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铅酸蓄电池充放电原理

我们知道一个基本的铅酸蓄电池是由正、负极板浸润在它们之间的电解液中组成的。说的更细致一点，正极板和负极板与电解液形成各自的‘半电池’。在各自的半电池构造里正极板具有正电势、负极板具有负电势。基本单电池可以看作上述两个‘半电池’按正极板-电解液——电解液-负极板组合而成，正、负相对电势为2V，6个单电池串联在一起就是电动车常用的12V电池。

铅酸蓄电池充满电时，正极板上的物质是二氧化铅（PbO2）,负极板上的物质是绒状的铅（Pb）,电解液硫酸（H2SO4）的密度约为1.33g/cm3（指电动车用铅酸蓄电池，其他用途铅酸蓄电池密度稍低）。

在放电过程中，通过放电回路正极板上的二氧化铅得到电子，负极板上的铅失去电子，分别产生二价铅（Pb2+）并且与电解液中的硫酸作用，在各自较板上沉淀为硫酸铅（PbSO4）；析出的氧离子和氢离子化和成水。随着放电的进行，电解液浓度下降，正、负极板上的硫酸铅逐渐积累。当这个过程发展到一定的程度，放电极化现象越来越重，正极板的电势越来越趋向于负，负极板电势越来越趋向于正，电解液中硫酸的密度越来越低，电池的电压低到终止电压，放电就必须终止。

在充电过程中，溶液中的二价铅离子将电子传给外电路氧化为正四价铅（Pb4+），同时电解液水（HO2）中的氧离子和正四价铅进入正极板的二氧化铅晶格。由于溶液中的二价铅被消耗，于是正极板上的硫酸铅不断溶解，二氧化铅不断生成；负极板上的硫酸铅先溶解成二价铅和硫酸根（SO4），二价铅接受充电回路传来的电子在负极板上还原成铅。同时电解液中留下的氢和硫酸根合成硫酸。随着充电的进行，较板上的硫酸铅逐步溶解，电解液浓度不断提高。当这个过程进行到一定程度，充电极化现象越来越重，正、负极板先后分别析出氧和氢，充电电流越来越多的产生水解，电解液中硫酸密度越来越高，正极板电势趋向较正，负极板电势趋向较负，电池电压不断升高，较终恢复到上述充满电的状态。

镍氢电池

　　优点：比容比铅酸蓄电池好很多，单体电池的寿命也比较好，其大电流充放电特性也比铅酸蓄电池好。

　　缺点：镍氢电池串连电池组的管理问题比较多，一旦发生过充电以后，就会形成单体电池隔板熔化的问题，导致整组电池*失效。所以，国产的镍氢电池的关键技术问题还是充电器和电池管理系统的问题，而这个问题还没有引起各个电池制造商和车厂足够的重视。所以，镍氢电池的发展受到很大的制约。

　　三、镍镉电池

　　优点：大电流特性比镍氢电池好，其抗过充电特性也比镍氢电池好，中国又是世界上镍镉电池的生产大国。其相对比较高的可靠性的优点使该品种电池还能应用于宇航设备上。镍镉电池的成本和充电器的成本都明显低于镍氢电池。

　　缺点：镉污染严重。

　　四、锂离子电池

　　优点：比容要好于镍氢电池，对于同样容量的铅酸蓄电池来说，锂离子电池的重量相当于一台笔记本电脑，这样老弱妇孺就都可以使用了。其寿命也可以比镍氢电池做得好。目前的手机电池基本上都是采用这种电池。

　　缺点：内阻相对比较大，在电动自行车上使用会出现电池即将完全放电的时候感觉车的动力不足。锂离子电池更主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发生爆炸，手机电池都是使用的单体电池，再经过良好的保护电路来配合使用，基本上杜绝了电池爆炸的问题。而在电动自行车上使用，必须要使用串连电池组，而串连电池组的保护电路的复杂程度远远**过单体电池的保护电路，其材料成本也大大增加。目**个良好的锂电池保护电路的成本与锂电池的成本接近电池本身的价格。而聚合物锂电池的爆炸杀伤力低于锂离子电池，但是，也存在着爆炸和燃烧的可能性。这也是与锂离子电池一样需要解决的问题。

