第一章 蓄电池教案.docx
《第一章 蓄电池教案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第一章 蓄电池教案.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第一章蓄电池教案
旧知回顾:
工程机械电源
本节内容:
第一章蓄电池
一、工程机械电源
1、组成:
蓄电池、交流发电机、电压调节器等组成。
2、作用:
Ø
蓄电池——起动或停车供电。
Ø交流发电机——为用电设备供电,为蓄电池充电。
第一节蓄电池的结构
一、概述
1、工作原理:
将化学能转变为电能的装置,属于可逆的直流电源。
2、要求:
Ø足够多的时间:
5~10s,
Ø足够大的起动电流:
汽油机为200~600A,柴油机可达1000A。
3、功用:
1)起动时,向起动系和点火系供电。
2)低速时,发电机电压低于蓄电池充电电压时,向用电设备供电。
3)高速时,发电机电压高于蓄电池充电电压时,储存发电机的剩余电能。
4)当发电机过载时,蓄电池协助发电机向用电设备供电。
5)系统电压不稳时,吸收电路中的瞬时过电压,保护电子元件。
4、分类:
铅酸蓄电池、镍碱蓄电池。
二、结构
铅蓄电池一般由3个或6个单格电池串联而成,单格电池电动势为2V左右。
主要由极板、隔板、电解液和外壳等组成。
1、极板——核心
1)组成:
正极板、负极板、栅架和活性物质。
Ø正极板——二氧化铅(PbO2),呈深棕色;正极板并联,组成正极板组。
Ø负极板——纯铅(Pb),呈青灰色;负极板并联,组成负极板组。
注意:
负极板比正极板多一片。
原因:
每片正极板都处于两片负极板之间,可以使正极板两侧放电均匀,避免因放电不均匀造成极板拱曲。
2)栅架作用:
固结活性物质——铅锑合金
为了降低蓄电池的内阻,改善蓄电池的起动性能,采用放射形栅架。
2、隔板
位置——正、负极板之间,
作用——防止正、负极板互相接触造成短路,耐酸并多孔性,利于电解液的渗透。
材料——木质、微孔橡胶和微孔塑料等。
木质隔板耐酸性较差;微孔橡胶隔板性能最好,但成本较高;微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低,广泛采用。
3、电解液
组成——纯硫酸(H2SO4)和蒸馏水,其密度一般为1.24~1.30g/cm3。
作用——化学反应中起到离子间导电的作用,并参与蓄电池的化学反应。
影响——密度大,防止结冰并提高容量,
过大则黏度增加,反而会降低容量,缩短寿命。
4、壳体
作用——壳体用于盛放电解液和极板组,应该耐酸、耐热、耐震。
材料——硬橡胶或聚丙烯塑料制成
结构——
Ø肋条:
壳体底部,以搁置极板组。
Ø间壁:
降单格分开,各单格之间用铅质连条串联起来。
Ø电池盖:
密封,
Ø加液孔:
用于添加电解液和蒸馏水,测量电解液密度、温度和液面高度。
Ø通风孔:
可使蓄电池化学反应中产生的气体顺利排出。
三、型号
1、种类
普通铅蓄电池、干荷电铅蓄电池、湿荷电铅蓄电池和免维护铅蓄电池
2、型号
1——串联的单格电池数,阿拉伯数字,其标准电压是这个数字的2倍。
2——蓄电池的类型和特征,用汉语拼音字母表示。
3——蓄电池的额定容量,我国目前规定采用20h放电率的容量安培小时数A·h。
特殊性能,如:
Q—高起动率;S—塑料槽;D—低温起动性能好。
例如:
CA1170P2K2柴油车用型号为6—QAW—100S的蓄电池,是由6个单格串联而成,标准电压为12V,干荷电式免维护蓄电池,它采用了塑料整体式外壳,薄型极板,使用时只需加入规定密度的电解液,静止0.5h,。
小结:
1、工程机械电源组成?
2、蓄电池的结构?
3、蓄电池的型号?
旧知回顾:
工程机械电源的组成?
蓄电池的结构和型号?
