汽车起动用铅酸蓄电池介绍

汽车起动用铅酸蓄电池介绍
廖建斌
(广州丰田汽车有限公司 511445)
[摘要]本文对汽车起动用铅酸蓄电池的结构和工作原理进行了说明，并对其特性进行了分析，最后介绍了免维护铅酸蓄电池的优点。

主题词：铅酸蓄电池、充电、放电
Lead Acid Battery for Automobile Staring
Liao Jianbin
(Guangzhou Toyota Motor CO.,LTD. 511455)
[Abstract]：This paper presents the Construction and working principle of Lead Acid Battery，Analyzs the performance of Lead Acid Battery, Finally introduces the virtue of MF Battery.
Key words: Lead acid Battery，Charge，Discharge
前言：
铅酸蓄电池是将电能转换为化学能储存起来，又能将化学能转换为电能释放出来的一种电化装置。

广泛地应用于汽车中的起动用铅酸蓄电池是供汽车起动、点火、照明的电源，其性能的好坏直接关系到汽车是否可以顺利地起动。

1.铅酸蓄电池分类：
汽车起动用铅酸蓄电池主要分为以下三类：
1）湿荷电蓄电池：极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。

主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。

2）干式荷电蓄电池：负极板有较强的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时只需加入电解液，等半小时左右即可使用。

3）免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。

它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。

2.铅酸蓄电池的结构
铅酸蓄电池的结构如图2-1所示，由外壳、正负极板、隔板、电解液等部分组成。

基本单元是单体电池，将不同数量的单体电池按使用要求串联组合，即可获得不同电压和容量的铅酸蓄电池总成。

1）外壳：即电槽,是容纳正负极板和电解液的容器，要求耐酸性强，并有足够的机械强度,通常使用聚丙烯材料。

2）正负极板：是与电解液反应产生电能的主体部分，由板栅与活性物质构成。

极板在铅酸蓄电池中的主要作用是：电化反应的母体；电压形成的电极；电流形成的转换体。

3）隔板：由微孔橡胶或塑料或玻璃纤维材料制成。

主要作用是：防止正负极板接触短路；保证电解液中的正负离子顺利通过参加电极反应；阻缓正负极扳铅膏物质的脱落及极板受震损伤。

4）电解液：由硫酸与去离子水或蒸馏水配制而成，起动用铅酸蓄电池一般采用
1.28g/cm3的电解液，其主要作用是：参加电化反应；溶液正负离子的传导体；极板产生热量的扩散体。

图2-1 铅酸蓄电池的构造
BATTERY
12V 80AH
MF
外壳
隔板正极板负极板汇流排
极柱盖＋
－
3. 铅酸蓄电池工作原理：
不同的电池因为使用的范围不同，做成多种规格和形式，但其内部基本单元的构造是一样的。

如图3-1所示，铅酸蓄电池（Lead acid ）内的正极 (PbO 2) 及阴极 (Pb) 浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V 的电压。

铅酸蓄电池在充放电时，正负极和电解液会发生如下的变化： 1）放电中的化学变化： (正极) (电解液) (负极 )
PbO 2 + 2H 2SO 4 + Pb → PbSO 4 + 2H 2O + PbSO 4 …………( 放电反应 ) (二氧化铅) (硫酸) (海绵状铅)
蓄电池连接外部电路放电时，正极板活性物质（二氧化铅和铅）和负极板活性物质(海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下反应生成新的化合物（硫酸铅）,硫酸成分会从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀。

2）充电中的化学变化： (正极) (电解液) (负极)
PbSO 4 + 2 H 2O + PbSO 4 → PbO 2 + 2 H 2SO 4 + Pb…………( 充电反应 ) (硫酸铅) (水) (硫酸铅)
放电时在正极板、负极板上所产生的硫酸铅（PbSO 4）会在充电时被分解还原成硫酸、过氧化铅及铅，电池内电解液的浓度会逐渐增加恢复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当正负两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束。

充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，负极板产生氢，正极板则产生氧，因而电解液会减少，此时应补充纯水。

4. 铅酸蓄电池的特性：
1）铅酸蓄电池的开路电压与电解液浓度关系:
铅酸蓄电池的开路电压与电解液H 2SO 4浓度关系曲线如图4-1所示.铅酸蓄电池在放电 过程中, H 2SO 4浓度会逐渐减少,如果的H 2SO 4密度下降到1.2g/cm 3时就必须充电。

