車用鉛蓄電池充電特性與應(yīng)用

曲世永，李發(fā)宗，金曉

（1.煙臺南山學(xué)院，山東煙臺265713；2.寧波工程學(xué)院，浙江寧波315211）

車用鉛蓄電池充電特性與應(yīng)用

曲世永1，李發(fā)宗2，金曉1

（1.煙臺南山學(xué)院，山東煙臺265713；2.寧波工程學(xué)院，浙江寧波315211）

了解鉛蓄電池的工作特性，能夠延長車用鉛蓄電池的使用壽命。以6QW60鉛蓄電池為例，給出車用鉛蓄電池的使用與維護建議。

車用鉛蓄電池；特性；應(yīng)用效果

0 前言

鉛蓄電池由正極板、負(fù)極板、電解液、隔板、電池槽及極樁等組成。其中正極板為二氧化鉛，化學(xué)符號為PbO2，負(fù)極板為純鉛，化學(xué)符號為Pb；電解液是稀硫酸，通常在25℃時密度為1.28 g/ cm3。隔板多為微孔高分子聚乙烯及微孔玻璃纖維等。電池槽是由ABS合成樹脂制成，具有耐酸、耐高溫及強度高等特點。

1 鉛蓄電池的工作特性

1.1 蓄電池充放電時的化學(xué)反應(yīng)過程

當(dāng)鉛蓄電池接通外電路負(fù)載放電時，正極板上的PbO2和負(fù)極板的Pb都變成了PbSO4，電解液的硫酸變成了水。充電時，正負(fù)極板上的PbSO4分別恢復(fù)原來的PbO2和Pb，電解液中的水變成了硫酸。其中化學(xué)反應(yīng)式為PbO2＋2H2SO4+Pb＝PbSO4＋2H2O＋PbSO4。

1.2 鉛蓄電池的開路電壓

從化學(xué)反應(yīng)式可看出，鉛蓄電池?zé)o論是充電或者放電，均是化學(xué)反應(yīng)過程。其中，蓄電池的開路電壓，也就是電動勢E與蓄電池的極板距離、電解液密度及電解液溫度有關(guān)。當(dāng)鉛蓄電池的極板距離確定以后，其蓄電池的電動勢E只與電解液的密度與電解液的溫度有關(guān)。溫度在20℃時，蓄電池正極板PbO2與負(fù)極板Pb之間的電動勢E，與電解液相對密度ρ20℃成正比，如式（1）。

式中E為鉛蓄電池靜止時的電動勢，即開路電壓（V）；ρ20℃為基準(zhǔn)溫度為20℃時，電解液的相對密度（g/cm3）。

應(yīng)指出，（1）式是指標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃時的計算方法，而實測的電解液密度及溫度很難一致。所以，還應(yīng)將實測溫度下電解液的相對密度，轉(zhuǎn)換成20℃時電解液的相對密度，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為式（2）：

式中ρt為實際測量時電解液的密度；β為密度溫度系數(shù)，為0.00075 g/cm3℃；t為實際測量時電解液的溫度。

1.3 鉛蓄電池的放電特性

蓄電池的工作能力可通過鉛蓄電池的放電特性實驗來檢查。檢查蓄電池的放電特性，通常采用恒流放電法。所謂恒流放電法，是指電解液相對密度在標(biāo)準(zhǔn)ρ25℃狀態(tài)下，以不變的電流進行放電，考察其放電時間與蓄電池端電壓之間的變化規(guī)律。圖1是6QW60鉛蓄電池的放電曲線，從中可看出以下情況：

圖1 6QW60鉛蓄電池的放電曲線

（1）放電電流越大，端電壓下降得越快。放電電流越大，初始電壓就越低，當(dāng)放電電流達到222 A時，端電壓只有10.5 V。這是因為快速放電，極板外部的硫酸還來不及向極板孔隙內(nèi)滲透，極板內(nèi)部電解液相對密度迅速下降，這是導(dǎo)致端電壓迅速下降的主要原因。

（2）隨著放電繼續(xù)，蓄電池端電壓處于暫時穩(wěn)定而緩慢下降狀態(tài)。當(dāng)采用恒定電流繼續(xù)放電時，蓄電池的端電壓，將出現(xiàn)一段相對穩(wěn)定而緩慢下降狀態(tài)。其穩(wěn)定時間長短取決于放電電流。這是因為該階段單位時間極板孔隙內(nèi)部消耗的硫酸量與孔隙孔外部，向極板孔隙內(nèi)部滲透補充的硫酸量相等，處于一種動平衡狀態(tài)的緣故。

