《汽车电器与电子设备》课件-(广科大玉洁)第一章-蓄电池(2013).ppt

1、课程概况,汽车的常用电器设备（电源系统、用电设备）构造、工作原理、性能的基本知识,主要内容：,相关课程：,与本课程相关的先导课程包括电工学、汽车构造等，后续相关课程有汽车电子、汽车故障诊断与维修等,相关教材：,1、汽车电器及电子设备 古永棋 重庆大学出版社,汽车电气特点,汽车电气具有以下四个特点： （1）低压。 （2）直流。 （3）单线制。 （4）负极搭铁。,第一章 蓄电池,本章主要内容,主要内容： 1、蓄电池的结构与型号； 2、工作原理和工作特性、容量及其影响因素； 3、充电方法、使用与维护、蓄电池技术状况的检测等,汽车电源系统由蓄电池、发电机和调节器组成。在汽车上，蓄电池和发电机并联工作，

2、发电机是汽车的主要电源，蓄电池是辅助电源。,电池的简介,电池的简介,蓄电池的作用,汽车并联电路,（1）发动机起动时，向起动机和点火系统供电。 （2）发动机低速运转、发电机不发电或电压较低时，向用电设备和交流发电机磁场绕组供电。 （3）发动机中高速运转、发电机正常供电时，将发电机剩余电能转换为化学能储存起来。 （4）发电机过载时，协助发电机向用电设备供电。 （5）蓄电池相当于一只大容量电容器，不仅能够保持汽车电气系统的电压稳定，而且还能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件不被损坏。,作用：,主要要求：容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。,第一节 蓄电池的构造与型号,一、铅蓄电池的

3、构造 汽车蓄电池是由612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,1、极板（Grids）和极板组,1、极板 极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质构成。,极板,极板组（增大容量）,（1）、栅架的结构,栅架由铅合金制成的网架形式，一般在铅中加入少量的锑（改善机械强度与浇注性能），近年来为了改善蓄电池的自放电性能，而在铅中加入少量的钙。,结构 放射状结构：利于大电流放电 栅格结构：利于深度放电,厚度 薄板：大电流放电性能较好 厚板：浮充使用寿命较长,1、极板和极板组（续）,1、极板和极板组（续）,将二氧化铅与稀硫酸调成膏状，涂在栅架上，就成了正极板。呈

4、棕红色；,将纯铅粉与稀硫酸调成膏状涂在栅架上，就成了负极板。呈青灰色。,Negative paste（负极铅膏）,Positive paste（正极铅膏）,(2)、极 板 组,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,1、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。 2、单格电池中负极板的数目比正极板多一块。,1、极板和极板组（续）,2、隔板（Separator）,（1）隔板的作用： 保持正负极板绝缘 防止铅枝短路（Dendrite Sho

5、rts） 吸附、保持电解液 气体通道 压紧活性物质，延缓活物质脱落,（2）隔板常用材料：,隔板材料 孔隙度 孔隙尺寸m 内阻/cm2 微孔PVC 80 3 0.18 微孔隙聚乙烯 63 1 0.15 无纺聚乙烯 60 12 0.21 无纺玻璃棉 65 20 0.18 微细玻璃纤维棉 90 24 0.1 (AGM),（3）隔板的安装方法： 装入时，沟槽面应竖直对向正极板。这样，可使正极板在化学反应时，得到更多的电解液而反应充分。此外，在蓄电池充电时生成的气泡可随槽上升，脱落的活性物质则会沿槽下沉。,2、隔板（续）,3、电解液（Electrolyte）,（1）电解液的作用： 电解液是蓄电池内部发生

6、化学反应的主要物质。 （2）电解液的成份： 蓄电池电解液是用纯净硫酸和蒸馏水（去离子水）按一定比例配制而成的。电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。,JB/T 10052-2010铅酸蓄电池用电解液,HG/T 2692-2007蓄电池用硫酸,JB/T 10053-2010铅酸蓄电池用水,3、电解液（续）,电解液对蓄电池性能的影响 电解液既为导电物质又参与化学反应 电解液比重（Specific Gravity）与电池开路电压（Open circuit voltage）关系 ： OCVSG + 0.84 SG 影响充电电压大小、电池“放电性能” SG 影响电解液冰点（ SG=1.300，冰

7、点： -68. 9 ） SG 影响板栅腐蚀速度,4、外壳（Container）,是盛放正、负极板和电解液等的容器。是由PP塑料、橡胶等材料制成，,常用材料 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS） 聚丙烯（Polypropylene-PP）,PP,ABS,外壳内用间隔分隔成几个单格，每个单格内放入极板组和电解液便组成一个单格电池。壳的底部有凸起的筋条（突棱）用来放置极板组。,4、外壳（续）,4、外壳（续）-技术状况指示装置,5、联条,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,5、联条,单格电