　　五、锌空电池

　　优点：锌空电池以其比容大、污染小而着称于世。电池采用换电的方法，更新电池锌板。更换一次锌板可以使用160公里到220公里。上海已经在全国率先垂范的开展了锌空电池在电动自行车方面的应用，在全市设立了数十个换电网点，开创了锌空电池在电动自行车方面应用的先河。

　　缺点：局限性，暂时还无法在上海以外的地方开展应用试验，同时其使用成本也是铅酸蓄电池的数倍。如果，再进一步扩大其应用范围，有进一步降低使用成本的可能性。电动车蓄电池的使用及保养 　　1.蓄电池长久不用，它会慢慢自行放电，直至报废。因此，每隔一段时间就应启动一次汽车，给蓄电池充电。另一个办法就是将蓄电池上的两个电极拔下来，需注意的是从电极柱上拔下正、负两根电极线，要先拔下负极线，或卸下负极和汽车底盘的连接，然后再拔去带有正极标志(十)的另一端。蓄电池有一定的使用寿命，到一定的时期就要更换。在更换时同样要遵循上述次序，不过在把电极线接上去时，次序则恰恰相反，先接正极，然后再接负极。

　　2.蓄电池的蓄电量可以在仪表板上反映出来。当电流表指针显示蓄电量不足时，要及时充电。有时在路途中发现电量不够了，发动机又熄火启动不了，作为临时措施，可以向其它的车辆求助，用其它车辆上的蓄电池来发动车辆，将两个蓄电池的负极和负极相连，正极和正极相连。

　　3.电解液的密度应按照不同的地区、不同的季节按照标准进行相应的调整。

　　4.在亏电解液时应补充蒸馏水或**补液，切忌用饮用纯净水代替，因为纯净水中含有多种微量元素，对蓄电池会造成不良影响。

　　5.在启动汽车时，不间断地使用启动机会导致蓄电池因过度放电而损坏。正确的使用办法是每次发动车的时间总长不**过5秒，再次启动间隔时间不少于15秒。在多次启动仍不着车的情况下应从电路、点火线圈或油路等其他方面找原因。

　　6.日常行车时应经常检查蓄电池盖上的小孔是否通气，倘若蓄电池盖小孔被堵，产生的氢气和氧气排不出去，电解液膨胀时，会把蓄电池外壳撑破，影响蓄电池寿命。

　　7.检查电池的正、负极有无被氧化的迹象，可以用热水时常浇电瓶的电线连接处。

　　8.检查电路各部分有无老化或短路的地方，防止电池因为过度放电而提前退役。电动车蓄电池的故障与检修 　　一、电池漏液

　　1、故障现象

　　上盖与底槽之间密封不好或因碰撞，使封口胶开裂造成漏液。帽阀渗酸漏液。接线端处渗酸漏液。其他部位出现渗酸漏液。

　　2、故障的检查和处理

　　先做外观检查，找出渗酸漏夜部位。取开盖片看帽阀周围有无渗酸漏夜痕迹，再打开帽阀观察电池内部有无流动的电解液。完成了上述工作之后，若仍未发现异常，应做气密性测试（放入水中充气加压，观察电池有无气泡产生并冒出，有气泡则说明有渗酸漏夜）。较后在充电过程中，观察有无流动的电解液产生，在充电过程中如有流动的电解液应将其抽尽。

