《农机电器设备使用维护》章节教学-蓄电池的工作原理及工作特性

蓄电池的工作原理及工作特性一、蓄电池的工作原理蓄电池向起动机及其他用电设备供电，称为蓄电池的放电过程；在发动机高速运转时贮存发电机的部分电能，称为蓄电池的充电过程。蓄电池充、放电过程是由蓄电池内部正、负极板的活性物质与电解液之间的电化学反应来完成的。根据双硫化理论，蓄电池充、放电过程是一个可逆的电化学反应过程，其方程式是：PbO2＋2H2SO4＋PbPbSO4＋2H2O＋PbSO4正极板电解液负极板正极板电解液负极板由方程式可知，蓄电池在放电过程中，正极板上的活性物质由深棕色的ＰbＯ2转变为浅褐色的ＰbＳＯ4；负极板上的活性物质由青灰色的海绵状纯铅Ｐb转为灰色的ＰbＳＯ4；电解液中的Ｈ2ＳＯ4转变为Ｈ2Ｏ。充电过程中物质的变化与放电过程相反。实际上，极板上的活性物质仅有20％～30％参加反应，大部分活性物质由充、放电条件的限制未能进行电化学反应。因此，为提高活性物质的利用率，采用薄极板蓄电池。蓄电池充、放电过程中，由于电解液中的部分水（Ｈ2Ｏ）变为硫酸（Ｈ2ＳＯ4）或硫酸变为水，所以电解液的相对密度将上升或下降。因此，可以通过测量电解液相对密度方法来判断蓄电池的充、放电程度。蓄电池的充、放电反应如图所示。蓄电池电化学反应原理二、蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性主要包括：静止电动势Ｅj、内电阻Ｒn、充、放电特性和容量。（一）静止电动势Ｅj蓄电池在静止状态下，正、负极板之间的电位差称为静止电动势，用Ｅj表示。它的大小与电解液的相对密度和温度有关，在相对密度为1.050g/cm3～1.300g/cm3的范围内，可由下述经验公式计算其近似值：式中：ρ25——为298K时的电解液相对密度实测所得的电解液相对密度应按下式换算成298K时的相对密度：（1-25）式中：ρt－－实际测得的电解液密度t－－实测得的电解液温度β－－密度温度系数β＝0.00075（即温度每升１K，相对密度下降0.00075）蓄电池的电解液相对密度在充电时增高，放电时下降，一般在1.13g/cm3～1.29g/cm3之间波动。因此，单格蓄电池静止电动势相应地在1.98V～2.14V之间变化。（二）内电阻Ｒn电流流过蓄电池时受到的阻力称为铅蓄电池的内阻。蓄电池的内阻为极板电阻、电解液电阻、隔板电阻、铅连接条和极柱电阻的总和，用Ｒn表示，其大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同的条件下，内阻越愈小，输出电流愈大，带负载能力愈强。一般来说，起动型铅蓄电池的内阻很小，单体电池的内阻约为0.11Ω。如内阻过大，则会引起蓄电池端电压大幅度下降而影响起动性能。电解液的电阻与其密度和温度有关。在温度为293K时，蓄电池完全充足电的内阻Ｒn，可按下列经验公式计算其近似值：式中：Ｕe－－蓄电池额定电压（Ｖ）Ｑ20－－蓄电池额定容量（Ａh）（三）蓄电池的放电、充电特性1.蓄电池的放电特性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Uf、电动势Ｅ和电解液密度ρ25的变化规律以及相互关系。如图所示为充足电的蓄电池以20h放电率恒流放电的特性曲线。电解液相对密度随放电时间的延长按直线规律减小。因为在恒流放电过程中单位时间内的硫酸消耗量是一个定值。铅蓄电池的放电程度和电解液相对密度减小成正比。电解液密度每下降0.04g/cm3，蓄电池大约放掉25%额定容量Ｑe的电量。放电过程中，端电压的变化规律可分为以下三个阶段：第一阶段放电开始时，端电压由2.14V迅速下降到2.1V左右。这是因为放电前渗入极板活性物质孔隙内部的硫酸迅速反应变为水，而极板外部的硫酸还来不及向极板孔隙内渗透，极板内部电解液相对密度迅速下降，端电压随即迅速下降。第二阶段端电压由2.1V呈直线规律缓慢下降。