（3）當(dāng)蓄電池放電深度接近其額定容量時，端電壓迅速下降。這是因為，極板表面已形成大量硫酸鉛（其體積是海綿狀鉛的2.68倍，是二氧化鉛的1.86倍），堵塞了極板微孔，滲透能力下降；使單位時間內(nèi)的滲透量小于極板內(nèi)硫酸的消耗量，同時使極板內(nèi)電解液相對密度迅速下降，此時放電停止。

如果繼續(xù)放電，端電壓在短時間內(nèi)將急劇下降到零，致使蓄電池過度放電，導(dǎo)致蓄電池硫化，縮短蓄電池的使用壽命。因此，當(dāng)蓄電池放電終了時，應(yīng)及時停止放電，以防損壞蓄電池的極板。

（4）當(dāng)蓄電池停止放電時，其端電壓會有所回升。這是因為，極板孔隙中的電解液與整個容量中的電解液相互滲透，趨于平衡所致。

1.4 鉛蓄電池的充電特性

所謂鉛蓄電池的充電特性，是指電解液相對密度在標(biāo)準(zhǔn)密度ρ25℃狀態(tài)下，以恒定電流進行充電，其端電壓V會隨充電時間的變化而變化。圖2是6QW60型鉛蓄電池的恒流充電規(guī)律曲線。

圖2 6QW60型鉛蓄電池的恒流充電規(guī)律曲線

（1）充電初始階段蓄電池端電壓上升較快。從圖2中可看出，充電開始，端電壓上升較快。這是由于極板活性物質(zhì)孔隙內(nèi)部的水迅速變?yōu)榱蛩幔紫锻獠康乃€未來得及滲入補充，極板內(nèi)部電解液相對密度迅速上升所致。

（2）隨著充電繼續(xù)，蓄電池端電壓上升變得穩(wěn)定而緩慢。這是因為該階段每單位時間內(nèi)極板內(nèi)部消耗的水與外部滲入的水基本相等，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

（3）當(dāng)電解液濃度為ρ20℃狀態(tài)且蓄電池接近有效容量時，電解液出現(xiàn)沸騰。這是因為在該階段，從極板中析出的硫酸，與電解液中的硫酸濃度接近。電能向化學(xué)能轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，并開始將電解液中的水電解，使正極板表面逸出氧氣，負(fù)極板處逸出氫氣電解液中冒出氣泡，出現(xiàn)了電解液“沸騰”現(xiàn)象。

（4）過充電。如果電解液出現(xiàn)沸騰后繼續(xù)充電，蓄電池的端電壓將不再上升。為了觀察端電壓和電解液相對密度不再上升，且保證蓄電池充分充電，一般需要過充電2～3 h。

由于過充電時劇烈地放出氣泡會導(dǎo)致活性物質(zhì)脫落，并造成蓄電池容量降低，使用壽命縮短，因此應(yīng)盡量避免長時間過充電。過充電時，蓄電池逸出的氫氣、氧氣混合氣體易燃、易爆，充電時應(yīng)嚴(yán)禁出現(xiàn)火花。

一般情況下，恒流充電是為了恢復(fù)電池的電壓，恒壓充電是為了恢復(fù)電池的儲能，過充電是為了恢復(fù)蓄電池的儲電能力。

（5）鉛蓄電池的容量分為額定容量和儲備容量。國家規(guī)定，充足電的新蓄電池，在電解液溫度為25±5℃條件下，以20 h放電速率連續(xù)放電至端電壓為10.5 V時輸出電量，為蓄電池的額定容量，單位是A·h。所謂儲備容量是指，蓄電池在25±2℃條件下，以25 A恒定電流放電到端電壓降到10.5 V時的放電時間，單位為分鐘（min）。

鉛蓄電池的放電容量與蓄電池溫度有密切關(guān)系。例如，溫度高，放電容量增加，溫度低放電容量降低。

2 影響蓄電池性能的主要因素

2.1 結(jié)構(gòu)因素對鉛蓄電池容量的影響

極板厚度越小，電解液滲透越容易，活性物質(zhì)利用率越高，蓄電池的放電性能也就越好。極板上活性物的實際表面積越大，同時參加化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)就越多，蓄電池的放電性能就越好。提高極板活性物質(zhì)表面積的方法有兩種：一是增加極板片數(shù)；二是提高活性物質(zhì)的多孔率。

國產(chǎn)鉛蓄電池極板面積已有統(tǒng)一規(guī)定，每對極板面的容量為7.5 A·h。如果正負(fù)極板總片數(shù)為N，那么鉛蓄電池的總?cè)萘縌e可通過式（3）進行計算。

