車用鉛蓄電池充電特性與應用

曲世永，李發宗，金曉

（1.煙臺南山學院，山東煙臺265713；2.寧波工程學院，浙江寧波315211）

車用鉛蓄電池充電特性與應用

曲世永1，李發宗2，金曉1

（1.煙臺南山學院，山東煙臺265713；2.寧波工程學院，浙江寧波315211）

了解鉛蓄電池的工作特性，能夠延長車用鉛蓄電池的使用壽命。以6QW60鉛蓄電池為例，給出車用鉛蓄電池的使用與維護建議。

車用鉛蓄電池；特性；應用效果

0 前言

鉛蓄電池由正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽及極樁等組成。其中正極板為二氧化鉛，化學符號為PbO2，負極板為純鉛，化學符號為Pb；電解液是稀硫酸，通常在25℃時密度為1.28 g/ cm3。隔板多為微孔高分子聚乙烯及微孔玻璃纖維等。電池槽是由ABS合成樹脂制成，具有耐酸、耐高溫及強度高等特點。

1 鉛蓄電池的工作特性

1.1 蓄電池充放電時的化學反應過程

當鉛蓄電池接通外電路負載放電時，正極板上的PbO2和負極板的Pb都變成了PbSO4，電解液的硫酸變成了水。充電時，正負極板上的PbSO4分別恢復原來的PbO2和Pb，電解液中的水變成了硫酸。其中化學反應式為PbO2＋2H2SO4+Pb＝PbSO4＋2H2O＋PbSO4。

1.2 鉛蓄電池的開路電壓

從化學反應式可看出，鉛蓄電池無論是充電或者放電，均是化學反應過程。其中，蓄電池的開路電壓，也就是電動勢E與蓄電池的極板距離、電解液密度及電解液溫度有關。當鉛蓄電池的極板距離確定以后，其蓄電池的電動勢E只與電解液的密度與電解液的溫度有關。溫度在20℃時，蓄電池正極板PbO2與負極板Pb之間的電動勢E，與電解液相對密度ρ20℃成正比，如式（1）。

式中E為鉛蓄電池靜止時的電動勢，即開路電壓（V）；ρ20℃為基準溫度為20℃時，電解液的相對密度（g/cm3）。

應指出，（1）式是指標準溫度為20℃時的計算方法，而實測的電解液密度及溫度很難一致。所以，還應將實測溫度下電解液的相對密度，轉換成20℃時電解液的相對密度，其轉換關系為式（2）：

式中ρt為實際測量時電解液的密度；β為密度溫度系數，為0.00075 g/cm3℃；t為實際測量時電解液的溫度。

1.3 鉛蓄電池的放電特性

蓄電池的工作能力可通過鉛蓄電池的放電特性實驗來檢查。檢查蓄電池的放電特性，通常采用恒流放電法。所謂恒流放電法，是指電解液相對密度在標準ρ25℃狀態下，以不變的電流進行放電，考察其放電時間與蓄電池端電壓之間的變化規律。圖1是6QW60鉛蓄電池的放電曲線，從中可看出以下情況：

圖1 6QW60鉛蓄電池的放電曲線

（1）放電電流越大，端電壓下降得越快。放電電流越大，初始電壓就越低，當放電電流達到222 A時，端電壓只有10.5 V。這是因為快速放電，極板外部的硫酸還來不及向極板孔隙內滲透，極板內部電解液相對密度迅速下降，這是導致端電壓迅速下降的主要原因。

（2）隨著放電繼續，蓄電池端電壓處于暫時穩定而緩慢下降狀態。當采用恒定電流繼續放電時，蓄電池的端電壓，將出現一段相對穩定而緩慢下降狀態。其穩定時間長短取決于放電電流。這是因為該階段單位時間極板孔隙內部消耗的硫酸量與孔隙孔外部，向極板孔隙內部滲透補充的硫酸量相等，處于一種動平衡狀態的緣故。