该阶段单位时间内极板孔隙内部消耗的硫酸量与孔隙外部向极板孔隙内部渗透补充的硫酸量相等，处于一种动态平衡状态的缘故。第三阶段放电接近终了时，端电压迅速下降到1.75V。其原因是：基板表面已形成大量硫酸铅，堵塞了孔隙，渗透能力下降；同时单位时间内的渗透量小于极板内硫酸的消耗量，极板内的电解液相对密度迅速下降（对应的电压叫终止电压，对应的状态叫放电终了）。此时应停止放电，如果继续放电，端电压在短时间内将急剧下降到零，致使蓄电池过度放电，导致蓄电池产生硫化故障，缩短其使用寿命。蓄电池放电到终止电压时应停止放电，极板孔隙中的电解液与整个容器中的电解液相互渗透，趋于平衡，端电压会有所回升。蓄电池放电终了的特征是：（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）电解液相对密度下降到最小值1.10g/cm3～1.12g/cm3。放电终止电压与放电电流大小有关，放电电流越大，连续放电时间越短，允许的放电终止电压也就越低。蓄电池的终止电压与放电电流的关系电电流（A）0.05Ｑ200.1Ｑ203Ｑ20连续放电时间20h10h1min单格电池终止电压（V）1.751.701.402.蓄电池的充电特性蓄电池的放电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压Uf和电解液密度ρ25随充电时间而变化的规律。蓄电池充电过程中，电解液的相对密度基本按直线规律逐渐上升。这是因为采用恒流充电，充电机每单位时间向蓄电池输入的电量相等，每单位时间内电解液中生成硫酸的量也基本相等。充电过程中，蓄电池端电压Ｕf的变化规律如图所示，可分为四个阶段：第一阶段充电开始时，端电压上升较快。这是由于充电时极板上的活性物质和电解液的化学反应首先在极板孔隙内进行，极板孔隙孔中的水迅速消耗，生成的硫酸来不及向极板外扩散，使孔隙中的电解液相对密度迅速增大，其端电压迅速上升。第二阶段是从2.10V至2.40V左右，端电压稳定上升。随着充电的进行，新生成的硫酸不断向周围扩散，当充电至极板孔隙中生成硫酸的速度和向外扩散的速度基本处于动态平衡时，蓄电池端电压的上升速度较稳定，随着蓄电池容器内电解液相对密度的上升相应增高。第三阶段端电压由2.40V左右迅速上升至2.70V。这时的充电电流除一部分使尚未转变的硫酸铅继续转变外，其余的电流用于电解水，产生氢气和氧气，以气泡形式放出，形成“沸腾”现象。在此过程中，带正电的氢离子和负极板上电子结合比较缓慢，来不及立即改变成氢气放出，于是在负极板周围便积存了大量的带正电的氢离子，使电解液与负极板之间产生约为0.33Ｖ的附加电位差，从而使蓄电池的端电压由2.40V增至2.7V左右。第四阶段为过充电阶段。一般要进行２～３小时，以保证蓄电池充足，此阶段电压不再上升。切断充电电源后，极板外部的电解液逐渐向极板内部渗透，极板内外电解液相对密度达到平稳平衡，同时附加电压消失，端电压又下降至2.1V左右稳定下来。蓄电池充电终了的特征是：（1）电压和电解液相对密度上升到最大值且在2～3小时内不再上升；（2）电解液内产生大量气泡，呈现“沸腾”状态。（四）蓄电池的容量及其影响因素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。蓄电池的容量是标志蓄电池对外放电能力，衡量蓄电池的质量的优劣以及选用的蓄电池最重要的指标。蓄电池的容量与放电电流大小放电持续时间及电解液的温度有关。它可分为额定容量、起动容量和储备容量。当蓄电池以恒流值进行放电时，其容量Q等于放电电流Ｉf和放电时间tf的乘积，即：式中：Q－－蓄电池的容量（Ａh）；If－－放电电流（Ａ）；tf－－放电时间（h）。蓄电池的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。