2.2 使用因素對鉛蓄電池性能的影響

2.2.1 放電電流對鉛蓄電池使用性能的影響

（1）鉛蓄電池的放電電流越大，其輸出容量就越小。因為放電電流增大，單位時間極板內(nèi)電解液的消耗量增加，致使極板表面迅速生成粗大晶粒的硫酸鉛，堵塞極板活性物質(zhì)的微孔，進而阻礙了電解液向極板深層滲透，從而導(dǎo)致極板深層內(nèi)電解液相對密度及端電壓下降，最終導(dǎo)致蓄電池的容量減小。例如，汽車發(fā)動時，由于起動機工作電流較大，致使蓄電池瞬間釋放強大電流，對極板具有極強的，且不可逆的破壞力。所以汽車啟動時，必須嚴(yán)格控制啟動時間。每次啟動時間≤5 s，再次啟動應(yīng)間隔15 s以上，以便使電解液有充分的時間滲入極板深層，提高蓄電池的電動勢和輸出容量。

（2）鉛蓄電池大電流放電時，也極易造成極板組深層熱量得不到及時釋放，從而導(dǎo)致極板彎曲。極板彎曲后，會導(dǎo)致極板上的活性物質(zhì)脫落。極板上的活性物質(zhì)脫落后，輕者導(dǎo)致活性物質(zhì)與極板柵分離，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)有效面積減少，進而導(dǎo)致蓄電池容量下降；重者活性物質(zhì)脫落到電池槽底部，導(dǎo)致正負(fù)極板短路，最終不但導(dǎo)致蓄電池極板有效面積下降、容量下降，同時還將導(dǎo)致蓄電池自放電。

2.2.2 電解液溫度對鉛蓄電池使用性能的影響

電解液溫度降低，鉛蓄電池的輸出容量減小。因為電解液溫度降低時，其黏度增加，滲透能力減弱；同時電解液電阻增加，內(nèi)部電壓降增大。端電壓在上述2個因素影響下迅速降低，容量減小。電解液溫度每下降1℃，容量約下降1%。如圖3所示。

圖3 鉛蓄電池工作溫度與容量的關(guān)系

冬季啟動時，鉛蓄電池的端電壓會下降很多，往往導(dǎo)致點火困難，難以啟動，因此冬季應(yīng)注意蓄電池的保溫工作。

溫度升高時，分子運動速度增加，電解液滲透能力增強。電解液電阻減小。電化學(xué)反應(yīng)增強，電池容量有所上升。但電解液溫度≥40℃后，正負(fù)極板易拱曲變形，同時會誘發(fā)蓄電池自放電。在炎熱環(huán)境下工作的蓄電池應(yīng)確保良好的通風(fēng)條件。

2.2.3 電解液的相對密度對鉛蓄電池使用性能的影響

適當(dāng)增大電解液的相對密度，可以提高電解液的滲透速度及蓄電池的電動勢，并可使其容量增大。但電解液相對密度的增高，會使電解液黏度增大，使電解液向活性物質(zhì)微隙孔內(nèi)滲透的速度下降，內(nèi)阻增大，導(dǎo)致端電壓和容量的減少。當(dāng)電解液相對密度過低時，電解液中離子數(shù)量少，也會減少鉛蓄電池的實際放電容量。

電解液相對密度稍低有利于提高放電電流和放電容量，有利于延長鉛蓄電池的使用壽命。冬季，在不結(jié)冰的前提下，應(yīng)盡可能采用稍低相對密度的電解液。

3 蓄電池的使用與維護

3.1 定期檢查電解液液面高度

蓄電池外殼上有液面位置標(biāo)記，液面高度應(yīng)保持在最大與最小之間，或在蓄電池內(nèi)隔板以上5 mm處。當(dāng)電解液不足時，只能加蒸餾水補充。若電解液的液面過高，在大負(fù)荷工作時會引起電解液沸騰而外溢；電解液的液面過低，會縮短蓄電池的使用壽命。

3.2 正確使用啟動機

蓄電池長時間的大電流放電，容易引起極板彎曲損壞。因此，每次使用啟動機的時間≤5 s。如果一次未能啟動發(fā)動機，應(yīng)休息15 s以上，再作第二次啟動，連續(xù)3次不能啟動，應(yīng)查明原因，排除故障后再啟動。

3.3 保持電壓調(diào)節(jié)器的正常工作

汽車在行駛中，發(fā)電機要向蓄電池充電，即把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。而充電電壓是由調(diào)節(jié)器控制的，因此要定期檢查，調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器，防止充電電壓過高，造成過充電或充電電流過大；或充電電壓過低，使充電不足。