2）铅酸蓄电池的内阻：
极板的面积越大，正负极板间的距离越小，则内阻越小，同时正负极板的有效物质、电解液密度、温度等也会影响其内阻。

放电时，电解液H2SO4浓度减少使电阻增加，特别是随放电时间增长，有效物质变成硫酸铅为不良导体，内阻逐渐增大。

温度对铅酸蓄电池内阻的影响也是较明显的，温度低于+25°时，每降低1°，内阻增加1.7～2.0%。

3）铅酸蓄电池充电特性:
如图4-2所示，在蓄电池充电初期，端电压迅速上升（A-B段），这是由于极板的硫酸铅变为铅和二氧化铅时，在极板细孔内形成的硫酸骤增的缘故。

当到达B点后，电压上升逐渐缓慢（B-C段），是由于极板细孔中的硫酸密度的增加和向外扩散的速度渐趁平衡。

达到充电量90%左右时，极板表面的PbSO4大部分变为PbO2和Pb，如果继续充电，水的分解比较明显，负极板上有很多氢气，氢为不良导体使内电阻增加，同时正极板有氧气形成过氧电极，提高了正极电位，内阻增加和电极电位提高使端电压再次快速上升（C-D段）。

当上升到D点时，极板表面的PbSO4基本上全部变为PbO2和Pb，蓄电池两极开始析出气体，出现“过充”，应停止充电。

14±0.2V。

如图4-3所示，蓄电池开始放电时，在较短时间内端电压下降很快(A-B段)，这是由于极板的活性物质与硫酸发生作用，细孔内的硫酸减少，形成水骤增，使细孔内的电解液密度骤减的缘故。

然后到（B-C段）下降缓慢，是由于细孔内中的水分与极板外密度较高的电解液的渗透达到了动态平衡，使细孔内的电解液密度下降减缓的缘故。

到C点时，极板上的有效物质大部分变为硫酸铅，随着极板表面和细孔中形成的硫酸铅体积增大，使极板外的电解液很难向内渗透，所以端电压下降很快。

到D点时，蓄电池电压下降到1.75V左右，放电终止。

超过D点时，蓄电池呈“过放”状态，继续放电将损坏蓄电池。

5.汽车起动用铅酸蓄电池的主要参数：
1）额定电压：
轿车用铅酸蓄电池的额定电压为12V。

2）20小时率容量（A·h）：
蓄电池以I20放电到端子电压降到10.5V（每个1.75V）时,放电持续的时间和电流的乘积算出。

蓄电池外壳标称的容量为20小时率容量。

3）充电接受能力（A）：
完全充电的蓄电池以电流I0（20小时率容量/10）放电5小时，然后用电压14.4±0.1V 进行充电，测试10分钟时的充电电流。

其与电流I0的比值不应小于2.0。

4）定电压水损耗（适用于免维护蓄电池：g）：
蓄电池在温度40±2 ℃（水中）以电压14.40V±0.05V充电500h后，质量的减少量，12V蓄电池的质量损失不得大于6g/A·h。

4）低温起动能力：
蓄电池完全充电后，在温度-18±1 ℃时，以I S（起动电流）放电60 s时的电压。

单体蓄电池平均电压不得低于1.40V。

6）荷电保持能力：
蓄电池完全充电后，在温度-18±1 ℃时，以I S（起动电流）放电30 s时的电压。

单体蓄电池平均电压不得低于1.20V。

6. 免维护铅酸蓄电池：
现在汽车中普遍使用免维护铅酸蓄电池（如图2-1，外壳上有“MF”标识），其与传统蓄电池相比有以下优点：
1）极板的板栅使用铅钙合金。

传统蓄电池板栅用的是铅锑合金，锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。

用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失，另外铅钙合金板栅使自放电量减少，延长了蓄电池的存放时间。

2）隔板采用超微细纤维，把电解液吸收保护在其中，实现了完全密闭构造。

免维护铅酸蓄电池的以上优点，消除了较麻烦的液面线的日常检查和补水的保养作业。

总结:
现在大量生产的氢镍电池和锂离电池由于价格高以及低温性能不如铅酸蓄电池，所以今后汽车起动用蓄电池仍然广泛使用铅酸蓄电池。

参考文献：
[1].胡骅/宋惠主编.电动汽车.人民交通出版社.2006年10月.
[2].GB5008.1-91.起动用铅酸蓄电池技术条件.
[3].JIS.D 5301:1999. 起动用铅酸蓄电池.
[4].孙树立等.铅酸蓄电池使用寿命过短的六大原因及对策.汽车电器.2007,(11):38-40.
[5].伊晓波.铅酸蓄电池制造与过程控制.机械工业出版社.2006年9月.。