8、池的连接方式,5、联条（穿壁式）,二 蓄电池型号,蓄电池的型号标示 例如：3-Q-90 表示：由3个单格组成，额定容量为90A.h，起动型铅蓄电池。 其他型号举例：P5表1-2,蓄电池型号由三部分组成，各部分之间用破折号分开，其内容及排列如图,按我国有关标准规定主要蓄电池系列,6-QA-105G是什么电池？,选择蓄电池时，根据GB5008.2-2013起动用铅酸蓄电池第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记规定选用,第二节、蓄电池的工作原理,一 、蓄电池的工作原理,1、蓄电池的基本工作原理-化学反应,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

9、 放电：正极板的PbO2和负极板的Pb 生成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。,二、放电过程,1、电动势的建立 当两极板放置在浓度为27%37%的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质氢氧化铅

10、Pb（OH）4）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根4（OH）-组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。,蓄电池的电动势（静止电动势）大约为2伏。,二、放电过程（续）,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。,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+,当两者达到动平衡时，正极板的电位约为+2V,二、放电过程（续）,负极板

11、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,当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅

12、附着在正极上。,二、放电过程（续）,二、放电过程（续）,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） Pb Pb2+ +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。,二、放电过程（续）,三、充电过程,2e,放电 状态,溶解 电离,输入 电流,充电后生成物,正极板,负极板,PbSO4,Pb,PbO2,2H

13、2SO4,Pb2+ SO42-,Pb4+,电解液,充电电源,PbSO4,2 H2O,SO42- +Pb2+,2e,2 H2O,2e,三、充电过程(续）,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+ H2SO4,四、蓄电池的工作过程总结,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

14、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,四、蓄电池的工作过程总结（续）,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

15、继续充电，将引起水电解，放出大量气泡。,第三节 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。,蓄电池的技术参数主要包括： 蓄电池的静止电动势 蓄电池的内阻 放电特性 充电特性,一、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+25 25 -为25时的电解液的相对密度 E0 =1.97-2.15之间,二、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

16、。 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。,三、蓄电池的工作特性3,3、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。,三、蓄电池的工作特性3-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

17、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。,三、蓄电池的工作特性3-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。,三、蓄电池的工作特性3-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。,判断放电终了：P8

18、,P8表1-3,四、蓄电池的工作特性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。,四、蓄电池的工作特性4-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

19、整个容器内电解液密度变化而缓慢上升。,四、蓄电池的工作特性4-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,四、蓄电池的工作特性4-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。,蓄电池充电终了的特征,第四节 蓄电池容量,一、蓄电池的容量 二、容量的类型 三、影响容量的因素,一、蓄电池容量,蓄电池的容量是指

20、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“Q”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。,二、蓄电池的几种标称容量,1、额定容量 2、起动容量,1、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255C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

21、以4.5A（0.05C200.05904.5A）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QIftf90Ah，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。,2、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

22、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。,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。,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,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。,2、

23、放电电流对容量的影响,蓄电池在不同电流下的放电特性,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,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,3、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,电解液密度对容量的影响,电解液密度电动势E，电液渗透能力，参加反应的活性物质C 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

24、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,第五节 蓄电池故障及排除,故障一：极板硫化,故障二：自放电,蓄电池故障及排除(续）,故障三：极板短路,蓄电池故障及排除(续）,蓄电池故障及排除(续）,故障四：活性物质脱落,蓄电池故障及排除(续）,故障五：极板栅架腐蚀,第六节 蓄电池的充电及充电设备,蓄电池的充电：新蓄电池和新修复的蓄电池必须进行初充电，使用中的蓄电池要进行补充充电；为了使蓄电池保持一定的容量和延长寿命，需定期进行过充电和锻炼充电。 充电方法 充电种类,恒流充电 恒压充电 脉冲快速充电,初充电 补充充电 去硫化充电,一、充电种类-初充电,初充电

25、：对新蓄电池或更换极板后的蓄电池进行的首次充电。 目的：恢复蓄电池在存放期间，极板上部分活性物质缓慢放 电和硫化而失去的电量。P11 初充电的特点：充电电流小，充电时间长，必须彻底充足。,初充电的程序：P11 加注电解液：密度符合厂家规定，液面高度符合要求。 选择充电电流：恒流法 IC1=C20/15 IC2=C20/30 连接蓄电池 测量电解液相对密度 注意事项：测量电解液的温度。,一、充电种类-补充充电,补充充电：蓄电池使用后，常有充电不足现象（尤其是短途车辆）的充电。 需补充充电情况（条件）：p12 启动无力时（非机械故障）； 前照灯灯光暗淡，表示电力不足时； 电解液密度下降到1.20g/cm3以下时； 冬季放电超过25%，夏季放电超过50%时；,充电方式：P12表1-4,一、充电种类-去硫化充电,去硫化充电：防止充电不足造成硫化(P12) 蓄电池轻度硫化，可用充电的方法予以消除： 倒出电解液，加入蒸馏水冲洗两次后，再加入蒸馏水； 用IC=C20/30（A）的电流进行充电，当密度上升到1.15g/cm3时，倒出电解液，再加蒸馏水继续充电，直至密度不再上升； 以20h率放电电流放电