串联蓄电池组抽头供电问题的研究

串联蓄电池组抽头供电问题的研究
作者：许琴
来源：《电子世界》2013年第13期
【摘要】本文以一个错误的设计方案为例，深入分析铅酸蓄电池的充放电、极化以及极化电压的动态变化，推导出对不均衡电量的串联蓄电池组充电是无效的，并给出正确的设计方案。

【关键词】充放电；极化；不均衡电量；充电无效
1.引言
应急指挥通信车装载多种类的通信设备，如短波、超短波、集群车台，这些负载多为12V 电源供电。

为了满足这类设备动中通的要求，设计人员有时会直接使用汽车的蓄电池给设备供电。

如果原车蓄电池为单节12V电压，可直接取电；若原车由两节24V电池组提供启动电压，在工程实施过程中，一般采用中间抽头，取后节电池提供设备电源。

2.实例简述
某机动指挥通信系统装载有常规的集群电台，机动车发动机启动电池为两节电池串联，电压为直流24V，设计人员为了实现车辆行进中的集群通信，对两节电池组中间抽头，采用了后节电池给集群电台提供电源。

系统供电拓扑图如图1所示。

该机动车使用了一段时间后，汽车不能点火启动，经检查，前节电池开路电压12.6V，后节电池电压只有11V，使用过程中，汽车发动机是一直运转的，原车发电机对两节电池一直充电，为什么后节电池电压过低？为了查出原因，下面对铅酸蓄电池的充放电和极化过程进行深入分析。

3.铅酸蓄电池的结构简单介绍
铅酸蓄电池一般由六个单元格组成，每个单元格由阳极板、阴极板、隔板和稀硫酸电解液组成；单元格串联输出12.6V电压，耐酸、耐热、耐震的硬橡胶或塑料壳体作为电池的外结构[1]。

极板以铅锑合金为骨架，涂一层松软的铅膏，化学处理后，阳极外层生成活性物质过氧化铅（PbO2），阴极外层生成活性物质铅（Pb）。

隔板有玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板以及塑料维隔板，其作用使正负极板绝缘，而电解液中的带电离子可以自由通过。

4.铅酸蓄电池的放电过程
铅酸蓄电池放电是一个比较复杂的电化学反应过程。

阴极反应：阴极板外层的活性物质铅在稀硫酸中发生氧化作用。

反应方程式如下：
由于反应时极板产生的2价铅，排斥溶液中的氢离子，阴极附近尽管有多余的氢离子，但不会从本极板上吸收电子，析出氢气；由于反应的产物不能从反应点移出，从而阻止了反应持续不断的进行，所以电池开路时，阴极反应是动态平衡的可逆反应。

阳极反应：在没有外电荷作用下，少量氧化铅与水发生作用，其过程也是动态平衡的可逆反应。

反应方程式如下：
当电池开路时，阳极只有少量带正电的4价铅，同时附近的溶液中含有氢氧根离子，而阴极有多余的自由电子，两极板以及电解液形成双电层，产生电势差，如图2所示。

蓄电池由六个单元格串联，于是形成了蓄电池开路电压[2]，即蓄电池的电源电动势ES。

当用导线和负载将两极板连接时，在电场的作用下，阴极多余的自由电子向阳极定向移动，形成外部电流，阳极铅离子捕获2个自由电子，被还原后与硫酸反应生成难溶解的硫酸铅，可逆反应式-2的动态平衡被破坏，持续向正向进行。

同时，阴极附近的氢离子与阳极附近的氢氧根离子相互吸引，形成内部电流，相互作用后生成水；由于阴极反应产物（多余的自由电子）消耗到阳极反应，可逆反应式-1动态平衡也被破坏，反应式-1将持续进行。

反应方程式如下：
从反应式-4可知，随着放电反应继续发生，溶液中的硫酸分子将逐渐减少，当硫酸的浓度少到一定的程度后，极板被硫酸铅覆盖，蓄电池电动势降低，蓄电池需要充电。

5.铅酸蓄电池的充电和极化
5.1 充电过程
当外加充电器的电压大于蓄电池的开路电压时，两极板之间的电荷将会发生反方向移动，即在充电器的作用下，电子从阳极强制迁移到阴极；同时，溶液中的氢离子在充电器产生的电场力的作用下，压迫到阴极，参加阴极反应，可逆反应方程式将反方向持续进行，如图3所示。

充电反应总方程显示：随着充电反应持续深入进行，溶液中的硫酸浓度提高，蓄电池的电量变大。

5.2 极化过程
充电过程中极板发生三种极化过程：欧姆极化、电化学极化、浓度差极化[3]。

欧姆极化：充电过程中电子从阳极经过外部导线移动到阴极；同时，溶液中也存在正负离子定向移动，溶液中的离子需要克服极板、电解液、电池隔板的阻力，这种阻力形成蓄电池的欧姆极化内阻。

