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蓄电池知识
3.2 蓄电池的检查
3.2.1 蓄电池基础知识
3.2.1.1 蓄电池的作用
蓄电池是一种可逆直流电源，它是汽车上的两个电源之一，在汽车上与发电机并联，共同向用电设备供电。
在发动机正常工作时，用电设备所需的电能主要由发电机供给，蓄电池的作用是：
1）在发动机起动时，向起动机和点火系统供电。
2）在发电机不发电或电压较低的情况下向用电设备供电。
3）当发电机超载时，协助发电机供电。
4）蓄电池存电不足，而发电机负载又较少时，它可将发电机的电能转变为化学能储存起来（即充电）。
5）蓄电池相当于一个大容量电容器，在发电机转速和负载发生比较大的变化时，能够保持汽车电器系统电压的相对稳定。
同时，还可吸收发电机产生的瞬间过电压，保护汽车电子元件不被损坏，所以，发电机不允许脱开蓄电池运转。
汽车上所使用的蓄电池主要是为了满足起动发动机的需要，所以，通常称为起动型蓄电池。
起动型蓄电池在短时间内可提供强大的起动电流（一般为200―600A，最大可达1000A），根据电解液不同，蓄电池有酸性蓄电池和碱性蓄电池之分。
铅酸蓄电池结构简单，起动性能好，价格低廉，所以在汽车上广泛采用。
本章主要介绍铅酸电池。
3.2.1.2 铅蓄电池的构造与型号
1）铅蓄电池的构造
普通铅蓄电池它主要由极板、隔板、壳体、电解液、铅连接条、极柱等部分组成。
如图1—1所示。
壳体一般分隔为三个或六个单格，每个单格均盛装有电解液，插入正负极板组便成为单体电池。
每个单体电池的标称电压为2V，将三个或六个单体电池串联后便成为一只6V或12V蓄电池总成。
图3-1 铅蓄电池的构造
（1）正、负极板
极板分正极板和负极板两种，均由栅架和填充在其上的活性物质构成。
蓄电池充、放电过程中，电能和化学能的相互转换就是依靠极板上活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。
正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），呈深棕色。
负极板上的活性物质是海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。
栅架的作用是容纳活性物质并使极板成形，一般由铅锑合金浇铸而成。
铅锑合金中，含锑6％一8．5％，加入锑是为了提高栅架的机械强度并改善浇铸性能。
但铅锑合金耐电化学腐蚀性能比纯铅差，锑易引起蓄电池的自放电和栅架的膨胀、溃烂。
因此，栅架的生产材料将向低锑（含锑量小于3％）、甚至不含锑的铅钙合金发展。
图3-2极板
铅粉是极板活性物质的主要原料。
它是用铅块放入球磨机中研磨成粉，在研磨中铅粉与空气接触，氧化成氧化铅。
然后加入一定的添加剂和硫酸溶液调和成膏状，涂在栅架上，干燥后放入硫酸溶液中，经较长时间的充电（蓄电池生产中称为“化成”，一般在18h一20h），使正极板变成棕色的二氧化铅，负极板呈青灰色的海绵状铅。
为了防止负极板上活性物质的收缩，增加其多孔性，铅膏里常加入添加剂，如腐植酸、硫酸钡、木素磺酸纳、炭黑等。
同时，还在活性物质中加入天然纤维和合成纤维，以防止活性物质的脱落和裂纹。
国产负极板的厚度为1．8mm、正极板为2．2mm。
国外大多采用薄型极板，厚度为1．1mm—1．5mm。
薄型极板可以提高蓄电池的体积比能量、重量比能量，改善蓄电池的起动性能。
为增大蓄电池的容量，将多片正、负极板分别并联焊接，组成正、负极板组，如图1—1。
横板上联有极柱，各片间留有空隙。
安装时正负极板相互嵌合，中间插入隔板。