本节内容:
第二节蓄电池的工作原理
一、工作原理
双极硫酸盐化理论:
二、静止电动势
将铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中,正、负极板与电解液相互作用,在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势。
1、负极板:
铅Pb溶于电解液中,失电子生成Pb2+
Pb-2e→Pb2+
电子(负极板上)和Pb2+(电解液中),使负极具有负电位,为-0.1V。
2、正极板:
PbO2溶于电解液
PbO2+2H2O→Pb(OH)4
Pb(OH)4→Pb4++4OH-
OH-(电解液中),Pb4+(正极表面),使正极板有+2.0V
3、静止电动势为:
E=2.0-(-0.1)=2.1V
三、放电过程
放电过程,电子e从负极经过外部负载流往正极,使正极板的电位下降,破坏了原有的平衡状态。
Ø阶段1:
电解液H2SO4转化成H+和SO42-,正极板上的PbO2转化成Pb4+和OH-,负极板上的Pb失去电子Pb2+;
Ø阶段2:
正极板上的Pb4+得到电子转化成Pb2+,负极板上Pb的得到电子转化成Pb2+;
Ø阶段3:
正负极板上的Pb2+与SO42-反应形成PbSO4,OH-与水中的H+形成H2O。
问题一:
为什么放电过程中电解液密度会下降?
放电时,正极板上的PbO2和负极板上的Pb都与电解液中的H2SO4发生反应,生成硫酸铅(PbSO4),沉附在正、负极板上。
此时电解液中的H2SO4不断减少,密度也随之下降。
问题二:
为什么放完电蓄电池的活性物质利用率只有20%~30%?
理论上,放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止,但由于生成的PbSO4沉附于极板表面,阻碍电解液向活性物质内层渗透,使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应,所以只能使用20%~30%。
因此,采用薄型极板,增加极板的多孔性,可以提高活性物质的利用率,增大蓄电池的容量。
问题三:
蓄电池放电终了的特征是什么?
(1)单格电池电压降到放电终止电压;
(2)电解液密度降到最小许可值。
四、充电过程
充电时,正极接电源正极,负极接直流电源负极。
电流由蓄电池的正极流入,从蓄电池的负极流出。
电子由正极板经外电路流往负极板。
Ø阶段1:
正极板上的PbSO4转化成Pb2+和SO42-,负极板上的PbSO4转化成Pb2+和SO42-;
Ø阶段2:
正极板上的Pb2+失去电子转化成Pb4+,负极板上的Pb2+得到电子转化成Pb;
Ø阶段3:
正极板上的Pb4+与水中O反应形成PbO2,SO42-与水中的H形成H2SO4。
问题一:
为什么充电过程中电解液密度会上升?
充电时,正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb,电解液中的H2SO4不断增多,密度上升。
问题二:
为什么充电过程中电解液会产生气泡和沸腾现象?
当充电接近终了时,PbSO4已基本还原成PbO2和Pb,这时过剩的充电电流将电解水,使正极板附近产生的O2从电解液中逸出,负极板附近产生的H2从电解液中逸出,电解液液面高度降低。
因此,铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。
问题三:
蓄电池放充足电的特征是什么?
(1)电解液中有大量气泡冒出,呈沸腾状态;
(2)电解液的密度和蓄电池的端电压上升到规定值,且在2~3h内保持不变。
小结:
1、蓄电池的工作过程的化学反应平衡式?
2、蓄电池电动势的建立?
3、蓄电池充放电过程?
旧知回顾:
蓄电池充放电过程?
本节内容:
第三节蓄电池容量的影响因素
一、蓄电池电动势
铅蓄电池的静止电动势Ej与极板的片数、大小无关,仅与电解液的密度有关,其关系式为:
Ej=0.84+ρ25
式中:
Ej——蓄电池的静止电动势,单位为V;
ρ25——25℃时电解液的相对密度(g/cm3)。
注意,实测电解液的相对密度应转换成25℃时电解液的相对密度,转换关系式为
ρ25=ρt+β(t-25)
式中:
ρt——实测的电解液相对密度(g/cm3);
t——测量时的电解液温度(℃);
β——相对密度温度系数,取β=0.00075。
铅蓄电池电解液密度在1.12~1.30g/cm3之间变化,每个单格电池的电动势在1.97~2.15V之间变化。
二、蓄电池的容量
容量等于放电电流与放电时间之积,即C=Iftf单位为A·h
1、额定容量
额定容量:
是以20h放电率的放电电流在电解液初始温度为(25±5)℃,相对密度为(1.28±00.1)g/cm3(25℃)的条件下,连续放电到规定的单格终止电压1.75V,蓄电池所输出的电量,称为蓄电池的额定容量,记为C20。
6—QA—60:
在电解液初始温度为25℃时,以3A的放电电流持续放电20h,单格电压降到1.75V,其额定容量C20=3×20=60A·h。
2、额定储备容量
额定储备容量是是指充足电的蓄电池在电解液温度为25℃的条件下,以25A电流放电到单格终止电压1.75V时所能维持的时间。
符号为Cm,单位为min。
3、起动容量
起动容量表示蓄电池在发动机电力起动时的供电能力,用倍率和持续时间表示。
1)常温起动容量——电解液初始温度25℃时,以5min放电率的电流放电,放电5min至单格电池电压降至1.5V时所输出的电量。
5min放电率的电流在数值上约为其额定容量的3倍。
例如,对于6—Q—100型蓄电池,C20=100A·h,在电解液初始温度为25℃时,以3倍C20=3×100=300A的电流放电5min,单格电池电压降至1.5V,蓄电池端电压降至1.5×6=9V,其起动容量为300×560=25A·h。
2)低温起动容量——电解液初始温度-18℃时,以5min放电率的电流放电,放电2.5min至单格电池电压降至1V时所输出的电量
三、影响蓄电池容量的因素
1、结构因素
Ø极板的表面积越大,极板片数越多,参加反应的活性物质就越多,容量越大。
Ø极板越薄,多孔性越好,电解液向极板内部的渗透越容易,活性物质利用率越高,容量越大。
2、使用因素
1)放电电流——放电电流越大,蓄电池的容量就越小。
问题一:
为什么放电电流越大,蓄电池的容量就越小?
