低溫-40 ℃下鉛酸蓄電池的放電特性

鄭 昆，侯衛(wèi)國,2，蔣華儉，戚繼先，?？±?/p>

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 蕪湖實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引 言

鉛酸蓄電池作為汽車用直流電源，主要有以下功能：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，給啟動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)電流；為車內(nèi)電器提供電源，是汽車不可或少的部分。目前，軍用車輛（如軍用卡車）進(jìn)行環(huán)境鑒定試驗(yàn)，在環(huán)境溫度-40 ℃下工作需啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)出現(xiàn)大量的無法啟動(dòng)故障。經(jīng)分析定位，大部分原因是車輛上的鉛酸蓄電池?zé)o法滿足使用要求[1]。因此，有必要對(duì)鉛酸蓄電池在低溫-40 ℃下的放電情況（如容量）進(jìn)行研究。

1 鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池由極板（正極PbO2、負(fù)極Pb）、隔板、殼體、電解液（H2SO4、H2O）、鉛連接條、極柱等組成，是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置[2-3]。鉛酸蓄電池的工作原理如圖1所示。

1.1 充電工作原理

鉛酸蓄電池充電是將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。在充電機(jī)的作用下，電流從充電機(jī)正極流出，經(jīng)電池后流回充電機(jī)的負(fù)極。在蓄電池內(nèi)部，負(fù)離子HSO4-、OH-離開負(fù)極向正極遷移，而帶正電荷的離子H+離開正極向負(fù)極遷移。電池內(nèi)部的電流與H+遷移方向一致。

圖1 鉛酸蓄電池工作原理圖

鉛酸蓄電池充電過程使得難溶解物質(zhì)PbSO4不斷還原成Pb、PbO2，同時(shí)發(fā)生水的電解，使得電解液的濃度增加，化學(xué)反應(yīng)式如下：

1.2 放電工作原理

鉛酸蓄電池充電是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)負(fù)載接通后，電子從負(fù)極流出，經(jīng)過負(fù)載后再流回電池正極，此時(shí)HSO4-、OH-、SO4-負(fù)離子從正極向負(fù)極遷移，H+正離子從負(fù)極向正極遷移。

鉛酸蓄電池放電過程中，正極PbO2、負(fù)極Pb與電解液H2SO4發(fā)生反應(yīng)，最終形成難溶物質(zhì)PbSO4和水，使得電解液濃度降低，化學(xué)反應(yīng)式如下[4-7]：

2 試驗(yàn)方案

影響鉛酸蓄電池放電性能的因素有電解液濃度、正負(fù)極的活性等，故可通過觀察鉛酸蓄電池的放電內(nèi)阻及電解液的密度（重量）變化評(píng)價(jià)蓄電池性能的變化。同時(shí)，放電容量是鉛酸蓄電池重要的健康狀態(tài)參數(shù)，是衡量其供電可靠性的重要指標(biāo)。充足的放電容量是保證負(fù)載等設(shè)備正常啟動(dòng)運(yùn)行的基本條件[6]。

2.1 樣品及設(shè)備情況

本文研究的對(duì)象是目前使用較多的駱駝牌6-QWLZ-180（950）-L型鉛酸蓄電池（額定容量為180 Ah）。試驗(yàn)過程采用艾德克斯IT6952A型電源、IT8812型電子負(fù)載對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電、放電。DY2015A型汽車蓄電池檢測(cè)儀用于測(cè)量鉛酸蓄電池的內(nèi)阻。

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟參考GJB 2514A-2012《軍用鉛酸蓄電池通用規(guī)范》、GJB 516B-2009《軍用汽車鉛酸蓄電池通用規(guī)范》，具體如下：

（1）試驗(yàn)前分別對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的2塊鉛酸蓄電池（編號(hào)分別為1#、2#）進(jìn)行稱重，并記錄重量。

（2）將鉛酸蓄電池放入溫度箱，并按照要求與電源、電子負(fù)載連接，并在電池表面粘貼溫度傳感器。

（3）電池完全充電，即調(diào)整溫度箱溫度至25 ℃，待蓄電池溫度穩(wěn)定2 h后，蓄電池以2I20A（18 A）恒流充電至蓄電池電壓為（14.4±0.1）V后，再繼續(xù)充電5 h，使其達(dá)到完全充電，用蓄電池檢測(cè)儀測(cè)試常溫下電池內(nèi)阻。