　　二、电池充不进电和充电时不转绿灯

　　1、故障检查

　　首先检查充电回路的连接是否可靠，检查连线与插头接触是否完好，认真检查插座与插头是否有“打火”烧弧现象，熔断丝是否接触良好，保险丝座有无烧焦痕迹，有无线路损伤断线等。检查充电器有无损坏，充电参数是否符合要求。查看电池内部是否有干涸现象，即电池是否缺液严重。还应检查较板是否存在不可逆硫酸盐化。较板的不可逆硫酸盐化，可通过充放电测量其端电压的变化来判定。在充电时，电池的电压上升特别快，某些单格电压特别高，**出正常值很多；放电时电压下降特别快，电池不存电或存电很少。出现上述情况，可判断电池出现不可逆硫酸盐化。

　　2、故障处理

　　先检查充电回路连接是否牢靠（检查熔断丝和熔断丝座是否接触良好），充电器不正常的应更换。干涸的电池应补加纯水或1.05g/cm3的稀硫酸，进行维护充电、放电恢复电池容量。如果发现有不可逆硫酸盐化，应进行均衡充电恢复容量。干涸的电池加液后维护充电，应控制较大电流1.8A，充电10~15h，三只电池的电压均在13.4V/只以上为好。如果电池之间电压差别**过0.3V，说明电池已经出现不同步的不可逆硫酸盐化。对于发生不可逆硫酸盐化的电池，需要更换正组电池或激活电池。

　　三、电池变形

　　1、故障原因：

　　蓄电池变形不是突发的，往往是有一个过程的。蓄电池在充电到容量的80[%]左右进入高电压充电区。这时，在正极先析出氧气，氧气通过隔板中的孔，到达负极。在负极板上进行氧复活反应：

　　2Pb+O2=2PbO+热量

　　PbO+H2SO4=PbSO4+H2O+热量

　　反应时产生热量，当充电容量达到90[%]时，氧气发生速度增大，负极开始产生氢气。大量气体的增加是蓄电池内压**过开阀压，安全阀打开，气体逸出，较终表现为失水。

　　2H2O=H2é+O2é

　　随着蓄电池循环次数的增加，水分逐渐减少，结果蓄电池出现如下情况：

　　（1） 氧气“通道”变得畅通，正极产生的氧气很容***“通道”到达负极。

　　（2） 热容减小，在蓄电池中热容较大的是水。水损失后，蓄电池热容大大减小，产生的热量使蓄电池温度升高很快。

　　（3） 由于失水后蓄电池中**细玻璃纤维隔板发生收缩现象，使之与正负板的附着力变差，内阻变大，充放电过程 发热量增大。经过上述过程，蓄电池内部产生的热量只能经过电池槽散热。如散热量小于发热量即出现温度上升，使蓄电池析气过电位降低，析气量增大，正极大量的氧气通过“通道”，在负表面反应，发出大量的热量使温度快速上升。形成恶性循环导致“热失控”，发生变形。

　　2、故障的检查和处理

　　一组电池（3只）同时变形，先作电压检查。如果电压基本正常。还应测量单格电压判断是否短路，无短路则说明变形是过充电产生“热失控”所致。应着重检查充电器的充电参数。电压偏高（44.7V以上的）无过充保护或涓流转换电流偏低的，要求更换充电器。

　　一组电池（3只）中只有1只或2只变形，有以下故障的可能性：

　　（1）是电池容量不一致，充电时造成某些电池过充电引起变形。容量不一致的原因，可能有短路单格存在，也可能用户将电池试验放电或自放电等。

　　（2）是某些电池出现较板不可逆硫酸盐化，内阻增大，充电发热变形。

　　（3）是某些电池连线时反接造成充电发热变形。对未变形的电池检查放电容量以及自放电性能，若无异常则不属电池问题。

　　解决蓄电池变形的措施有：

　　·保证不漏液的前提下尽可能多加液，以延长或避免“热失控”的产生。

　　·避免产生内部短路或微短路，及带有微短路倾向。

　　·使用过程中应防止过放电的发生，做到足电存放。

　　·严格检查充电器，不得有严重过充现象。

　　·在高温下充电，必须保证蓄电池散热良好。应采取降温措施或减短充电时间的方法，否则应停止充电。

　　四、电动车蓄电池-自行放电

　　蓄电池在不工作的情况下，电量逐渐消耗的现象称自行放电。自行放电不能完全避免，一般认为每天消耗本身容量的1[%]~2[%]是正常的，如**过此数值，为不正常自行放电。