问题二:
为什么每次启动的时间不应超过5s,且连续两次应至少间隔15s?
原因:
放电时,正、负极板上的PbO2和Pb逐渐转变成PbSO4,PbSO4的体积比PbO2和Pb大,它将逐渐堵塞极板孔隙,阻碍电解液向极板内部渗透。
当放电电流增大时,化学反应速度加快,PbSO4堵塞孔隙的速度也越快,孔隙中电解液密度迅速下降,导致极板内层大量的活性物质不能参与反应,蓄电池的实际输出容量减小。
同时,电解液密度迅速下降,导致蓄电池的端电压也迅速下降,因而缩短了放电时间。
因此,在实际使用中必须严格控制起动时间,每次起动的时间不应超过5s,且连续两次起动之间的时间间隔不应少于15s。
2)电解液温度——放电电流一定的条件下,温度降低则容量减小。
问题三:
为什么放电电流一定的条件下,温度降低则容量减小?
原因:
温度降低时,电解液的黏度增加,渗入极板困难,同时内阻增大,使蓄电池端电压降低,容量减小。
由于温度对蓄电池容量和端电压影响很大,因此在寒冷地区冬季应当对蓄电池采取保温措施。
3)电解液密度。
电解液密度ρ↑电动势E↑,电液渗透能力↑,参加反应的活性物质↑→C↑
ρ过高,粘度↑,内阻↑,极板硫化↑→C↓
实践证明,电解液密度偏低有利于提高放电电流和容量,延长蓄电池的使用寿命。
冬季在电解液不结冰的前提下,应尽可能采用稍低的电解液密度。
小结:
1、蓄电池的容量?
2、蓄电池容量的影响因素?
旧知回顾:
蓄电池容量的影响因素?
本节内容:
第四节蓄电池的充电方法
一、充电方法
1、充电设备
充电接线——充电电源的正极接蓄电池的正极,充电电源的负极接蓄电池的负极。
车载充电设备——发动机驱动的交流发电机。
车下充电设备——硅整流、晶闸管整流和智能充电机。
2、充电方法
充电方法——恒压充电、恒流充电和脉冲快速充电。
1)恒压充电——充电电源电压保持恒定,适用于补充充电
原理:
Ic=(U-E)/R电动势E↑,充电电流Ic↓,充电终了Ic=0。
被充蓄电池采用并联连接,单格电池充电电压为2.5V
问题一:
为什么恒压充电适用于补充充电,而不适用于初充电和去硫化充电?
