鉛酸蓄電池容量檢測方法

【摘要】 鉛酸蓄電池是許多艦船的動力源或應(yīng)急電源，也是火車指揮調(diào)度、郵電通信、銀行運(yùn)營等必不可少的應(yīng)急電源。電磁的性能將直接關(guān)系到艦船火車調(diào)度、郵電通信、銀行運(yùn)營的正常運(yùn)行。為了提高蓄電池使用壽命，保證其可靠運(yùn)營，需要經(jīng)常對蓄電池進(jìn)行嚴(yán)格的測量，以確保蓄電池處于最佳工作狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】 鉛酸蓄電池;密度;容量

一、鉛酸蓄電池的基本電特性

1.密度特性

鉛蓄電池正、負(fù)極主要成分是鉛，電解液是硫酸，故又稱酸電池。鉛蓄電池的充、放電是靠蓄電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的可逆反應(yīng)來完成的。放電時，負(fù)極板上海綿狀的鉛和正極板上的二氧化鉛都逐漸轉(zhuǎn)變成硫酸鉛，同時消耗一部分硫酸，增加了一部分水，電解液的濃度減小，密度降低。充電時，隨著電流的通過，負(fù)極板上的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成深灰色的海綿狀的鉛，正極板上的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有硫酸生成，電解液中硫酸的成分增加，水分減少，電解液濃度增加，密度升高。故可以用測量密度的方法來判斷電池的充、放電程度。

2.電壓特性

鉛蓄電池在充好電后其電勢約為2.1～22V，開始放電時，其電勢為ZV左右。充電時，電勢升高，一直升到2.5～26V。如繼續(xù)充電，因極板上的有效物質(zhì)已全部還原完畢，水的分解也漸趨于飽和，這時電解液只見沸騰而電壓卻穩(wěn)定在2.7V左右不再增加。停止充電后，電池電勢將驟降至2.3V，最后電勢又將穩(wěn)定在2.1～2.2V左右。放電時，電勢驟降至2～2.05V。隨后在很長一段時間內(nèi)，電勢下降相當(dāng)緩慢而平穩(wěn)，當(dāng)放電到某一電壓(即終止電壓)之后，電池電勢開始急劇下降，這是放電完畢的象征。但由于蓄電池放電時有“休息”現(xiàn)象，所以斷路電池的電勢不能表示放電程度。

3.溫度特性

鉛蓄電池發(fā)熱的因素有以下幾個:

(1)內(nèi)阻熱。鉛蓄電池存在一定的內(nèi)阻，通過電流產(chǎn)生內(nèi)阻熱。

(2)可逆熱。鉛蓄電池具有這樣一些性質(zhì)，放電時，電勢下降，要吸收一部分變成電能輸出，因此會促使電解液溫度下降;充電時，電勢升高，可逆地消耗一部分能放出同樣的熱量，使電解液的溫度升高。

(3)稀釋熱。硫酸和水混合使硫酸得到稀釋，要放出熱量。蓄電池在充電時，孔隙內(nèi)形成的硫酸向孔隙外擴(kuò)散并稀釋，稀釋熱促使電解液溫度升高。

(4)充電后期。電能用于電解水也要產(chǎn)生一部分熱量，使電解液溫度升高。

鉛酸蓄電池正常運(yùn)行的溫度是20～50℃，溫度過高對電池的容量和壽命都會產(chǎn)生極其不利的影響。最佳運(yùn)行溫度是25℃，當(dāng)溫度每升高5℃，蓄電池的使用壽命就會降低10%。

4.液位特性

由于蓄電池的充、放電過程中，硫酸和水都參與了反應(yīng)，這樣勢必會導(dǎo)致電解液液面的升高和降低。船用鉛酸蓄電池規(guī)定電解液液位應(yīng)高出30nun～75Innl，但不能超出這個范圍。

二、鉛酸蓄電池的容量

1.容量的概念

蓄電池的容量概念與一般電氣設(shè)備不同。所謂蓄電池的容量是指充好電的電池，保持放電電流不變，放電至規(guī)定的最終電壓時，所放出的總電量或總電能(功)。當(dāng)蓄電池以恒流放電時，它的容量等于放電電流I和放電時間t(小時)的乘積，單位為安時，即:C=Iptp(安時)(2.1)

如果放電電流不是定值，那么蓄電池的容量為:

容量的另一種表示方法叫瓦時容量。它的值為安時容量與放電期間平均電壓的乘積，即:W=CUcp=IptpUcp (2.3)

2.蓄電池容量與電解液密度的關(guān)系

單體鉛酸蓄電池充滿電后，容量大致在10300安時。其容量在一定限度內(nèi)(實(shí)際應(yīng)用范圍內(nèi))隨密度的增加而增加，但有一定的范圍，超過一定范圍容量就開始減少(圖2.3所示是蓄電池電解液密度與放出容量的關(guān)系曲線圖)。