（3）當蓄電池放電深度接近其額定容量時，端電壓迅速下降。這是因為，極板表面已形成大量硫酸鉛（其體積是海綿狀鉛的2.68倍，是二氧化鉛的1.86倍），堵塞了極板微孔，滲透能力下降；使單位時間內的滲透量小于極板內硫酸的消耗量，同時使極板內電解液相對密度迅速下降，此時放電停止。

如果繼續放電，端電壓在短時間內將急劇下降到零，致使蓄電池過度放電，導致蓄電池硫化，縮短蓄電池的使用壽命。因此，當蓄電池放電終了時，應及時停止放電，以防損壞蓄電池的極板。

（4）當蓄電池停止放電時，其端電壓會有所回升。這是因為，極板孔隙中的電解液與整個容量中的電解液相互滲透，趨于平衡所致。

1.4 鉛蓄電池的充電特性

所謂鉛蓄電池的充電特性，是指電解液相對密度在標準密度ρ25℃狀態下，以恒定電流進行充電，其端電壓V會隨充電時間的變化而變化。圖2是6QW60型鉛蓄電池的恒流充電規律曲線。

圖2 6QW60型鉛蓄電池的恒流充電規律曲線

（1）充電初始階段蓄電池端電壓上升較快。從圖2中可看出，充電開始，端電壓上升較快。這是由于極板活性物質孔隙內部的水迅速變為硫酸，孔隙外部的水還未來得及滲入補充，極板內部電解液相對密度迅速上升所致。

（2）隨著充電繼續，蓄電池端電壓上升變得穩定而緩慢。這是因為該階段每單位時間內極板內部消耗的水與外部滲入的水基本相等，處于動態平衡狀態。

（3）當電解液濃度為ρ20℃狀態且蓄電池接近有效容量時，電解液出現沸騰。這是因為在該階段，從極板中析出的硫酸，與電解液中的硫酸濃度接近。電能向化學能轉換過程結束，并開始將電解液中的水電解，使正極板表面逸出氧氣，負極板處逸出氫氣電解液中冒出氣泡，出現了電解液“沸騰”現象。

（4）過充電。如果電解液出現沸騰后繼續充電，蓄電池的端電壓將不再上升。為了觀察端電壓和電解液相對密度不再上升，且保證蓄電池充分充電，一般需要過充電2～3 h。

由于過充電時劇烈地放出氣泡會導致活性物質脫落，并造成蓄電池容量降低，使用壽命縮短，因此應盡量避免長時間過充電。過充電時，蓄電池逸出的氫氣、氧氣混合氣體易燃、易爆，充電時應嚴禁出現火花。

一般情況下，恒流充電是為了恢復電池的電壓，恒壓充電是為了恢復電池的儲能，過充電是為了恢復蓄電池的儲電能力。

（5）鉛蓄電池的容量分為額定容量和儲備容量。國家規定，充足電的新蓄電池，在電解液溫度為25±5℃條件下，以20 h放電速率連續放電至端電壓為10.5 V時輸出電量，為蓄電池的額定容量，單位是A·h。所謂儲備容量是指，蓄電池在25±2℃條件下，以25 A恒定電流放電到端電壓降到10.5 V時的放電時間，單位為分鐘（min）。

鉛蓄電池的放電容量與蓄電池溫度有密切關系。例如，溫度高，放電容量增加，溫度低放電容量降低。

2 影響蓄電池性能的主要因素

2.1 結構因素對鉛蓄電池容量的影響

極板厚度越小，電解液滲透越容易，活性物質利用率越高，蓄電池的放電性能也就越好。極板上活性物的實際表面積越大，同時參加化學反應的活性物質就越多，蓄電池的放電性能就越好。提高極板活性物質表面積的方法有兩種：一是增加極板片數；二是提高活性物質的多孔率。

