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电动巡逻车厂家讲解铅酸蓄电池的原理与构造

作者:admin | 发布日期:2015-01-16 12:54:14 | 浏览量:13

所谓蓄电池即是贮存化学能量,于必要时放出电能的一种电气化学设备。

构成铅蓄电池之主要成份如下:  

阳极板(过氧化铅.PbO2)---> 活性物质

阴极板(海绵状铅.Pb) ---> 活性物质

电解液(稀硫酸) ---> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)

电池外壳 

隔离板 

其它(液口栓.盖子等) 

一、铅蓄电池之原理与动作 

    铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中,两极间会产生2V的电力,这是根据铅蓄电池原理,经由充放电,则阴阳极及电解液即会发生如下的变化: 

(阳极)  (电解液)   (阴极) 

PbO2  +  2H2SO4  +  Pb  --->  PbSO4 + 2H2O + PbSO4   (放电反应) 

(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) 

  (阳极)    (电解液)  (阴极)

PbSO4  +  2H2O   +  PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb  (充电反应) 

(硫酸铅)  (水)      (硫酸铅) 

1. 放电中的化学变化 

    蓄电池连接外部电路放电时,稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物『硫酸铅』。经由放电硫酸成分从电解液中释出,放电愈久,硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例,只要测得电解液中的硫酸浓度,亦即测其比重,即可得知放电量或残余电量。 

2. 充电中的化学变化 

    由于放电时在阳极板,阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升,并逐渐回复到放电前的浓度,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,而阴极板就产生氢,阳极板则产生氧,充电到最后阶段时,电流几乎都用在水的电解,因而电解液会减少,此时应以纯水补充之。

二、电动车用蓄电池的构造 

电动车用蓄电池,必须具备以下条件: 

◎ 高性能 

◎ 耐震.耐冲击 

◎ 寿命长 

◎ 保养容易 

由于玻璃纤维管式铅蓄电池是累积多次实验结果而制成,故具有多项优点。

1.极板 

    根据蓄电池容量选择适当规格极板及数量组合而成。于充放电时,两极活性物质随着体积的变化而反复膨胀与收缩。两极活性物质中,阴极板之海绵状铅的结合力较强,而阳极板之过氧化铅的结合力弱,因而在充放电之际,会徐徐脱落,此即为铅蓄电池寿命受到限制的原因。期使蓄电池使用期限延长,能耐震并耐冲击,则阳极板的改良即成当急要务。

    玻璃纤维管式的阳极板: 此乃以玻璃纤维制的软管接在铅合金制的栉状格子(蕊金)上,在软管和蕊金间充填铅粉之后,将软管密封,使其发生变化,产生活性化物质,由于活性化物质不会脱落,与电解液接触亦良好,是一种非常好的极板材料。使用具有这种极板的蓄电池是电动车唯一的选择。编织式软管乃以9microm(μ)的玻璃纤维编成管袋状,弹性好,可耐膨胀或收缩,而且对电解液的渗透度也非常良好,此软管乃是最佳产品,长久以来,实用绩效良好.

    糊状式极板: 就是将稀硫酸炼制之糊状铅粉涂覆在铅合金制的格子上,俟其 干燥后所形成之活性物质。这种方式一直被采用在铅蓄电池的阴极板上,同时亦使用在汽车,小货车的蓄电池阳极板上。

2.隔离板 

    能防止阴、阳极板间产生短路,但不会妨碍两极间离子的流通。而且经长时间使用,也不会劣化,或释放杂质。铅蓄电池一般都使用胶质隔离板。 

3.电池外壳 

    耐酸性强,兼具机械性强度。电动车用的蓄电池外壳乃使用材质强韧之合成树脂经特殊处理制成,其机械性强度特别强,上盖亦使用相同材质,以热熔接着。 

4.电解液 

    电解液比重以20℃的值为标准,电动车用的蓄电池完全充电时之电解液标准比重为1.280。 

5.液口栓 

    液口栓的功能为排出充电时所产生的气体及补充纯水,测定比重。

三、蓄电池的容量

电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之: 

