鉛酸蓄電池失效原因分析及監(jiān)測(cè)方案的設(shè)想

侯俊舟

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng)111000）

目前鉛酸蓄電池在汽車、通訊、廣電、IT、電力、鐵路、航空、港口、軍事、金融、能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是鉛酸蓄電池若使用維護(hù)不當(dāng)易造成失效報(bào)廢。文中分析了蓄電池失效的原因，提出了鉛酸蓄電池微電腦監(jiān)測(cè)方案設(shè)想。

1 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)原理

1.1 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)

鉛酸電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)原理基本相同，常由電池槽、正極板、負(fù)極板、隔板、鏈條、極樁和電解液等組成。

鉛酸蓄電池的重要電能轉(zhuǎn)換部件是正、負(fù)極板及電解液，其他部件如電池槽、隔板鏈條、極柱等為附屬設(shè)備。電池槽是用來(lái)盛裝電解液和正負(fù)極板的部件，通常由耐腐蝕的硬質(zhì)塑料壓鑄而成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三單格和六單格兩種形式。三單格式用來(lái)裝配端電壓為6 V直流電壓的蓄電池，六單格式用來(lái)裝配端電壓為12 V直流電壓的蓄電池。

蓄電池的正、負(fù)極板是由金屬骨架與活性物質(zhì)共同構(gòu)成，且正、負(fù)極板的金屬骨架采用同一種材料。為確保鉛酸蓄電池極板骨架具有足夠的剛度和強(qiáng)度，并具有較強(qiáng)的抗氧化能力，通常正、負(fù)極板金屬骨架的材料采用鉛銻合金。骨架的外框?yàn)榫匦?，框?nèi)設(shè)有數(shù)條縱橫交錯(cuò)的金屬網(wǎng)格。

鉛酸蓄電池正、負(fù)極板表面涂有活性物質(zhì)。其中正極板活性物質(zhì)涂抹于正極板骨架上，是由海綿狀二氧化鉛（PbO2）與稀硫酸作為主要原料配置成的鉛膏，化成后顏色為深棕色。而負(fù)極板的主活性物質(zhì)是由海綿狀純鉛（Pb）與稀硫酸作為主要原料配置成的鉛膏，顏色為深灰色。

蓄電池隔板用來(lái)隔開蓄電池的正負(fù)極板，以防止正負(fù)極板短路。極板上還均勻分布許多網(wǎng)狀孔，以保證電解液相互滲透。蓄電池的隔板材料通常用塑料和玻璃纖維等制成，既保證絕緣又保證不被硫酸腐蝕。

蓄電池的電解液是由純凈的蒸餾水和硫酸配制而成。溫度為20℃時(shí)，在我國(guó)南方地區(qū)電解液比重γ為1.20～1.25 g／cm3，北方地區(qū)其比重γ為1.28～1.30 g／cm3。

1.2 鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池的充、放電過程，實(shí)質(zhì)上就是電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換過程。蓄電池充電時(shí)，在外電場(chǎng)的作用下正、負(fù)極板中的硫酸析出進(jìn)入電解液，使電解液中的硫酸濃度增高。同時(shí)正極板演變?yōu)槎趸U，負(fù)極板變?yōu)榧冦U。充電過程化學(xué)反應(yīng)方程式如式（1）。

理論上放電過程與充電過程是完全可逆的，其化學(xué)反應(yīng)方程式如式（2）。

2 鉛酸蓄電池失效的原因

蓄電池的使用實(shí)踐證明，由于蓄電池的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、初充電和使用等因素，蓄電池的使用容量總比其標(biāo)稱容量要小，甚至小很多。影響蓄電池容量的因素主要有如下方面。

2.1 蓄電池生產(chǎn)工藝對(duì)蓄電池容量的影響

蓄電池在生產(chǎn)過程中，其正極板的化成條件對(duì)蓄電池容量會(huì)產(chǎn)生影響。由于正極板化成條件的不同，正極板上的二氧化鉛通常以兩種形式存在，一種是α－PbO2，一種是β－PbO2。這兩種二氧化鉛在放電容量上存在著很大的差異。通常α－PbO2放電容量只有β－PbO2的60%左右。只有在多次充放電循環(huán)中，一部分α－PbO2才有可能逐步轉(zhuǎn)化為β－PbO2。由此可見，α－PbO2初含量越高，則蓄電池初始容量越低。正極板的α－PbO2初含量主要取決于化成條件，即化成液密度和溫度。化成液密度越大溫度越高，則生成α－PbO2就越少；反之，生成的α－PbO2就越多。

