低溫-40 ℃下鉛酸蓄電池的放電特性

鄭 昆，侯衛國,2，蔣華儉，戚繼先，常俊雷

（1.工業和信息化部電子第五研究所 蕪湖實驗室，安徽 蕪湖 241000；2.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引 言

鉛酸蓄電池作為汽車用直流電源，主要有以下功能：啟動發動機時，給啟動機提供啟動電流；為車內電器提供電源，是汽車不可或少的部分。目前，軍用車輛（如軍用卡車）進行環境鑒定試驗，在環境溫度-40 ℃下工作需啟動發動機時出現大量的無法啟動故障。經分析定位，大部分原因是車輛上的鉛酸蓄電池無法滿足使用要求[1]。因此，有必要對鉛酸蓄電池在低溫-40 ℃下的放電情況（如容量）進行研究。

1 鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池由極板（正極PbO2、負極Pb）、隔板、殼體、電解液（H2SO4、H2O）、鉛連接條、極柱等組成，是將化學能直接轉化成電能的一種裝置[2-3]。鉛酸蓄電池的工作原理如圖1所示。

1.1 充電工作原理

鉛酸蓄電池充電是將電能轉化成化學能。在充電機的作用下，電流從充電機正極流出，經電池后流回充電機的負極。在蓄電池內部，負離子HSO4-、OH-離開負極向正極遷移，而帶正電荷的離子H+離開正極向負極遷移。電池內部的電流與H+遷移方向一致。

圖1 鉛酸蓄電池工作原理圖

鉛酸蓄電池充電過程使得難溶解物質PbSO4不斷還原成Pb、PbO2，同時發生水的電解，使得電解液的濃度增加，化學反應式如下：

1.2 放電工作原理

鉛酸蓄電池充電是將化學能轉化成電能。當負載接通后，電子從負極流出，經過負載后再流回電池正極，此時HSO4-、OH-、SO4-負離子從正極向負極遷移，H+正離子從負極向正極遷移。

鉛酸蓄電池放電過程中，正極PbO2、負極Pb與電解液H2SO4發生反應，最終形成難溶物質PbSO4和水，使得電解液濃度降低，化學反應式如下[4-7]：

2 試驗方案

影響鉛酸蓄電池放電性能的因素有電解液濃度、正負極的活性等，故可通過觀察鉛酸蓄電池的放電內阻及電解液的密度（重量）變化評價蓄電池性能的變化。同時，放電容量是鉛酸蓄電池重要的健康狀態參數，是衡量其供電可靠性的重要指標。充足的放電容量是保證負載等設備正常啟動運行的基本條件[6]。

2.1 樣品及設備情況

本文研究的對象是目前使用較多的駱駝牌6-QWLZ-180（950）-L型鉛酸蓄電池（額定容量為180 Ah）。試驗過程采用艾德克斯IT6952A型電源、IT8812型電子負載對鉛酸蓄電池進行充電、放電。DY2015A型汽車蓄電池檢測儀用于測量鉛酸蓄電池的內阻。

2.2 試驗步驟

試驗步驟參考GJB 2514A-2012《軍用鉛酸蓄電池通用規范》、GJB 516B-2009《軍用汽車鉛酸蓄電池通用規范》，具體如下：

（1）試驗前分別對試驗對象的2塊鉛酸蓄電池（編號分別為1#、2#）進行稱重，并記錄重量。

（2）將鉛酸蓄電池放入溫度箱，并按照要求與電源、電子負載連接，并在電池表面粘貼溫度傳感器。

（3）電池完全充電，即調整溫度箱溫度至25 ℃，待蓄電池溫度穩定2 h后，蓄電池以2I20A（18 A）恒流充電至蓄電池電壓為（14.4±0.1）V后，再繼續充電5 h，使其達到完全充電，用蓄電池檢測儀測試常溫下電池內阻。

（4）低溫放電，即電池完全充電后，調整溫度箱溫度至-40 ℃，使得電池在-40 ℃下擱置8～16h后，用蓄電池檢測儀測試低溫下電池內阻，然后在該環境下以0.1C（18 A）的電流連續放電至蓄電池電壓為10.5 V時終止，記錄放電時間，并以放電電流（18 A）乘以放電時間（h）計算放電容量值。

（5）重復步驟2～3，循環5次后對2塊蓄電池分別稱重，即每隔5次循環對蓄電池稱重，記錄重量差。

（6）電池充電、放電共計20次時，結束試驗。

3 結果分析

因鉛酸蓄電池放電過程是正極PbO2、負極Pb與電解液H2SO4發生反應，最終形成難溶物質PbSO4和水，在低溫環境下離子運動速度變慢，化學反應活性降低，表征的現象是低溫下的內阻比常溫下內阻大，進而影響到放電容量。常溫和低溫下的電池內阻對比如圖2所示，可知常溫下的內阻變化不大，但低溫下的內阻值整體比常溫下的內阻大，且隨著試驗次數的增加，經過20次循環后，1#、2#電池低溫下內阻均增加了3 mΩ左右，即相對于初始循環增加了64.4%。

圖2 電池內阻情況

因工藝及電池結構等原因，鉛酸蓄電池電池在使用過程中會出現電解液揮發現象，表征的現象是電池重量降低。由放電過程化學反應式得知，電解液濃度的降低影響正負極與電解液化學反應，使得反應不充分，進而影響到放電容量[8-11]。本試驗方案中每5次循環對電池進行稱重，統計重量變化如表1、表2所示。可知，隨著試驗次數的增加，蓄電池的重量逐步降低。經過20次循環，1#、2#電池重量減輕約4 kg，約為初始重量的10%。

表1 1#鉛酸蓄電池重量變化情況

1#、2#電池的放電容量曲線如圖3所示。可知，鉛酸蓄電池的放電容量隨著試驗循環次數的增加而降低。標稱容量180 Ah的鉛酸蓄電池，在低溫-40 ℃放電容量僅有約70 Ah。其中，在試驗進行第4循環時，容量下降最明顯。經過20次試驗循環，容量為180 Ah的蓄電池放電容量僅有20 Ah左右，約為額定容量的11.1%。

表2 2#鉛酸蓄電池重量變化情況

4 結 論

綜上所述，在低溫-40 ℃下，經過多次循環后，鉛酸蓄電池的放電容量僅可達到額定容量的11.11%左右，放電容量在經歷4次循環后降低最明顯，且測試前后鉛酸蓄電池內阻的增加和質量降低明顯，嚴重影響了放電容量。因此，軍用車輛及其他使用鉛酸蓄電池的產品在-40 ℃溫度下啟動工作時，應盡量使用全新鉛酸蓄電池并保證將其完全充滿，同時鉛酸蓄電池應改善制造工藝，減少使用過程中電解液的揮發，開發耐低溫型電解液。

圖3 蓄電池低溫-40 ℃下放電容量曲線