3.4 正確搬運與安裝

在搬運與安裝蓄電池時，應(yīng)輕搬輕放，切不可隨便敲敲打打或在地上拖曳，蓄電池在車上應(yīng)固定牢靠，以防行車時震動受損。

3.5 保持蓄電池清潔

應(yīng)經(jīng)常清除蓄電池表面的污物及灰塵。當(dāng)電解液灑到蓄電池表面時，應(yīng)當(dāng)用10%濃度的蘇打水或堿水擦凈，然后再用布擦干，并經(jīng)常保持通氣孔的暢通。

3.6 注意防凍防曬

在寒冷的冬季，電解液的化學(xué)反應(yīng)速度慢，使蓄電池容量大為降低，還可能使蓄電池電解液結(jié)冰，凍壞極板和外殼。因此，冬季應(yīng)注意蓄電池的保溫，如套裝保溫套，夜間停用車輛將蓄電池放入室內(nèi)。在炎熱的夏季，應(yīng)避免蓄電池的曝曬，以免電解液大量蒸發(fā)，使電解液密度過高，造成蓄電池的早期損壞。

3.7 及時正確地充電

（1）蓄電池過度放電會使極板硫化，影響其使用壽命。因此，在車上使用的蓄電池每2個月應(yīng)補充充電1次。蓄電池的放電程度，冬季不得超過規(guī)定容量的25%，夏季不得超過50%；放完電的蓄電池應(yīng)在24 h內(nèi)進行充電；帶電解液存放的蓄電池，每2個月應(yīng)補充充電1次。

（2）對于結(jié)冰的蓄電池，應(yīng)先融化后再充電。充電開始前先檢查液面高度，液量不足時應(yīng)補加蒸餾水。擰下蓄電池各個小蓋，在充電過程中保持各小蓋螺孔敞開。充電電流應(yīng)為蓄電池容量的10%。

（3）在充電過程中應(yīng)隨時測量電解液的溫度，使其≤40℃，如果＞40℃時應(yīng)停止充電或降低充電電流，直到電解液溫度降到40℃以下時再恢復(fù)正常充電。

（4）為確保能充足電，在充電過程中每小時測量3次電解液密度和電壓，直到它們不再上升，并且所有隔槽內(nèi)電解液都猶如沸騰時，才可停止充電。

（5）充電結(jié)束后應(yīng)檢查電解液密度和大電流放電時電壓情況，如不符合要求應(yīng)檢修或更換蓄電池。

4 蓄電池的檢測

蓄電池的技術(shù)狀況可以根據(jù)放電程度和啟動能力進行檢測和判斷。放電程度是反映蓄電池供電能力的重要指標(biāo)之一。放電程度越大，則供電能力越??；反之放電程度越小，則供電能力越大。

蓄電池放電程度的大小，既可以通過測量電解液的密度進行換算，也可以通過檢測蓄電池大負(fù)荷放電的端電壓進行判斷。

4.1 檢測電解液密度

電解液密度是反映蓄電池技術(shù)狀況的重要指標(biāo)。通過測量電解液密度，可以判斷蓄電池的放電程度。電解液密度應(yīng)符合表1規(guī)定。

如果各電池槽中的電解液密度相互間偏差≤0.02 g/cm3，可對蓄電池進行充電，恢復(fù)其性能；當(dāng)偏差超過此值時，說明蓄電池有短路，應(yīng)進行修復(fù)或更換。測量電解液密度通常以20℃的溫度為標(biāo)準(zhǔn)，平時測量的電解液密度必須進行溫度校正，計算方法式（4）：

表1 電解液密度g/cm3

式中ρ20——20℃時的密度，g/cm3

ρt——t℃時的密度，g/cm3

t——測量時的溫度，溫度系數(shù)是0.00075

4.2 測量大負(fù)荷下的端電壓

利用高頻放電計檢查蓄電池正負(fù)極間的端電壓。當(dāng)負(fù)載電流較大時，最低電壓在5 s內(nèi)≥9.6 V，否則表明蓄電池己放電程度較大或損壞。

4.3 根據(jù)車啟動判斷放電程度

汽車用蓄電池的主要作用是啟動發(fā)動機，因此，通過對蓄電池進行啟動發(fā)動機情況，就可以較準(zhǔn)確地判斷蓄電池的放電程度和啟動能力

在汽車上連續(xù)幾次使用啟動機，若都能驅(qū)動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，則說明蓄電池存電充足；若轉(zhuǎn)動無力或不能轉(zhuǎn)動，則說明蓄電池放電過多或有故障。

在夜間開燈并使用啟動機時，若啟動機旋轉(zhuǎn)有力，燈光稍有變暗，則說明蓄電池存電充足；若啟動機旋轉(zhuǎn)無力，燈光變得暗淡，則說明蓄電池放電過多；若不能帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，且燈光暗淡或熄滅，則說明蓄電池放電過多或嚴(yán)重硫化。

〔編輯 王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.02