蓄電池的容量檢測是人們普遍關(guān)注的問題，本文采用最直觀的密度法來檢測蓄的容量。

三、鉛酸蓄電池容量的檢測方法研究

1.蓄電池容量檢測的意義和難點(diǎn)

欲提高鉛酸蓄電池的壽命特性，除需對生產(chǎn)技術(shù)要素進(jìn)行改進(jìn)外，電池的使用管理也是一個很重要的環(huán)節(jié)，有效的電池管理系統(tǒng)會有利于電池壽命的提高。實(shí)現(xiàn)電池能量管理系統(tǒng)的各種功能的基礎(chǔ)，首先要正確判斷電池的荷電狀態(tài)。對蓄電池的剩余容量的準(zhǔn)確估計，已成為艦船鉛酸蓄電池能量管理系統(tǒng)的中心問題。

當(dāng)前，對鉛酸蓄電池電量監(jiān)測的方法一般比較單一，雖然有的開始時對鉛酸蓄電池的剩余容量的估計比較準(zhǔn)確，但隨著溫度變化、蓄電池的老化，估計的誤差會變得非常大。

從有關(guān)論文和試驗來看鉛酸電動勢變換大概有以下趨勢:(1)電動勢隨著放電過程的進(jìn)行而降低，并且對放電電流下，電動勢的下降速度是不同的，這個變化過程很復(fù)雜，很難用一條曲線描述。(2)鉛酸蓄電池的內(nèi)阻變化狀況和它的電動勢變化類似，也是隨著放電阻增加。變化過程也十分復(fù)雜，在不同的電流下的變化也是非常復(fù)雜的。(3)鉛酸蓄電池的電容隨著放電的變化趨勢，以及鉛酸蓄電池的剩余容量變化趨勢，都呈現(xiàn)出不規(guī)則的狀態(tài)。因此，對鉛酸蓄電池的內(nèi)部以及確定蓄電池的剩余容量、確定充放電的上下限比較困難。在艦船中，由于不能正確估計蓄電池的剩余容量而導(dǎo)致蓄電池造成損害，使得蓄電池低，壽命大大減少。

2.蓄電池容量檢測方法的選擇

(1)開路電壓法。即通過檢測開路電壓來得到剩余容量的大小。因為鉛酸蓄電池的剩余容量與它的開路電壓有一定的正比關(guān)系，通過檢測開路電壓就能夠直接得到剩余容量的大小，船用蓄電池要求在充放電過程中也能準(zhǔn)確的顯示剩余容量，而充放電進(jìn)行的過程中開路電壓是無法檢測到的。雖然這種方法能夠直接比較準(zhǔn)確的得到剩余容量的百分比數(shù)，但由于額定容量絕對值是隨著溫度、電池退化等因素變化使得這種方法一般用于UPS蓄電池。

(2)恒流電壓法。即檢測鉛酸蓄電池在恒流放電時的端電壓。這種方法比較準(zhǔn)確，但艦船在行駛的過程中是變負(fù)載的，鉛酸蓄電池的放電電流不是恒定的。這種方法不太適合船用蓄電池的容量檢測。

(3)內(nèi)阻法。通過計算鉛酸蓄電池的內(nèi)阻來推算剩余容量。這種方法實(shí)現(xiàn)比較困難，因為電池的工作條件對電池的內(nèi)阻影響很大，內(nèi)阻的計算需要考慮電動勢的大小、端電壓、放電電流值，在船的實(shí)際行駛的過程中，電流的變化是相當(dāng)復(fù)雜的，計算起來比較復(fù)雜。另外，在放電的初期內(nèi)阻隨放電率的變化并不明顯，即在電池放電的前期，應(yīng)用內(nèi)阻法是不準(zhǔn)確的。內(nèi)阻法也不太適合船用蓄電池的容量檢測。

(4)檢測電解液密度法。即檢測鉛酸蓄電池中溶液的密度，因為鉛酸蓄電池的剩余容量跟它的電解液密度有一定的關(guān)系，通過測量電解液密度來得到剩余容量，這種方法準(zhǔn)確可靠，特別適合于船用鉛酸蓄電池的容量檢測。

上面介紹了鉛酸蓄電池容量計算的幾種常用方法，由于不同蓄電池的特性不同，應(yīng)根據(jù)電解液密度與容量的關(guān)系，間接測量蓄電池的容量。由于蓄電池的實(shí)際容量受很多因素的影響，所以通過測量判斷出，蓄電池的端電壓、電解液溫度和電解液的液位，在這些條件限制的范圍內(nèi)，保證電解液密度與蓄電池容量關(guān)系的穩(wěn)定性。

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