鉛酸蓄電池的基礎知識

2021-03-03 23:29:23 字數 4634 閱讀 7400

富液鉛酸蓄電池是由法國科學家普朗特於2023年發明,它由極板、鉛和氧化鉛及35%硫酸和65%水構成的電解液組成。目前廣泛應用於汽車、船舶、原動機等。

一、 基本概念

電壓:電壓是用於描述做功勢能的電氣測量方法,單位為伏特。

電流:電流是測量有多少電子流過導體的測量方法,單位為安培。

功率:功率是電壓和電流的乘積,單位為瓦特。

單體電池:單體電池是電池的最基本單個部件。它們由裝有可相互作用的電解液和鉛極板的容器構成。

電池電壓:鉛酸電池的額定電壓取決於串聯連線的單體電池數量。每個單體電池提供2伏的額定電壓,那12伏的電池通常由6個單體電池串聯組成。

充電狀態:描述電池充電程度的指標,表示為介於完全充電和完全放電的差值的百分比。實際電壓與電池充電的相互關係取決於電池溫度。充滿電的時候,冷的電池有比熱的電池有低一些的電壓。

完全(100%)充電狀態:電池內所有可利用的活性物質全部轉變成完全充電的狀態。

過度充電:完全充電後仍延續的充電,它造成極板碎裂和脫落。這些活性物質的顆粒落到電池底部,容易造成短路。過度充電也大大地增加了發熱和失水。

放電深度:放電深度是測量電池放電有多深的一種方法。當電池100%充滿時,那放電深度為0%。

相反,當電池100%放空,放電深度為100%。電池平均放電越深,所謂的迴圈壽命越短。

例如,起動用電池不是用於深放電(不多於20%放電深度)。確實,按其設計來使用,它們幾乎不完全放電;發動機起動是高能量密度的,但持久時間非常短。

過度放電:電池的放電超過某一規定的限度,容易造成硫酸鹽化。大多數電池廠家提倡在重新充電前不使電池放電超過50%。

電池(儲存)容量:電池的容量是嘗試對額定電壓下可儲存的、可使用能量數量的量化,單位為安培小時(ah)。例如,乙個100安培小時的電池能提供5安培電流達20小時,20安培電流達5小時等。

同樣地,乙個電池物理容積越大,其總儲存容量越大。

當電池併聯時,儲存容量相疊加;而電池串聯時,電壓相疊加。例如可選擇購買12伏電池或通過幾個電壓低一些的電池/單體電池串聯來建立乙個12v系統。2個6伏、100安培小時的電池併聯具有6伏、200安培小時(或1200瓦小時)的總儲存容量。

併聯的12伏電池組成的電池組可經常見到。

串聯的電池組更複雜一些。4個6伏電池按2「串」12伏直流接線,然後併聯。此系統利用6伏,100安培小時的電池得到具有在12伏、200安培小時或2400瓦小時的儲存容量。

充電率/放電率是蓄電池充電時/放電時的電流值,單位為安培。通常我們用c/xx表示,c是電池額定容量,xx指的是以乙個恆定的電流使乙個電池完全放電的小時數。例如,乙個100安培小時的電池,如果你把它的安培小時數除以10小時,那你得到乙個10安培的充電(或放電)率。

10安培是乙個100安培小時的電池的 c/10 充電(或放電)率。看看另乙個500安培小時容量的電池,c/10率為50安培。2個不同容量電池之間的充電(或放電)電流的絕對值是不同的,但對電池電壓的影響是相同的。

電流與電池容量的成相同的比例。

(實際)可用容量與(額定)總容量

容量是在規定的條件下完全充電的電池能夠提供的電量,單位為安培小時。由於電池依靠化學反應來產生電能,它們的可用容量部分地取決於你試圖相對於它們的總容量,多快地給電池充電或使之放電。總容量是測量電池可儲存多少能量的方法,常簡略地用c表示。

(實際)可用容量始終小於總容量。典型地,乙個電池的安培小時容量是以讓它在20小時內(也就是我們所說的c/20率)放空的放電率測量。如果你試圖以快於c/20的速度使乙個電池放電,會有較小的可用容量,反之亦然。

偏離c/20率越遠,可用容量(相對於總容量)的差異越大。

儲備容量是電池在其可用容量完全耗盡前可維持負荷多長時間(分鐘)的測量方法。它是乙個完全充滿電的額定電壓為12伏電池在25℃±2℃下以25安培的電流放電直至10.5±0.

05伏時的分鐘數。儲備容量也分為額定儲備容量和實際儲備容量。

低溫起動電流(cca)是在蓄電池完全充電後1h-5h內,(對於12v電池而言)在-18±1℃下放電5s,端電壓不低於9.00v,放電60s端電壓不低於8.4v時的最大電流。

這個指針對在寒冷天氣下工作的起動用電池尤其重要。

起動電流(ca)是在蓄電池完全充電後,(對於12v電池而言)在25±5℃下放電5s,端電壓不低於9.00v,放電150s端電壓不低於6.00v時的最大電流。

轉換效率是指電池把電量轉化為化學能和化學能轉化為電量的能力。係數越高,能量轉化為熱越少,電池可在無過熱情況(其他條件相同的情況下)下充電越快。電池的內阻越低,電池轉化效率越好。

鉛酸電池的轉換效率通常在85%-95%之間。

電池壽命是當電池不再保持合適的電量(例如電池短路)或可用電池容量為額定的容量時的80%或以下時,電池廠家就把它確定為電池的壽命終結。鉛酸電池的壽命通常有幾個因素所限制:

迴圈壽命是測量電池在其鉛極板隔柵/極板預期失效和短路前能進行多少次充電和放電迴圈的一種方法。平均放電深度越大,迴圈壽命越短。

由於電池內的化學成分侵蝕鉛極板,齡期的長短也對電池有影響。電池的「生活條件」越健康,它們為你服務的時間越長。鉛酸電池在充滿電狀態下適合於儲存在乙個陰涼的地方。

只購買最近生產的電池,故要弄清每個電池上所印的日期編碼。電池在倉庫中擱置越長時間,它服務你的時間就越短。由於鉛酸電池在充滿電時不會凍結,在冬天時可存放在冷的地方,使之壽命最大化。

硫酸鹽化是對未充滿電電池的一種持久的威脅。在這些電池中會形成一層硫酸鉛並妨礙給電池充/放電的電化學反應。在正常放電過程,在孔隙中和在鉛酸電池內部的正極和負極表面上形成柔軟的硫酸鉛晶體。

當電池停留在乙個放電狀態、持續地充電不足或電解液低於極板頂部,某些軟的硫酸鉛重新結晶成硬硫酸鉛。在隨後的重新充電期間它不能重新轉化。這個硬的晶體產生通常稱為「鉛硫酸鹽化」。

它是造成多數鉛酸電池失效的原因。硫酸鹽化發生時間越長,硫酸鉛的晶體就會變得越大越硬。正極板會變淺褐色,而負極板會暗淡、成灰白色。

這些晶體減低了電池的容量和重新充電的能力。

寄生負荷是電池安裝在車輛等裝置上、即使電源關閉時在電池上出現的恆定電負荷。此負荷來自於電器(例如時鐘、安全系統、維持無線電台預設定等)的連續工作。由於寄生負荷和自然自放電,當長期存放時,鉛酸電池放電時出現永久的硫酸鹽化。

當切斷負極電池線時,將消除寄生負荷,它對電池的自然自放電無影響。自放電是隨溫度(增加)而加速。因此對於不在使用中、放置在經銷商貨架上的、或在停泊的車輛中,尤其在高溫下的鉛酸電池,硫酸鹽化可成為乙個大問題。

如果電池進行均衡化,很多電池可從**堆中拯救過來。

硫酸鹽層在電池鉛極板上形成阻擋層,它妨礙儲存和放出能量的能力。

恆流充電:通過調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯電阻的方法,使充電電流維持在恆定值下的充電方法。

兩階段充電:開始以某一電流充電,並在一預定點後以較低的電流充電的一種充電方式。例如某一電池要補充100安培小時的電量,你先以30安培充電一段時間,當電池達到80%的充電狀態時改為6安培充電電流。

恆壓充電:使電池端子間的電壓維持在恆定值、電流隨著蓄電池端電壓的逐漸公升高而逐漸減少的充電方法。一些較好的充電器有限流裝置,充電方式也稱為改進型恆壓充電。

急充電:以高的電流率、短時間進行的一種部分充電。

均衡(化)充電是使用可控制的過充電來擊碎硫酸鹽層並達到所有單體電池電解液的比重相同的最後手段,是一種延續充電。這個過程會導致電池電解液沸騰並析出氣體,因此它只應在嚴格監督下和採取適當防護措施下進行。

涓流(浮)充電是一種為了補償電池自放電,使電池保持在近似完全充電狀態的連續小電流充電方式。

析氣是以電解液運動為特徵的電解作用所引起的氣體的形成。當你試圖以快於電池可吸收能量的速度給電池充電,它們開始析出氣體。過度的能量轉化為熱,然後會導致電解液沸騰和蒸發。

電池中蒸發掉的電解液可通過可拆卸蓋子來新增。通常在80-90%的充電狀態下開始出現析氣,出現少量析氣是正常的,但大量析氣就表明過度充電,應停止或減小電流。

熱失控是在恆壓充電期間發生的一種臨界狀態,此時電池的電流及溫度發生的一種累積的、互相增強的作用並逐漸增強導致電池的損壞。這是電池充電太快時會發生的一種非常危險的情況。析氣的其中一種副產品是氧氣和氫氣。

當電池熱起來時,析氣率增加且周圍的氫氣**(的機會)可能變得越來越大。高的氫氣濃度所造成的危險是要求電池安裝在單獨的、排氣良好的區域的原因之一。

二、 鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池是利用可逆化學反應來儲存電能的裝置,它使用鉛極板或板柵和構成電解液的稀釋硫酸的組合來將電能轉化為潛在的化學能,然後反過來又把化學能轉化為電能。充放電反應方程式:

充電時正極 pbso4 + 2h2o —→ pbo2 + hso4- + 3h+ + e-

負極 pbso4 + h+ + 2e- —→ pb + hso4-

合起來的反應方程式:2pbso4 + 2h2o + 能量—→ pb + pbo2 + 2hso4- + 2h+

放電時剛好相反:

正極 pbo2 + hso4- + 3h+ + e- —→ pbso4 + 2h2o

負極 pb + hso4- —→ pbso4 + h+ + 2e-

合起來的反應方程式:pb + pbo2 + 2hso4- + 2h+ —→ 2pbso4 + 2h2o + 能量

充電時來自充電器的充電電流流過電池端子正負極, 正極板處的pbso4轉化為pbo2,在負極板處pbso4轉化為海綿狀的pb。充電結束後,電池處於飽和開路狀態,相當於乙個電源。

當電池與負載相連線時,它就處於放電狀態,正極板處的pbo2轉化為pbso4,在負極板處海綿狀的pb轉化為pbso4。在此過程中電解液提供放電化學反應所需的硫酸根。正負極由活性物質pbso4.

pb,轉變為pbso4,其電量隨著放電的進行逐漸減少。

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