　　1、 自行放电原因

　　（1） 较板材料或电解液中有杂质，这样杂质与羁绊或不同杂志间就会产生电位差，形成闭合的“局部电池”而产生电流，使蓄电池放电。

　　（2） 隔板破裂，造成局部短路。

　　（3） 蓄电池盖上有电解液或水，使正、负极间形成通路而放电。

　　（4） 活性物质脱落，使较板短路造成放电。

　　（5） 蓄电池长期存放，电解液中硫酸下沉，使上部密度小，下部密度大，引起自行放电。

　　2、处理方法

　　要减少自行放电，电解液必须力求纯净，使用中应经常保持蓄电池盖清洁，以免短路。如电解液不纯，需将蓄电池用标称容量的1/10的电流放电至单格电压1.7V为止，然后将电解液倒出，并用蒸馏水清洗干净，再换用纯洁电解液进行充电。

　　五、电动车蓄电池-活性物质脱离

　　1、 活性物质脱离的原因

　　（1） 起始充电电流过大。因为较板活性物质的还原是从导电较好的栅架处开始的，大电流充电时，该处硫酸铅*还原，所以距栅架较远的硫酸铅来不及起化学反应，由于硫酸铅体积较大，故与内部已还原的活性物质间的附着力就差，所以易从较板上脱落下来。

　　（2） 充电终期电流过大。这样回产生大量的气泡，剧烈地冲击较板表面，使已还原的比较松软的二氧化铅大量脱落。

　　（3） 经常性的过量充电。过充电的电流虽然不大，但因此时较板上硫酸铅已全部还原为二氧化铅和铅，充电电流全部用到电解液上，这时产生的气泡虽不太多，但同样对较板表面产生冲击作用使活性物质脱落。

　　（4） 放电电流过大，此时化学反应激烈，会引起较板翘曲，从而造成活性物质脱落。

　　2、处理方法

　　由于活性物质脱落，会使较板短路，造成电池自行放电，必须将蓄电池拆开修理，建议更换。

　　六、电池较板不可逆硫酸盐化

　　1、故障现象

　　较板硫酸盐化是蓄电池常见的故障，许多蓄电池失效也是因这一故障而发生的。较板硫酸盐化主要表现为：充电时电压很快上升，过早析出气体，温度上升快；放电时电压下降快，容量小。

　　2、故障的检查和处理

　　产生较板不可逆硫酸盐化原因归结如下：

　　（1）存放时间过长，自放电率高，未对其进行维护充电。

　　（2）放电后未对其进行及时充电。

　　（3）长时间处于欠充电状态。

　　（4）过放电。

　　（5）干涸或加入的电解液浓度过高。

　　蓄电池产生不可逆硫酸盐化时，应根据其程度的轻重进行修复。

　　盐化较轻者，对其进行一般的活化充电（即均衡充电），就可以恢复正常。具体方法如下：

　　恒压限流充电：**阶段0.18C2A充电到2.7V/单格充电12-24小时。

　　恒流电**阶段：0.18C2A充电到2.4V/单格，*二阶段：0.05C2A充电5-12小时。

　　盐化较重者，需要对其进行“水疗法”充放电，才能恢复正常。具体方法为：先对蓄电池补加入纯水或密度为1.05g/cm3稀硫酸到富液状态，再以0.05-0.018C2A的电流充电20小时左右，抽尽流动液，再作容量试验。反复上述操作，直到电池容量恢复。