◎ 电解液比值      1.280/20℃ 

◎ 放电电流       5小时的电流 

◎ 放电终止电压     1.70V/Cell 

◎ 放电中的电解液温度  30±2℃ 

1.放电中电压下降 放电中端子电压比放电前之无负载电压(开路电压)低,理由如下: 

(1)V=E-I.R 

V:端子电压(V)    I:放电电流(A) 

E:开路电压(V)   R:内部阻抗(Ω) 

(2)放电时,电解液比重下降,电压也降低。 

(3)放电时,电池内部阻抗即随之增强,完全充电时若为1倍,则当完全放电时,即会增强2~3倍。 

用于起重时之电瓶电压之所以比用于行走时的电压低,乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大,因此放电流大,则上式的I.R亦变大。 

2.蓄电池之容量表示 

在容量试验中,放电率与容量的关系如下: 

5HR....1.7V/cell 

3HR....1.65V/cell 

1HR....1.55V/cell 

严禁到达上述电压时还继续继续放电,放电愈深,电瓶内温会升高,则活性物质劣化愈严重,进而缩短蓄电池寿命。 

因此,堆高机无负重扬升时的电池电压若已达1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v),则应停止使用,马上充电。 

3.蓄电池温度与容量 

当蓄电池温度降低,则其容量亦会因以下理由而显著减少。 

(A)电解液不易扩散,两极活性物质的化学反应速率变慢。 

(B)电解液之阻抗增加,电瓶电压下降,蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。 

因此: 

(1)冬季比夏季的使用时间短。 

(2)特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大,而使一天的实际使用时间显著减短。 

若欲延长使用时间,则在冬季或是进入冷冻库前,应先提高其温度。 

4.放电量与寿命 

每日反复充放电以供使用时,则电池寿命将会因放电量的深浅,而受到影响。 

5.放电量与比重 

蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。因此,根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重,即可推算出蓄电池的放电量。 

测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此,定期性的测定使用后的比重,以避免过度放电,测比重的同时,亦侧电解液的温度,以20度C所换算出的比重,切勿使其降到80%放电量的数值以下。 

6.放电状态与内部阻抗 

内部阻抗会因放电量增加而加大,尤其放电终点时,阻抗最大,主因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体─硫酸铅及电解液比重的下降,都导致内部阻抗增强,故放电后,务必马上充电,若任其持续放电状态,则硫酸铅形成安定的白色结晶后(此即文献上所说的硫化现象),即使充电,极板的活性物资亦无法恢复原状,而将缩短电瓶的使用年限。 

★白色硫酸铅化 

蓄电池放电,则阴、阳极板同时产生硫酸铅(PbS04),若任其持续放电,不予充电,则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶(即使再充电,亦难再恢复原来的活性物质)此状态称为白色硫化现象。

7.放电中的温度 

当电池过度放电,内部阻抗即显著增加,因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高,会提高充电完成时温度,因此,将放电终了时的温度控制在40℃以下为最理想。 

四、充电的管理 

1.蓄电池的充电特性 

蓄电池充电的端子电压如下式表示 

V= E+I.R,在此 

E=电瓶电压(V) I=充电电流(A) R=内部阻抗(Ω)

2.蓄电池温度与寿命 

蓄电池温度(电解液温度)升高,则阴阳极板上的活性物质即会劣化,并腐蚀阳极格子,而缩短电池寿命,相对的,电池温度太低时,会使电池蓄电容量减少,容易过度放电,进而使电池寿命缩短。此种关系也会因电池型式,极板材质而有变化。故应遵守下列之使用条件: 

通常蓄电池之电解液温度应维持在15~55℃为理想使用状态,不得已的情况下,也不可超过放电时-15~55℃,充电时0~60℃的范围。实际使用时,由于充电时温度会上升,因此,放电终了时之电解液温度以维持在40℃以下为最理想。 

3.充电量与寿命 

蓄电池所须之充电量为放电量的110~120%.放电量与蓄电池寿命具密切关系,假设充电量为放电量120%时的电池,使用寿命为1200回(4年),则当电池的充电量达放电量之150%时,则可推算该电池的寿命为: 