欧姆极化电压符合欧姆定律：UΩ=I*RΩ，充电过程蓄电池电极的发热量符合焦耳定律：Q=I2RΩt。

电化学极化：充电器向极板输送电荷速度大于极板上的电化学反应速度，来不及参加反应的电荷驻留在极板上，使得阳极板电势向正向偏离，阴极板电势向负向偏离。

电化学极化电压理论上为：U1=（RT/nF）*Ln（I/Io）[4]。

浓度差极化：两个极板的充电反应都会产生硫酸，将导致极板附近的硫酸浓度升高，不能很快的扩散，反应产物来不及移除，抑制了反应的速度，需要等到极板附近的硫酸分子扩散开，反应速度才能恢复。

因此，充电过程中，充电器也需要克服浓度差极化电压：U2=
（RT/nF）*Ln（Id/（Id-I））[4]。

根据对蓄电池的充电和极化过程的分析可以得出如下结论：充电时，充电器需要克服蓄电池极板开路电压和极化电压，充电电压U=ES+∆U。

其中∆U为欧姆极化电压、电化学极化电压以及浓度差极化电压之和。

6.铅酸蓄电池充电过程中极化电压动态分析
充电时，蓄电池的极化电压是动态变化的。

如14V恒压充电器对单个的11V蓄电池充电，如图4所示，充电电压器电压U=ES+∆U，充电初始时刻，极化电压为3V，浓差极化电压占主导。

因为初始时刻，溶液中的硫酸浓度低，反应速度快，在极板附近迅速产生高浓度的硫酸，高的浓差极化电压；随着充电持续进行，蓄电池的电量变大，电池的电动势ES增大，极化电压∆U逐渐减小，当充电完成后，蓄电池电动势ES为12.6V，极化电压为1.4V，此时硫酸的浓度不再变化，极板的充电反应也已经完成，所以，不存在浓度差极化和电化学极化。

此时，极板的电化学反应不是有效充电的电化学反应，而是水的电解反应[5]，阳极析出O2，阴极析出H2，∆U为溶液中离子定向移动欧姆电阻引起的电压。

电化学反应方程式如下：
能斯特方程[4]可以证明，蓄电池充电时，发生充电反应极板的电位高于析气电解反应极板的电位。

正是由于极化的作用，铅酸蓄电池充电时，由于极板电位的偏移，本应该是析气的电解反应，变成了带极化作用的充电反应。

当蓄电池电量充电完成，硫酸扩散完成，极化作用消失，充电反应变成析气的电解反应。

当用一个U=26V的恒压充电器对电量严重不均匀的两节串联电池组充电时，对放电量较大的蓄电池充电无效。

实验数据如下：第一节蓄电池的放电量10%，测得开路电压ES1=12.4V；第二节蓄电池放电80%，测得开路电压ES2=11.2V。

实验测得两节电池的极板电压严重不均衡，第一节蓄电池
分得充电器14.7V的电压，而放电量80%的蓄电池得到充电电压仅仅只有11.3V；如图5所示。

这是因为两节电池串联，充电电流相等；充电初始时刻，由于第一节蓄电池极板只有少量硫酸铅覆盖，所以充电的电化学反应速度快，极板附近的硫酸浓度高，产生较高的浓差极化电压∆U1；而第二节电池极板被大量的硫酸铅覆盖，反映速度慢，产生较低的浓差极化电压
∆U2；经过多次正反馈，到达平衡状态后，∆U1≈U-（ES1+ES2），∆U2≈0，放电量大的蓄电池并没有发生极化，其极板只是产生了析气的电解反应。

通过蓄电池充电过程中极化电压动态分析，可以得出如下结论：恒压充电器对两节串联蓄电池组充电时，如果两节蓄电池放电量严重不均衡，放电量大的蓄电池充电无效。

7.结论
在机动指挥通信系统中，设计人员对机动车两节电池组中间抽头，采用了后节蓄电池
12V，提供集群电台的电源，这样的设计将导致后节蓄电池放电量大，引起汽车引擎发电机无法对蓄电池组进行有效的充电，最终导致蓄电池失效。

正确的设计方式：取消电池组中间抽头设计，增加一台24V转12V的直流降压变换器，然后再给12V负载供电，如图6所示。

参考文献
[1]李柏林.蓄电池结构与原理[J].汽车电器，2010，12.
[2]龚竹青.理论电化学导论[M].湖南：中南工业出版社，1988.
[3]汤瑞湖，李莉.物理化学[M].北京：化学工业出版社，2008.
[4]廖斯达，贾志军，等.热力学平衡与能斯特方程的应用[J].储能科学与技术，2013，01.
[5]王坚，朱松然.慢脉冲快速充电方法有效控制电池极化的研究[J].电池，2003，06.。