由于正极板的机械强度差，所以，在每个单体电池中，负极板的数量总比正极板多一片，这样正极板都处于负极板之间，使其两侧放电均匀，不致造成正极板拱曲变形。
（2）隔板
为了减小蓄电池的内阻和尺寸，蓄电池内部正负极板应尽可能地靠近，但为了避免彼此接触而短路，正负极板之间要用隔板隔开。
隔板材料应具有多孔性和渗透性，且化学性能要稳定，即具有良好的耐酸性和抗氧化性。
常用的隔板材料有木质隔板、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维和纸板等。
木质隔板价格低，但耐酸性能差。
在硫酸和高温作用下易炭化发黑变脆。
微孔塑料（聚氯乙烯、酚醛树脂），微孔橡胶隔板耐酸、耐高温性好，因而使用较多。
玻璃纤维隔板常和木质、微孔塑料等隔板组合使用。
使用时应将玻璃纤维隔板靠近正极板以防止活性物质脱落，提高蓄电池的使用寿命，但由于操作工艺复杂而渐被淘汰。
安装时隔板上带沟槽的一面应面向正极板，这是因为正极板在充、放电过程中化学反应激烈，沟槽能使电解液较顺利地上下流通。
同时，使正极板上脱落的活性物质顺利地掉入壳底槽中。
在新型蓄电池中，还将微孔塑料隔板制成袋状紧包在正极板外部，可进一步防止活性物质脱落，避免极板内部短路并使组装工艺简化。
（3）壳体
蓄电池的壳体是用来盛放电解液和极板组的，应由耐酸、耐热、耐震、绝缘性好并且有一机械强度的材料制成。
早期生产的起动型蓄电池大都采用硬橡胶壳体，近年来随着工程塑料的迅速发展，大都采用聚丙烯塑料壳体。
它与硬橡胶壳体相比，具有较好的韧性，壁薄而轻（壁厚仅3．5mm，而胶壳壁厚达l0mm左右），且制作工艺简单，生产效率高，容易热封合，不会带进任何有害杂质，外形美观、透明，成本低等优点。
壳体为整体式结构，壳体内部由间壁分隔成3个或6个互不相通的单格，底部有突起的肋条以搁置极板组。
肋条之间的空间用来积存脱落下来的活性物质，以防止在极板间造成短路，极板装入壳体后，上部用与壳体相同材料制成的电池盖密封。
在电池盖上对应于每个单格的顶部部有一个加液孔，用于添加电解液和蒸馏水，也可用于检查电解液液面高度和测量电解液相对密度。
加液孔平时旋入加液孔螺塞以防电解液溅出，螺塞上有通气孔可使蓄电池化学反应放出的气体（H2和O2等）能随时逸出。
硬橡胶壳体一般采用单体盖密封，即每个单格电池上装一个盖，盖上有三个孔，两侧圆孔作为极柱孔，中间为加液孔，电池盖和容器顶部用沥青封口剂密封。
聚丙烯塑料壳体电池盖都采用整体式结构，盖上有3个（6V电池）或6个（12V电池）加液孔，两个正负极柱穿出孔，盖和容器的密封采用粘结剂粘合或热熔连接。
（4）电解液
电解液在电能和化学能的转换过程即充电和放电的电化学反应中起离子间的导电作用并参与化学反应。
它由相对密度为1.84纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成而相对密度一般为1.24为—1.30。
配制电解液必须使用耐酸的器皿，切记只能将硫酸慢慢的倒入蒸馏水中并不断搅拌。
电解液的纯度是影响蓄电池的性能和使用寿命的重要因素。
因此，电解液的配制应严格选用GB4554-84标准的二级专用硫酸和蒸馏水。
工业用硫酸和一般的水中因含有铁，铜等有害杂质会增加自放电和损坏极板，故不能用于蓄电池。
电解液的密度对蓄电池的工作性能影响很大，密度大，在一定程度上可以提高蓄电池的容量，而且电解液不易结冰。
但密度过大，由于电解液粘度增加，渗透性变差，蓄电池的容量下降，而且会降低蓄电池的使用寿命。
电解液的密度随地区和气候条件而定，表3—1列出了不同地区和气候条件下的电解液密度值。
表3—1 不同地区和气候条件下的电解液密度值
气候条件