原因:
在恒压充电初期,充电电流较大,4~5h内即可达到额定容量的90%~95%,因而充电时间较短,而且不需要调整充电电流,适用于补充充电。
由于充电电流不可调节,因此恒压充电不适用于初充电和去硫化充电。
2)恒流充电——充电电流保持恒定,用于初充电、补充充电和去硫化充电等
Ø恒流充电时,被充蓄电池采用串联连接。
Ø单格电池充足电时需2.7V,串联的单格电池的数目=充电机的额定电压/2.7。
Ø充电电流按小容量电池选择,充足后摘出,再继续给大容量电池充电。
Ø充电过程:
第一阶段采用较大电流,当电量基本充足,单格电池电压达到2.4V,开始电解水产生气泡时,再将充电电流减小一半,直到电解液密度和蓄电池端电压达到最大值且在2~3h内不再上升,蓄电池内部剧烈冒出气泡时为止。
Ø恒流充电的适应性强,可任意选择和调整充电电流的大小,有利于保持蓄电池的技术性能和延长使用寿命;其缺点是充电时间长,要经常调节充电电流。
3)脉冲快速充电
脉冲快速充电必须用脉冲快速充电机进行。
充电过程:
先用0.8~1倍额定容量的大电流进行恒流充电,使蓄电池在短时间内充至额定容量的50%~60%。
当单格电池电压升至2.4V,开始冒气泡时,由充电机的控制电路自动控制,开始脉冲快速充电:
首先停止充电25ms(称为前停充),接着放电或反向充电,使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流(脉冲深度一般为充电电流的1.5~3倍,脉冲宽度为150~1000μs),然后再停止充电40ms(称为后停充),以后的过程为正脉冲充电—前停充—负脉冲瞬间放电—后停充—正脉冲充电……此过程循环进行,直至充足电。
脉冲快速充电的优点是充电时间可大大缩短(新蓄电池充电仅需5h,补充充电需1h);缺点是对蓄电池的寿命有一定的影响,并且脉冲快速充电机结构复杂、价格昂贵,适用于电池集中、充电频繁、要求应急的场合。
二、充电种类
1、初充电——指对新蓄电池或更换极板后的蓄电池进行的第一次充电。
步骤:
(1)按蓄电池制造厂的规定和本地区的气温条件,加注一定密度的电解液(加注前,电解液温度不得超过30℃),放置4~6h,使极板浸透,并调整液面高度至规定值。
(2)将蓄电池的正、负极分别与充电机的正、负极相连。
(3)采用两阶段恒流充电法充电时,第一阶段充电电流为额定容量的1/15,待电解液中有气泡冒出、单格电池电压达2.4V时转入第二阶段,将电流减小一半,直至蓄电池充足电为止。
充电过程中应注意测量电解液的温度,当温度超过40℃时应将电流减半,如温度继续上升达45℃时应停止充电,待冷却至35℃以下时再充电。
(4)充好电的蓄电池应检查电解液的密度,如不符合规定,应用蒸馏水或1.4g/cm3的稀硫酸进行调整,并调整液面高度至规定值。
调整后再充电2h,直到电解液密度符合规定为止。
2、补充充电——无故障的前提下,为保持或恢复其额定容量而进行的正常的充电。
一般工程机械用蓄电池应每隔1~2个月从车上拆下来进行一次补充充电。
补充充电可采用恒压充电或两阶段恒流充电。
工程机械上蓄电池的充电采用恒压充电法充电,充电室多采用两阶段恒流充电法充电。
采用两阶段恒流充电法进行补充充电时,应先用C20为10A·h的电流进行充电,当单格电池电压达到2.4V以上时,改用C20为20A·h的电流充电至充足为止。
不同型号铅蓄电池的补充充电电流值见表2.5。
3、间歇过充电——为了避免使用中的铅蓄电池极板硫化的一种预防性充电,工程机械用铅蓄电池应每隔三个月进行一次。
充电方法是:
先按补充充电的方法将蓄电池充足电,停歇lh后再以减半的充电电流值进行过充电至沸腾,再停歇1h后重新接入充电,如此反复,直到蓄电池刚接入充电时立即沸腾为止。
4、循环锻炼充电——为防止极板钝化而进行的保养性充电。
铅蓄电池使用中常处于部分放电的状况,参加化学反应的活性物质有限,为避免活性物质长期不工作而收缩,应每隔三个月进行一次循环锻炼充电。
充电方法是:
先按照补充充电或间歇过充电的方法将铅蓄电池充足电,再用20h放电率的电流连续放电至单格电池电压降为1.75V为止。
其容量降低不得大于额定容量的10%,否则应进行充、放电循环,直至容量达到额定容量的90%为止方可使用。
5、去硫化充电——消除铅蓄电池极板轻度硫化的一种排故性充电。
步骤:
(1)将铅蓄电池按20h放电率放电至单格电池电压降至1.75V为止。
(2)倒出电解液,用蒸馏水反复冲洗几次,然后加入蒸馏水至规定的液面高度,用初充电第二阶段充电电流进行充电。
当电解液密度增大到1.15g/cm3时再将电解液倒出,加入蒸馏水,继续充电,反复多次,直至电解液密度不再上升为止。
(3)换用正常密度的电解液,按初充电的方法将蓄电池充足电。
(4)用20h放电率放电,检查容量,若其输出容量可达额定容量的80%以上,则可装车使用,若达不到,应更换蓄电池或进行修理。
小结:
1、蓄电池的充电方法?
2、蓄电池的充电种类?