2.2 蓄電池活性物質(zhì)含量對(duì)蓄電池放電容量的影響

放電時(shí)，負(fù)極板反應(yīng)生成的硫酸鉛容易在海綿鉛表面形成鈍化層，致使硫酸電解液擴(kuò)散受阻，大大降低了負(fù)極板利用率。若在負(fù)極板中加入少量的腐殖酸、木素等膨脹劑，可以延緩或阻止鈍化層的形成，從而增加放電容量。

2.3 自放電

不合格的電解液中含有鐵、錳、硝酸銀等，這些物質(zhì)與電解液一起侵蝕隔板和電池槽生成有機(jī)物等雜質(zhì)。這些新生成的有機(jī)物雜質(zhì)將與極板上的活性物質(zhì)共同形成局部電池，產(chǎn)生局部電流，致使正負(fù)極板上活性物質(zhì)反應(yīng)生成硫酸鉛，導(dǎo)致蓄電池容量下降。這種現(xiàn)象還與極板中銻含量有關(guān)，極板中銻的含量越多，溫度愈高，愈能加速自放電。

2.4 板極中心距

在其它因素不變的情況下，極板中心距越遠(yuǎn)，蓄電池的容量越小。因此，在其它因素不變的情況下，應(yīng)盡量減小隔板的厚度，以有效地減小極板中心距離。

2.5 使用因素對(duì)鉛酸蓄電池容量的影響

鉛酸蓄電池在使用過程中，必須保持在較短時(shí)間內(nèi)充放電相對(duì)平衡。如果蓄電池長(zhǎng)期處于深度虧電狀態(tài)，其正、負(fù)極板上的海綿鉛將形成粗晶粒的鉛結(jié)晶，導(dǎo)致充電時(shí)不能參與化學(xué)反應(yīng)，致使蓄電池的有效容量下降。

鉛酸蓄電池超過規(guī)定時(shí)間大電流放電是造成早期失效的最普遍原因。某些用電設(shè)備超過蓄電池允許輸出的最大電流的限制，長(zhǎng)時(shí)間大電流用電，造成極板過熱彎曲，致使極板上活性物質(zhì)過早嚴(yán)重脫落。蓄電池的這種損壞形式不但致使蓄電池容量大大下降，還會(huì)因脫落的活性物質(zhì)沉淀在正、負(fù)極板的下方，造成正、負(fù)極板短路，加速?gòu)氐资А?/p>

此外，蓄電池電解液比重配比不當(dāng)、工作溫度、振動(dòng)等均會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量的下降。

3 鉛酸蓄電池微電腦監(jiān)測(cè)方案的設(shè)想

筆者依多年經(jīng)驗(yàn)得知，鉛酸蓄電池徹底喪失工作能力是有前兆的，主要體現(xiàn)在內(nèi)阻隨時(shí)間推移逐漸攀升、充電時(shí)電壓偏高、充電終止端電壓下降快、帶電時(shí)間短。大電流放電時(shí)，較正常工作的電池端電壓下降快、工作溫度高等。

鑒于上述鉛酸蓄電池種種損壞的跡象，根據(jù)鉛酸蓄電池的工作原理，筆者設(shè)想一種微電腦鉛酸蓄電池工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可以非常準(zhǔn)確地向蓄電池的使用者作出工作狀態(tài)的預(yù)報(bào)，設(shè)置緊急報(bào)警，避免因蓄電池?fù)p壞造成巨大損失。

3.1 蓄電池溫度監(jiān)測(cè)法

給蓄電池組中的每一塊電池均貼上溫度傳感器，同時(shí)在蓄電池工作空間再設(shè)置一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。將采集到的溫度信號(hào)通過專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡變成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。通過嚴(yán)格標(biāo)定后，讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種比較，預(yù)報(bào)各單體電池的工作溫度，以此作為判定蓄電池工作狀態(tài)的依據(jù)。

3.2 各單體電池在線工作電壓增量比較法

為蓄電池組中的每一塊單體電池裝蓄電池工作電壓增量傳感器。并把蓄電池端電壓增量信號(hào)通過專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡送入計(jì)算機(jī)。端電壓超出正常值者，即為快要失效的電池。

3.3 電解液酸度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法

把蓄電池組中的每一塊單體電池裝蓄電池電解液酸度傳感器。并把蓄電池電解液酸度降低信號(hào)通過專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡送入計(jì)算機(jī)。電解液酸度降低超出正常值者即為快要失效的電池。

以上三種監(jiān)測(cè)方法可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確判定蓄電池的工作狀態(tài)，進(jìn)而做出準(zhǔn)確失效預(yù)報(bào)。