完全充足电的蓄电池在25℃时的电解液相对密度
冬季
夏季
冬季温度低于零下40℃的地区
1.30
1.26
冬季温度在零下40℃以上的地区
1.28
1.24
冬季温度在零下30℃以上的地区
1.27
1.24
冬季温度在零下20℃以上的地区
1.26
1.23
冬季温度在零0℃以上的地区
1.23
1.23
（5）单体电池的串接方式
蓄电池一般都由3个或6个单体电池串联而成，额定电压分别为6V或12V。
单体电池的串接方式一般有传统外露式、穿壁式和跨越式三种方式，如图1—2所示。
早期的蓄电池大多采用传统外露式铅连接条连接方式，如图l－2a所示。
这种连接方式工艺简单，但耗铅量多，连接电阻大，因而起动时电压降大、功率损耗也大，且易造成短路。
新型蓄电池则采用先进的穿壁式或跨越式连接方式。
穿壁式连接方式如图1—2b，它是在相邻单体电池之间的间壁上打孔供连接条穿过，将两个单体电池的极板组极柱连焊在一起。
跨越式连接在相邻单体电池之间的间壁上边留有豁口，连接条通过豁口跨越间壁将两个单体电池的极板组极柱相连接，所有连接条均布置在整体盖的下面。
穿壁式和跨越式连接方式与传统外露式铅连接条连接方式相比，有连接距离短、节约材料、电阻小、起动性能好等优点，且连接条损耗减少80％，端电压提高0.15V—0.4V，节约材料50％以上，因而得到广泛的应用。
2）蓄电池的规格型号
蓄电池的型号按我国机械工业部JB2599—85《起动型铅蓄电池标准》规定，其产品型号的编制和含义如下：
（1）串联的单体电池数用阿拉伯数字表示。
（2）蓄电池类型是根据其主要用途来划分的。
如起动用蓄电池代号为“Q”，摩托车用蓄电池代号为“M”。
（3）蓄电池特征为附加部分，仅在同类用途的产品中具有某种特征而在型号中又必须加以区别时采用。
当产品同时具有两种特征时，原则上应按表1—1的顺序序将两个代号并列标志。
产品特征代号见表3—2所示。
（4）额定容量是指20h率额定容量，单位为Ah，用阿拉伯数字表示。
（5）在产品具有某些特殊性能时，可用相应的代号加在产品型号的末尾。
如G表示薄型极板的高起动率电池，S表示采用工程塑料外壳、电池盖及热封工艺的蓄电池。
表3-2 产品特征代号
特征代号
蓄电池特征
特征代号
蓄电池特征
特征代号
蓄电池特征
A
干荷电
J
胶体电解液
D
带液式
H
湿荷电
M
密闭式
Y
液密式
W
免维护
B
半密闭式
Q
气密式
S
少维护
F
防酸式
I
激活式
例如：
a）3一Q一75：
由3个单体电池组成，额定电压为6V，额定容量为75Ah的起动用蓄电池。
b）6一QA—l05G：
由6个单体电池组成，额定电压12V，额定容量为105Ah的起动用干荷电高起动率蓄电池。
c）6一QAW—100：
6个单体电池组成，额定电压12V，额定容量为100Ah的起动用干荷电免维护蓄电池。
国产橡胶槽上固定式起动用轮蓄电池的产品规格见表3—3。
表3—3 国产橡胶槽上固定式起动用轮蓄电池的产品规格
车型
铅蓄电池
车型
铅蓄电池
型号
额定电压/V
额定容量/A·H
型号
额定电压/V
额定容量/A·H
红旗CA722AE
奥迪100
桑塔纳2000
富康
北京切诺基
天津夏利
6-QA-63S
6-QAS-63
6-QAW-54
L.250A-12V
58-390或58-475
6-QA-40S
12
12
12
12
12
12
63
63
54
42或50
60或75
40
解放CA1091
东风EQ1090
南京依维河35.10
江西五十铃NHR54
江西五十铃APR59
6-QAW-100
6-QA-105D
12
12
12
12
12·2
100
105
110
80
60·2
3.2.1.3 蓄电池的工作原理及特性
