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1.1.6 蓄電池的充、放電特性

蓄電池的工作特性包括充電特性和放電特性,與蓄電池工作特性有關(guān)的技術(shù)參數(shù)有蓄電池的靜止電動(dòng)勢、內(nèi)阻、端電壓及電解液的相對密度。

1.靜止電動(dòng)勢、內(nèi)阻、端電壓

(1)靜止電動(dòng)勢。在靜止?fàn)顟B(tài)下(即不充電、不放電的情況下),蓄電池兩極板間所具有的電位差,用Ej表示。其大小取決于電解液的相對密度和溫度,用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下:

Ej=0.85+ρ2 5℃(V)

ρ 2 5℃為25℃時(shí)的電解液的相對密度,ρ 2 5℃=ρT+0.0007(T-25)。

汽車用蓄電池的電解液密度一般在(1.12~1.30)g/cm3之間,因此Ej=(1.97~2.15)V。

(2)內(nèi)阻。電流流過蓄電池時(shí)所受到的阻力稱為蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池的內(nèi)阻包括以下幾部分:

①極板內(nèi)阻。極板內(nèi)阻很小,隨活性物質(zhì)的變化而變化,充電時(shí)變小,放電時(shí)變大。

②隔板內(nèi)阻。隔板內(nèi)阻與材料有關(guān),木質(zhì)隔板多孔性差,其電阻比微孔橡膠和塑料隔板的電阻大。

③電解液內(nèi)阻。電解液內(nèi)阻與其溫度、相對密度有關(guān)。當(dāng)電解液的溫度升高時(shí),其內(nèi)阻下降。電解液內(nèi)阻與相對密度的關(guān)系如圖1-18所示,由圖可知,電解液相對密度為1.2時(shí),其內(nèi)阻最小,因?yàn)榇嗣芏鹊碾娊庖海蛩犭x解為離子的數(shù)量最多,同時(shí)電解液的黏度也比較小。相對密度過高和過低都會(huì)減少離子的數(shù)量。相對密度過高時(shí),不僅離子數(shù)量減少,而且電解液黏度會(huì)增大,因而內(nèi)阻增大。

圖1-18 電解液內(nèi)阻與相對密度的關(guān)系

由此可知,適當(dāng)降低電解液相對密度和提高溫度(如冬季對蓄電池保溫),對降低蓄電池的內(nèi)阻、提高起動(dòng)性能十分有利。

(3)端電壓。蓄電池在無負(fù)載狀況下測得的電壓即為端電壓。其計(jì)算公式為:

Uf=E-IfR

式中,Uf為放電時(shí)蓄電池的端電壓;E為蓄電池的電動(dòng)勢;If為放電電流;R為蓄電池內(nèi)阻。

Uc=E-IcR

式中,Uc為充電時(shí)蓄電池的端電壓;E為蓄電池的電動(dòng)勢;Ic為充電電流;R為蓄電池內(nèi)阻。

2.放電特性

蓄電池的放電特性是指蓄電池在恒定電流放電狀態(tài)下,端電壓Uf、電解液相對密度ρ25℃隨放電時(shí)間變化的規(guī)律。

圖1-19所示為6—QA—60蓄電池以3A電流進(jìn)行放電時(shí)測得的放電特性曲線。

圖1-19 恒流放電特性曲線

由圖可知:

(1)ρ25℃按直線規(guī)律下降。這是因?yàn)樵诤懔鞣烹姇r(shí),放電電流為定值,則化學(xué)反應(yīng)速度不變,單位時(shí)間消耗的硫酸則不變。在一般情況下,電解液相對密度每下降0.04,蓄電池放電約25%。

(2)蓄電池放電可分成三個(gè)階段,即開始放電階段、相對穩(wěn)定階段和迅速下降階段。

①開始放電階段。放電開始時(shí),極板空隙內(nèi)的硫酸迅速消耗,電解液密度迅速下降,濃差極化顯著增大,端電壓從2.14V迅速下降到2.1V。

②相對穩(wěn)定階段。端電壓由2.0V下降到1.85V,基本呈直線規(guī)律緩慢下降。隨著極板孔隙內(nèi)電解液密度的迅速下降,孔內(nèi)外的密度差不斷增大,硫酸向孔隙內(nèi)擴(kuò)散的速度也隨之加快,放電電流得以維持。當(dāng)空隙內(nèi)消耗硫酸的速度與孔外向孔內(nèi)補(bǔ)充硫酸的速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),孔內(nèi)外的密度差基本保持不變,這時(shí)孔內(nèi)電解液密度將隨孔外電解液密度一起緩慢下降,所以端電壓按直線規(guī)律緩慢下降。

③端電壓迅速下降階段。端電壓由1.85V迅速下降到1.75V。放電接近終了時(shí),孔隙外的電解液密度大大下降,難以維持足夠的密度差,離子擴(kuò)散速度下降,濃差極化顯著增大;與此同時(shí),極板表面硫酸鉛增多,孔隙堵塞使活性物質(zhì)PbO2和Pb的反應(yīng)面積減小;此外,放電時(shí)間越長,硫酸鉛越多,內(nèi)阻越大,歐姆極化越顯著。因此,放電臨近終了時(shí),由于濃差極化、電化學(xué)極化和歐姆極化都顯著增大,蓄電池的端電壓迅速下降。

蓄電池放電終了的特征為:

a.單格電池電壓降到放電終止電壓(單格電池終止電壓和放電電流有關(guān))。

b.電解液密度降到最小終止值。

3.充電特性

蓄電池充電特性是指蓄電池在恒定電流充電狀態(tài)下,電解液相對密度ρ25℃、蓄電池端電壓Uc隨充電時(shí)間變化的規(guī)律。

圖1-20所示為6—QA—60蓄電池以3A進(jìn)行恒電流充電時(shí)測得的充電特性曲線。

圖1-20 恒流充電特性曲線

由圖可知:

(1)ρ25℃按直線規(guī)律上升。這是因?yàn)樵诤懔鞒潆姇r(shí),充電電流定值,則化學(xué)反應(yīng)速度不變,單位時(shí)間消耗生成的硫酸量不變。

(2)蓄電池的充電過程可分為以下幾個(gè)階段:

①開始充電階段。開始充電時(shí),極板空隙內(nèi)迅速生成硫酸,空隙中的電解液密度迅速增大,濃差極化增大,端電壓迅速上升。

②穩(wěn)定上升階段。當(dāng)空隙內(nèi)生成硫酸的速度與向外擴(kuò)散的速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),端電壓便隨整個(gè)容器內(nèi)電解濃密度的變化而緩慢上升。當(dāng)端電壓達(dá)到2.4V左右時(shí),電解液中開始冒氣泡。此現(xiàn)象說明蓄電池已基本充足電,極板上的活性物質(zhì)已基本轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛,部分充電電流已用于電解水,產(chǎn)生了氫氣和氧氣,所以電解液冒氣泡。

③充電末期。繼續(xù)充電時(shí),電解水的電流增大,產(chǎn)生的氫氣和氧氣增多,電化學(xué)極化顯著增大,端電壓迅速上升,直到電壓上升到2.7V左右且穩(wěn)定不變,電解液中有大量氣泡,形成“沸騰”現(xiàn)象為止。此時(shí)電解液密度不再變化。

④充電停止后。此時(shí)端電壓逐漸下降至靜止電動(dòng)勢。蓄電池充電終了的特征為:

a.端電壓和電解液密度上升到最大值(2.7V)且在2h內(nèi)不再上升。

b.電解液中劇烈冒氣泡,呈“沸騰”現(xiàn)象。

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