根据国家标准GB5008.1－1991《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新蓄电池，在电解液温度为298K时，以20h放电率(Ｉf=0.05Ｑ20安培)的电流连续放电到12Ｖ蓄电池端电压降到10.50V±0.05V，6V蓄电池端电压降到5.25V±0.02V时所输出的电量，用Ｑ20表示，单位是Ａh。例如：6－Q－105型蓄电池，在电解液平均温度为298k时，以5.25A的电流连续放电20h后，端电压降至10.25V，其20h额定容量则为：C20＝5.25×20＝105Ａh。（2）储备容量蓄电池的储备容量是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为298±0.02K的条件下，以25A电流恒流放电至单格电池平均电压降到1.75V时，放电所持续的时间，用Ｃrn表示，单位为min。储备容量表达了在充电系统失效时，蓄电池还能为车辆上的照明和点火等系统持续提供25Ａ恒流的能力。储备容量与20h放电率容量之间的换算关系如下：式中：C20－20h放电率容量（Ａh）Cr.n－储备容量（min）当Crn≥480min或C20＞200Ａh时，上式不适用。（3）起动容量农机上配备的蓄电池主要用途是在发动机采用电起动机起动时，向电起动机大电流供电。因此JB1058－77规定了蓄电池起动容量，用以反映蓄电池大电流供电的能力。起动容量有常温起动容量和低温起动容量之分。=1\*GB3①常温启动容量即电解液温度为303K时，以5min放电率放电的电流（3倍额定容量的电流）连续放电至规定的终止电压(6V蓄电池为4.5V，12V蓄电池为9V)时，所输出的电量。其放电持续时间应在5min以上。=2\*GB3②低温启动容量即电解液温度为255K时，以3倍额定容量的电流连续放电至规定的终止电压（6V蓄电池为3V，12V蓄电池为6V)时所放出的电量。其放电持续时间应在2.5min以上。2.蓄电池容量的影响因素影响蓄电池容量的因素包括原材料、制造工艺和使用维护等诸方面。其中使用维护条件对蓄电池容量的影响分析如下：（1）放电电流放电电流越大，容量越低。放电过程中，正、负极板上的活性物质将逐渐转变为硫酸铅。硫酸铅的体积比二氧化铅、海绵状铅的体积大，使活性物质的孔隙减少，电解液渗透阻力增大，电解液来不及渗入极板内部，就已被表面生成的硫酸铅堵塞，致使极板内部大量的活性物质不能参加反应。同时，放电电流越大，单位时间消耗的硫酸越多。因而蓄电池容量减小。放电电流越大，电压下降越快，越容易出现放电“终了”现象，如继续放电，则将导致过放电而影响蓄电池的使用寿命。所以，应当合理地使用起动机，每次起动时间不应大于5s，再次起动时应间歇10s～15s，以便使电解液充分渗透，使更多的活性物质参加反应，否则会导致蓄电池容量减小，使用寿命缩短。（2）电解液的温度在一定的温度范围内，温度低时，电解液粘度增加，离子运动速度慢，电解液向极板孔隙深层渗入困难，极板孔隙内的活性物质不能充分利用，使蓄电池的放电容量下降。温度每下降１K，容量约下降1%，迅速放电时容量将减少２％。冬季用起动机起动车辆时，放电电流大，温度又低，使蓄电池容量大大减小，这是冬季起动时总感觉蓄电池电量不足的主要原因之一。由于温度对蓄电池的容量产生严重的影响，所以冬季使用，尤其在我国北方地区冬季使用时，应采取必要措施，改善使用条件，防止蓄电池容量迅速下降，延长其使用寿命。（3）电解液相对密度在一定范围内，适当提高电解液的密度，可以提高蓄电池的电动势及电解液中活性物质向极板内的渗透能力并减少电解液的电阻，使蓄电池的电解液中有足够的离子参加反应，从而使其容量提高。但相对密度过高时，将导致电解液的粘度过大，渗透能力下降，内阻增大，电解液中参加反应的离子数量不足，也将使蓄电池端电压及容量减小。另外，电解液密度过高，蓄电池自放电速度加快，并对极板栅架和隔板的腐蚀作用加剧，缩短了蓄电池的使用寿命。一