量，Ah；
CT----電解液平均溫度為T時(shí)的實(shí)際容量，Ah；
  T----放電終止時(shí)，中間單格電池電解液的溫度，℃。

    溫度對(duì)蓄電池輸出容量的影響給我國(guó)北方寒冷地區(qū)冬季汽車運(yùn)行帶來(lái)了一定的困難，因此冬季應(yīng)注重蓄電池的保溫工作。為了防止冬季溫度低給車輛機(jī)動(dòng)性能帶來(lái)不利，軍用車輛蓄電池采用了低溫起動(dòng)型蓄電池。如風(fēng)帆蓄電池廠生產(chǎn)的6-QAJ-60型和6-QAJ-135型軍用干荷電蓄電池，在－41℃條件下，能保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。
    適當(dāng)增大電解液密度，可以提高電解液個(gè)的滲透速度和蓄電池電動(dòng)勢(shì)，延長(zhǎng)放電時(shí)間，從而提高蓄電池輸出容量。但是，當(dāng)密度超過一定值時(shí)，由于電解液豁度增大使浸透速度降低，內(nèi)阻和極板硫化增加，因此蓄電池輸出容量又會(huì)減小。試驗(yàn)證明，電解液相對(duì)密度約為1.23時(shí)，蓄電池輸出容量最大，如圖3-15所示。綜合考慮電解液密度對(duì)蓄電池性能的影響，汽車用起動(dòng)型蓄電池充足電時(shí)的電解液密度一般選在1.26～1.29范圍內(nèi)。

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