國產鉛蓄電池極板面積已有統一規定，每對極板面的容量為7.5 A·h。如果正負極板總片數為N，那么鉛蓄電池的總容量Qe可通過式（3）進行計算。

2.2 使用因素對鉛蓄電池性能的影響

2.2.1 放電電流對鉛蓄電池使用性能的影響

（1）鉛蓄電池的放電電流越大，其輸出容量就越小。因為放電電流增大，單位時間極板內電解液的消耗量增加，致使極板表面迅速生成粗大晶粒的硫酸鉛，堵塞極板活性物質的微孔，進而阻礙了電解液向極板深層滲透，從而導致極板深層內電解液相對密度及端電壓下降，最終導致蓄電池的容量減小。例如，汽車發動時，由于起動機工作電流較大，致使蓄電池瞬間釋放強大電流，對極板具有極強的，且不可逆的破壞力。所以汽車啟動時，必須嚴格控制啟動時間。每次啟動時間≤5 s，再次啟動應間隔15 s以上，以便使電解液有充分的時間滲入極板深層，提高蓄電池的電動勢和輸出容量。

（2）鉛蓄電池大電流放電時，也極易造成極板組深層熱量得不到及時釋放，從而導致極板彎曲。極板彎曲后，會導致極板上的活性物質脫落。極板上的活性物質脫落后，輕者導致活性物質與極板柵分離，從而導致活性物質有效面積減少，進而導致蓄電池容量下降；重者活性物質脫落到電池槽底部，導致正負極板短路，最終不但導致蓄電池極板有效面積下降、容量下降，同時還將導致蓄電池自放電。

2.2.2 電解液溫度對鉛蓄電池使用性能的影響

電解液溫度降低，鉛蓄電池的輸出容量減小。因為電解液溫度降低時，其黏度增加，滲透能力減弱；同時電解液電阻增加，內部電壓降增大。端電壓在上述2個因素影響下迅速降低，容量減小。電解液溫度每下降1℃，容量約下降1%。如圖3所示。

圖3 鉛蓄電池工作溫度與容量的關系

冬季啟動時，鉛蓄電池的端電壓會下降很多，往往導致點火困難，難以啟動，因此冬季應注意蓄電池的保溫工作。

溫度升高時，分子運動速度增加，電解液滲透能力增強。電解液電阻減小。電化學反應增強，電池容量有所上升。但電解液溫度≥40℃后，正負極板易拱曲變形，同時會誘發蓄電池自放電。在炎熱環境下工作的蓄電池應確保良好的通風條件。

2.2.3 電解液的相對密度對鉛蓄電池使用性能的影響

適當增大電解液的相對密度，可以提高電解液的滲透速度及蓄電池的電動勢，并可使其容量增大。但電解液相對密度的增高，會使電解液黏度增大，使電解液向活性物質微隙孔內滲透的速度下降，內阻增大，導致端電壓和容量的減少。當電解液相對密度過低時，電解液中離子數量少，也會減少鉛蓄電池的實際放電容量。

電解液相對密度稍低有利于提高放電電流和放電容量，有利于延長鉛蓄電池的使用壽命。冬季，在不結冰的前提下，應盡可能采用稍低相對密度的電解液。

3 蓄電池的使用與維護

3.1 定期檢查電解液液面高度

蓄電池外殼上有液面位置標記，液面高度應保持在最大與最小之間，或在蓄電池內隔板以上5 mm處。當電解液不足時，只能加蒸餾水補充。若電解液的液面過高，在大負荷工作時會引起電解液沸騰而外溢；電解液的液面過低，會縮短蓄電池的使用壽命。

3.2 正確使用啟動機

蓄電池長時間的大電流放電，容易引起極板彎曲損壞。因此，每次使用啟動機的時間≤5 s。如果一次未能啟動發動機，應休息15 s以上，再作第二次啟動，連續3次不能啟動，應查明原因，排除故障后再啟動。

3.3 保持電壓調節器的正常工作

汽車在行駛中，發電機要向蓄電池充電，即把電能轉變為化學能。而充電電壓是由調節器控制的，因此要定期檢查，調整電壓調節器，防止充電電壓過高，造成過充電或充電電流過大；或充電電壓過低，使充電不足。