1）蓄电池的工作原理
蓄电池是由浸渍在电解液中的正极板（二氧化铅PbO2）和负极板（海绵状纯铅Pb）组成，电解液是硫酸（H2S04）的水溶液。
当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成PbSO4，电解液中的H2SO4减少，相对密度下降。
充电时按相反的方向变化，正负极板上的PbSO4分别恢复成原来的PbO2和Pb，电解液中的硫酸增加，相对密度变大。
如略去中间的化学反应过程可用下式表示：
PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
（1）电势的建立
当极板浸入电解液时，在负极板处，金属铅受到两方面的作用，一方面它有溶解于电解液的倾向，因而有少量铅进入溶液，生成Pb2+，在极板上留下两个电子2e，使极板带负电；另一方面，由于正、负电荷的吸引，Pb2+有沉附于极板表面的倾向。
当两者达到平衡时，溶解便停止，此时极板具有负电位，约为-0.1V。
正极板处，少量PbO2溶入电解液，与水生成Pb（OH）4，再分离成四价铅离子和氢氧根离子。
即
PbO2+2H2O→Pb（OH）4
Pb（OH）4→Pb4++4OH-
由于Pb4+沉附于极板的倾向，大于溶解的倾向，因而沉附在正极板上，使极板呈正电位。
当达到平衡时，约为+2.0V。
因此，当外电路未接通，反应达到相对平衡状态时，蓄电池的静止电动势约为：
E0=2.0–（-0.1）=2.1V
（2）铅蓄电池的放电
当蓄电池接上负载后，在电动势的作用下，电流Jf从正极经过负载流往负极（即电子从负极到正极），使正极电位降低，负极电位升高，破坏了原有的平衡。
放电时的化学反应过程，如图3—3所示。
图3-3铅蓄电池的放电过程
在正极板处，Pb4+和电子结合，变成二价铅离子Pb2+，Pb2+与电解液中的S042-结合生成PbSO4沉附于极板上。
即
Pb4+ + 2e→ Pb2+
Pb2++S042-→ PbSO4
在负极板处，Pb2+与电解液中S042-的结合也生成PbSO4沉附在负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb2+和电子。
如果电路不中断，上述化学反应将继续进行，使正极板上的PbO2和负极板上的Pb都逐渐转变为PbSO4，电解液中的PbSO4逐渐减少而水增多，故电解液相对密度下降。
理论上，放电过程应进行到极板上的活性物质全部变为硫酸铅为止，而实际上是不可能的，因为电解液不能渗透到活性物质的最内层。
使用中，所谓放完电的蓄电池，实际上只有20%—30%的活性物质变成了硫酸铅，因此采用薄型极板，增加多空率，提高极板活性物质的利用率可提高蓄电池的容量，也是蓄电池工业的发展方向。
（3）铅蓄电池的充电
充电时，应将蓄电池接直流电源。
当电源电压高于蓄电池电动势时，在直流电源电压作用下，电流从蓄电池正极流入，负极流出（即驱使电子从正极经外电路流入负极）。
这时正负极板发生的反应正好与放电过程相反，其化学反应过程如图3—4所示。
图3-4 铅蓄电池的充电过程
I—放电状态 II—溶解电离 III—通入电流 IV—充电状态
在负极板处有少量的PbSO4进入电解液中，离解为Pb2+和S042-即PbSO4→Pb2++S042-Pb2+在电源的作用下获得两个电子变为金属Pb，沉附在极板上。
而S042-则与电解液中的H+结合，生成硫酸。
即：
Pb2++2e→Pb
S042-+2H+→H2SO4
负极板上总的反应式为：
PbSO4 +2e+2H+→Pb+H2SO