1200回×120/150=960回(3•2年) 

又,此150%的充电,迫使水被分解产生气体,电解液遽减,将使充电终点的温度上升,结果温度上升造成耐用年限缩短。此外,充电不足即又重复放电使用,则会严重影响电池寿命。 

◎ 堆高机举重时,若电池温度保持在10~40℃之间,其充电量亦维持在110~120%者,最能延长电池寿命,此时充电完成之比重,其20℃换算值约为1•28。 

4.气体的产生与通风换气 

充电中产生的气体为氧与氢的混合气,氢气具爆炸性,若空气中氢气达3.8%以上,且又近火源,则会发生爆炸。充电场所必须通风良好,注意远离火源,避免触电。

五、电解液之管理 

1.比重测定 

测量比重时,须使用吸取式比重计将电解液缓缓吸入外筒,从浮标之刻度即可测知比重。 

铅蓄电池之电解液比重会随温度改变而变化,电解液比重乃以摄氏20度时的比重为标准,因此比重计上的读数,必须换算为摄氏20度时之标准比重。当温度变化摄氏一度时,则比重即变化0.0007,因此,在测量比重的同时,必须测量温度,测温时,请使用棒状酒精温度计。 

该温度t℃时所测之比重为St,则以下式换算标准温度20℃时之比重S20

S20=St+0.0007(t-20) 

S20...为换算成20℃时的比重 

St....为t℃时所测之比重 

  t.....为测得电解液之实际摄氏温度 

例如:20℃时比重为1.280者,在10℃时变成1.287;30℃时,变成1.273

2.纯水之补充 

重复放电时,电解液面会缓缓下降,因此定期检视电解液液位,随时补充纯水,以维持适当之液位,若因忽略补水,而露出极板,则会伤害极板。蓄电池用纯水的标准按日本蓄电池工业会SBA4001的规定如下:

项目

 单位

 规格

浊度

 - 无色透明

液性

  中性

导电度

 μυ/cm

 10以下

 %

 0.0001以下

铁(Fe)

 %

 0.0001以下

硫酸根(SO4)

 %

 0.0001以下

强热残分

 %

 0.001以下

其它

 %

 0.005以下

 3.电解液中的不纯物与电池寿命 

电解液中若含有硝酸、盐酸、亚硫酸、盐素、有机物等,则会腐蚀极板,加速缩短电池寿命,同时也会加速自我放电,此外,铜、镍、铁、锰亦会伤害电池导致自我放电量增加。 

蓄电池补充液位时,一定要使用纯水,用水冲洗电瓶时,一定要将电池帽盖紧以避免冲洗用水流入电瓶内。 

4.补水过多所造成的弊端 

补水时若超过最高液面(参照第4-1)则充电时就会发生满溢,而使稀硫酸成份流失,腐蚀电瓶箱,电解液比重偏低造成蓄电容量不足等。

六、其它 

1.自我放电 

蓄电池当其内部发生纯化学反应,或因不纯物污染造成电化学反应,或长久不用皆会耗电,此即称为自我放电。自我放电之耗电程度乃视蓄电池构造温度、比重、不纯物,使用过等而有所不同,一般在一天内会放掉0.5~1%,蓄电池在使用前的保存期间就会自我放电,消耗蓄电量。 

当蓄电池处于长期持续放电状态时,则一旦形成白色硫酸铅化,则即使再充电,也无法恢复其容量。库存期间务必每1个月就充电一次。 

2.电瓶寿命终期的判定 

蓄电池到寿命终期,其容量就会减少,至于其容量在数字上退减的程度为何﹖则可依容量试验测定之。 

放电前必须确定电池的比重与电压已达最高值,然后再持续充电1小时,才能完全充电。 

充电终期是将比重调整到1.28±0.01(20℃)液面亦维持在规定液面的标准。 

放电开始时期:充电完全放置1小时后。 

放电电流:5HR规格容量的1/5(5HR400AH时固定电流为80A) 

放电终止电压:平均1.7V/cell (24cell为40.8V,12cell 20.4V) 

容量:放电电流×到达终止电压之前的放电时间


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