3.4 正確搬運與安裝

在搬運與安裝蓄電池時，應輕搬輕放，切不可隨便敲敲打打或在地上拖曳，蓄電池在車上應固定牢靠，以防行車時震動受損。

3.5 保持蓄電池清潔

應經常清除蓄電池表面的污物及灰塵。當電解液灑到蓄電池表面時，應當用10%濃度的蘇打水或堿水擦凈，然后再用布擦干，并經常保持通氣孔的暢通。

3.6 注意防凍防曬

在寒冷的冬季，電解液的化學反應速度慢，使蓄電池容量大為降低，還可能使蓄電池電解液結冰，凍壞極板和外殼。因此，冬季應注意蓄電池的保溫，如套裝保溫套，夜間停用車輛將蓄電池放入室內。在炎熱的夏季，應避免蓄電池的曝曬，以免電解液大量蒸發，使電解液密度過高，造成蓄電池的早期損壞。

3.7 及時正確地充電

（1）蓄電池過度放電會使極板硫化，影響其使用壽命。因此，在車上使用的蓄電池每2個月應補充充電1次。蓄電池的放電程度，冬季不得超過規定容量的25%，夏季不得超過50%；放完電的蓄電池應在24 h內進行充電；帶電解液存放的蓄電池，每2個月應補充充電1次。

（2）對于結冰的蓄電池，應先融化后再充電。充電開始前先檢查液面高度，液量不足時應補加蒸餾水。擰下蓄電池各個小蓋，在充電過程中保持各小蓋螺孔敞開。充電電流應為蓄電池容量的10%。

（3）在充電過程中應隨時測量電解液的溫度，使其≤40℃，如果＞40℃時應停止充電或降低充電電流，直到電解液溫度降到40℃以下時再恢復正常充電。

（4）為確保能充足電，在充電過程中每小時測量3次電解液密度和電壓，直到它們不再上升，并且所有隔槽內電解液都猶如沸騰時，才可停止充電。

（5）充電結束后應檢查電解液密度和大電流放電時電壓情況，如不符合要求應檢修或更換蓄電池。

4 蓄電池的檢測

蓄電池的技術狀況可以根據放電程度和啟動能力進行檢測和判斷。放電程度是反映蓄電池供電能力的重要指標之一。放電程度越大，則供電能力越小；反之放電程度越小，則供電能力越大。

蓄電池放電程度的大小，既可以通過測量電解液的密度進行換算，也可以通過檢測蓄電池大負荷放電的端電壓進行判斷。

4.1 檢測電解液密度

電解液密度是反映蓄電池技術狀況的重要指標。通過測量電解液密度，可以判斷蓄電池的放電程度。電解液密度應符合表1規定。

如果各電池槽中的電解液密度相互間偏差≤0.02 g/cm3，可對蓄電池進行充電，恢復其性能；當偏差超過此值時，說明蓄電池有短路，應進行修復或更換。測量電解液密度通常以20℃的溫度為標準，平時測量的電解液密度必須進行溫度校正，計算方法式（4）：

表1 電解液密度g/cm3

式中ρ20——20℃時的密度，g/cm3

ρt——t℃時的密度，g/cm3

t——測量時的溫度，溫度系數是0.00075

4.2 測量大負荷下的端電壓

利用高頻放電計檢查蓄電池正負極間的端電壓。當負載電流較大時，最低電壓在5 s內≥9.6 V，否則表明蓄電池己放電程度較大或損壞。

4.3 根據車啟動判斷放電程度

汽車用蓄電池的主要作用是啟動發動機，因此，通過對蓄電池進行啟動發動機情況，就可以較準確地判斷蓄電池的放電程度和啟動能力

在汽車上連續幾次使用啟動機，若都能驅動發動機運轉，則說明蓄電池存電充足；若轉動無力或不能轉動，則說明蓄電池放電過多或有故障。

在夜間開燈并使用啟動機時，若啟動機旋轉有力，燈光稍有變暗，則說明蓄電池存電充足；若啟動機旋轉無力，燈光變得暗淡，則說明蓄電池放電過多；若不能帶動發動機運轉，且燈光暗淡或熄滅，則說明蓄電池放電過多或嚴重硫化。

〔編輯 王永洲〕

U473.4

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.02