（4）低溫放電，即電池完全充電后，調(diào)整溫度箱溫度至-40 ℃，使得電池在-40 ℃下擱置8～16h后，用蓄電池檢測(cè)儀測(cè)試低溫下電池內(nèi)阻，然后在該環(huán)境下以0.1C（18 A）的電流連續(xù)放電至蓄電池電壓為10.5 V時(shí)終止，記錄放電時(shí)間，并以放電電流（18 A）乘以放電時(shí)間（h）計(jì)算放電容量值。

（5）重復(fù)步驟2～3，循環(huán)5次后對(duì)2塊蓄電池分別稱重，即每隔5次循環(huán)對(duì)蓄電池稱重，記錄重量差。

（6）電池充電、放電共計(jì)20次時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

因鉛酸蓄電池放電過程是正極PbO2、負(fù)極Pb與電解液H2SO4發(fā)生反應(yīng)，最終形成難溶物質(zhì)PbSO4和水，在低溫環(huán)境下離子運(yùn)動(dòng)速度變慢，化學(xué)反應(yīng)活性降低，表征的現(xiàn)象是低溫下的內(nèi)阻比常溫下內(nèi)阻大，進(jìn)而影響到放電容量。常溫和低溫下的電池內(nèi)阻對(duì)比如圖2所示，可知常溫下的內(nèi)阻變化不大，但低溫下的內(nèi)阻值整體比常溫下的內(nèi)阻大，且隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，經(jīng)過20次循環(huán)后，1#、2#電池低溫下內(nèi)阻均增加了3 mΩ左右，即相對(duì)于初始循環(huán)增加了64.4%。

圖2 電池內(nèi)阻情況

因工藝及電池結(jié)構(gòu)等原因，鉛酸蓄電池電池在使用過程中會(huì)出現(xiàn)電解液揮發(fā)現(xiàn)象，表征的現(xiàn)象是電池重量降低。由放電過程化學(xué)反應(yīng)式得知，電解液濃度的降低影響正負(fù)極與電解液化學(xué)反應(yīng)，使得反應(yīng)不充分，進(jìn)而影響到放電容量[8-11]。本試驗(yàn)方案中每5次循環(huán)對(duì)電池進(jìn)行稱重，統(tǒng)計(jì)重量變化如表1、表2所示?？芍?，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，蓄電池的重量逐步降低。經(jīng)過20次循環(huán)，1#、2#電池重量減輕約4 kg，約為初始重量的10%。

表1 1#鉛酸蓄電池重量變化情況

1#、2#電池的放電容量曲線如圖3所示?？芍?，鉛酸蓄電池的放電容量隨著試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加而降低。標(biāo)稱容量180 Ah的鉛酸蓄電池，在低溫-40 ℃放電容量?jī)H有約70 Ah。其中，在試驗(yàn)進(jìn)行第4循環(huán)時(shí)，容量下降最明顯。經(jīng)過20次試驗(yàn)循環(huán)，容量為180 Ah的蓄電池放電容量?jī)H有20 Ah左右，約為額定容量的11.1%。

表2 2#鉛酸蓄電池重量變化情況

4 結(jié) 論

綜上所述，在低溫-40 ℃下，經(jīng)過多次循環(huán)后，鉛酸蓄電池的放電容量?jī)H可達(dá)到額定容量的11.11%左右，放電容量在經(jīng)歷4次循環(huán)后降低最明顯，且測(cè)試前后鉛酸蓄電池內(nèi)阻的增加和質(zhì)量降低明顯，嚴(yán)重影響了放電容量。因此，軍用車輛及其他使用鉛酸蓄電池的產(chǎn)品在-40 ℃溫度下啟動(dòng)工作時(shí)，應(yīng)盡量使用全新鉛酸蓄電池并保證將其完全充滿，同時(shí)鉛酸蓄電池應(yīng)改善制造工藝，減少使用過程中電解液的揮發(fā)，開發(fā)耐低溫型電解液。

圖3 蓄電池低溫-40 ℃下放電容量曲線