正极板处，也有少量PbSO4进入电解液中，离解为Pb2+和S042-，Pb2+在电源作用下失去两个电子变为Pb4+，它又和电解液中水理解出来的OH–结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解为PbO2和H2O，而S042-又与电解液中的H+结合生成硫酸。
2S042-+4H+→2H2SO
其反应式如下：
PbSO4→Pb2++S042-
Pb2+-2e→Pb4+
4H2O→4H++4OH–
Pb4++4OH– → Pb（OH）4
Pb（OH）4 →PbO2+2H2O
正极板上的总反应为：
PbSO4-2e+2H2O+S042-→PbO2+H2SO
可见，在充电过程中，正负极板上的PbSO4将逐渐恢复为PbO2和Pb，电解液中硫酸成分逐渐增多，水逐渐减少。
充电终期，密度将升到最大值，且会引起水的分解，水分解的化学反应式如下：
2H2SO4→4H++2S042-
负极上：
4H++4e→2H2↑
正极上：
2S042--4e+2H2O→2H2SO+O2↑
总反应为：
2H2SO4 +2H2O →2H2SO+2H2↑+O2↑
由上式可见，实际上分解的是水：
2H2O → 2H2↑+O2↑
2）蓄电池的工作特性
蓄电池的工作特性主要包括蓄电池的电动势、内阻以及充、放电特性。
（1）静止电动势
静止电动势是指蓄电池在静止状态（不充电也不放电），正负极板之间的电位差（即开路电压），用E0表示。
它的大小与电解液的相对密度和温度有关，在相对密度为1.050一1.300的范围内，可由下述经验公式计算其近似值：
E0＝0.85+ρ25℃
式中：
ρ25℃——为25℃的电解液相对密度。
实测所得电解液相对密度应按下式换算成25℃时的相对密度：
ρ25℃＝ρt+ β（t一25）
式中：
ρt——实际测得的电解液密度；
t——实际测得的电解液温度；
β——密度温度系数A＝0.00075，即每温升1℃，相对密度将下降0.00075。
汽车用蓄电池的电解液相对密度在充电时增高，放电时下降，一般在1.12一1.30之间波动，因此，蓄电池的静止电动势也相应地变化在1.97V一2.15V之间。
（2）内电阻
蓄电池的内电阻大小反映了蓄电池带负载的能力。
在相同的条件下，内电阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。
蓄电池的内电阻为极板电阻、电解液电阻、隔板电阻、连条和极柱电阻的总和，用只R0表示。
极板电阻一般很小，并且随极板上的活性物质的变化而变化。
充电后电阻变小，放电后电阻变大，特别是在放电终了，由于有效活性物质转变为硫酸铅，则电阻大大增加。
隔板电阻因所用的材料而异。
木质隔板比微孔橡胶隔板、微孔塑料隔板的电阻大。
另外，阁板越薄，电阻越小。
相对密度为1.2时（15℃），硫酸的离解度最好，粘度较小，电阻也最小。
连接条电阻与单体电池的连接形式有关。
传统外露式铅连接条电阻比内部穿壁式、跨越式连接的电阻要大。
一般来说，起动型铅蓄电池的内电阻是很小的（单体电池的内电阻约为0.0110），在小负荷工作时对蓄电他的电力输出影响很小，但在大电流放电时（如起动发动机时），如内阻过大，则会引起端电压大幅度下降而影响起动性能。
完全充足电的蓄电池在温度为20℃时内阻只。
可按下述经验公式计算其近似值
=
式中：
Ue——蓄电池额定电压，V;
C20——蓄电池额定容量，阿Ah。
（3）充电特性
蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压Ue和电解液密度ρ等参数随充电时间变化的规律。
以一定的充电电流Ic向一只完全放电的蓄电池进行充电，在充电过程中，每隔一定时间测量其单体电他的端电压Uc、电解液密度ρ和温度，便可得到该蓄
充电时电源电压必须克服蓄电池的电动势E和蓄电池内阻产生的电压降IcR0，因此，充电过程中蓄电池的端电压总是大于蓄电池的电动势E，即
Uc=E+IcR0 （1—11）
由于采用恒流充电，单位时间内所生成的硫酸量相等。
所以，电解液相对密度严随时间成直线上升，静止电动势E0也由于相对密度的不断上升而增加。
在充电开始后蓄电池的端电压Uc便迅速上升，这是因为充电时活性物质和电解液的作用首先是在极板的孔隙中进行的，生成的硫酸使孔隙内的电解液相对密度迅速增大所致。
以后随着生成的硫酸量增多，硫酸将开始不断地向周围扩散，当继续充电至极板孔隙内析出的硫酸量与扩散的硫酸量达到平衡时，蓄电池的端电压就不再迅速上升，而是随着整个容器内电解液相对密度的上升而相应地增高。
当充电接近终了时，蓄电池端电压将达到2.3V一2.4V，这时极板上的活性物质最大限度地转变为二氧化铅（PbO2）和海绵状铅（Pb），再继续充电，电解液中的水将开始分解而产生氢气和氧气，以气泡的形式剧烈放出，形成所谓的“沸腾”状态。
由于氢离子在极板上与电子的结合不是瞬间完成而是缓慢进行的，于是靠近负极板处会积存有较多的正离子“H+”，使溶液和极板之间产生了附加电位差（也称氢过电位，约0.33V），因而使端电压急剧升至2.7V左右。
此时应切断电路停止充电，否则，将造成蓄电池的过充电。
过充电时，由于剧烈地放出气泡，会在极板内部造成压力，加速活性物质的脱落，使极板过早损坏。
所以，应尽量避免长时间的过充电。
但在实际充电中，为了保证将蓄电池充足，往往需要2h—3h的过充电才行。
全部充电过程中，极板孔隙内的电解液密度比容器中的电解液相对密度稍大一些。
因此，蓄电池的电动势E总是高于静止电动势E0。
充电停止后，由于Ic＝0，端电压Uc立即下降，极板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋向平衡，因而蓄电他的端电压又降至2.1V左右。
蓄电池充电终了的特征是：
a）蓄电池内产生大量气泡，呈“沸腾”状。
b）端电压和电解液相对密度均上升至最大值，且2h一3h内不再增加。
（4）放电特性
蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf和电解液相对密度严等参数随时间而变化的规律。
将一只完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行恒流放电，在放电过程中，每隔一定时间测量其单体电池的端电压Uf和电解液相对密度ρ，便可得到该蓄电池的放电特性曲线。
图1—7所示为一只6一Q—l05型蓄电池的放电特性曲线。
由于放电过程中电流是恒定的，单位时间内所消耗的硫酸量相同，所以，电解液的相对密度沿直线下降。
相对密度每下降0.03一0.038，则蓄电池约放电25％。
放电过程中，由于蓄电池内阻R。
上有压降，所以，蓄电池的端电压认总是小于其电动势E，即
Uf =E-IfR0
式中：
Uf——放电时蓄电池的端电压；
E——放电时蓄电池的电动势；
If——放电电流；
R。
——蓄电池的内阻。
随着放电程度的增加，电解液相对密度不断下降，电动势E也下降，同时内阻R0增加，故端电压Vf将逐渐下降。
放电时由于孔隙内的电解密度小于外部电解液密度，因此放电时的电动势E总是小于静止电动势E0。
放电开始时，其端电压从2.1V迅速下降，这是由于极板孔隙中的硫酸迅速消耗，密度降低的缘故。
这时容器中的电解液便向极板孔隙内渗透，当渗入的新电解液完全补偿了因放电时
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