電動車用蓄電池之作用原理與構(gòu)造

1、電動車用蓄電池之作用原理與構(gòu)造2007-02-25 22:59  所謂蓄電池即是貯存化學(xué)能量，于必要時(shí)放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。構(gòu)成鉛蓄電池之主要成份如下：  陽極板(過氧化鉛.PbO2)-> 活性物質(zhì)陰極板(海綿狀鉛.Pb) -> 活性物質(zhì)電解液(稀硫酸) -> 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O電池外殼 隔離板 其它(液口栓.蓋子等) 一、鉛蓄電池之原理與動作     鉛蓄電池內(nèi)的陽

2、極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： (陽極) (電解液) (陰極) PbO2  +  2H2SO4  +  Pb  ->  PbSO4 + 2H2O + PbSO4   (放電反應(yīng)) (過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)&

3、#160;(陽極) (電解液) (陰極)PbSO4  +  2H2O   +  PbSO4 -> PbO2 + 2H2SO4 + Pb  (充電反應(yīng)) (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛) 1. 放電中的化學(xué)變化     蓄電池連接外部電路放電時(shí)，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),生成新化合物硫酸鉛

4、。經(jīng)由放電硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。 2. 充電中的化學(xué)變化     由于放電時(shí)在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會在充電時(shí)被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內(nèi)電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時(shí)，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽極板則產(chǎn)生氧，充電到最后階段

5、時(shí)，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時(shí)應(yīng)以純水補(bǔ)充之。 二、電動車用蓄電池的構(gòu)造 電動車用蓄電池,必須具備以下條件:  高性能  耐震.耐沖擊  壽命長  保養(yǎng)容易 由于玻璃纖維管式鉛蓄電池是累積多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果而制成，故具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 1.極板     根據(jù)蓄電池容量選擇適當(dāng)規(guī)格極板及數(shù)量組合而成。于充放電時(shí),兩極活性物質(zhì)隨著體積的變化而反復(fù)膨脹與收縮。兩極活性物質(zhì)中，陰極板之海綿狀鉛的結(jié)合力較強(qiáng)，而陽極板之過氧化鉛

6、的結(jié)合力弱，因而在充放電之際，會徐徐脫落，此即為鉛蓄電池壽命受到限制的原因。期使蓄電池使用期限延長，能耐震并耐沖擊，則陽極板的改良即成當(dāng)急要?jiǎng)?wù)。 · 玻璃纖維管式的陽極板: 此乃以玻璃纖維制的軟管接在鉛合金制的櫛狀格子(蕊金)上，在軟管和蕊金間充填鉛粉之后，將軟管密封，使其發(fā)生變化，產(chǎn)生活性化物質(zhì)，由于活性化物質(zhì)不會脫落，與電解液接觸亦良好,是一種非常好的極板材料。使用具有這種極板的蓄電池是電動車唯一的選擇。編織式軟管乃以9microm()的玻璃纖維編成管袋狀，彈性好，可耐膨脹或收縮，而且對電解液的滲透度也非常良好，此軟管乃是最佳產(chǎn)品，長久以來，實(shí)用績效良好。&#

7、160; · 糊狀式極板: 就是將稀硫酸煉制之糊狀鉛粉涂覆在鉛合金制的格子上，俟其 干燥后所形成之活性物質(zhì)。這種方式一直被采用在鉛蓄電池的陰極板上，同時(shí)亦使用在汽車，小貨車的蓄電池陽極板上。  2.隔離板     能防止陰、陽極板間產(chǎn)生短路，但不會妨礙兩極間離子的流通。而且經(jīng)長時(shí)間使用，也不會劣化，或釋放雜質(zhì)。鉛蓄電池一般都使用膠質(zhì)隔離板。 3.電池外殼     耐酸性強(qiáng)，兼具機(jī)械性強(qiáng)度。電動車用的蓄電池外殼乃使用材質(zhì)強(qiáng)韌之合成樹脂經(jīng)特殊處理制成

8、，其機(jī)械性強(qiáng)度特別強(qiáng)，上蓋亦使用相同材質(zhì)，以熱熔接著。 4.電解液     電解液比重以20的值為標(biāo)準(zhǔn)，電動車用的蓄電池完全充電時(shí)之電解液標(biāo)準(zhǔn)比重為1.280。 5.液口栓     液口栓的功能為排出充電時(shí)所產(chǎn)生的氣體及補(bǔ)充純水，測定比重。 三、蓄電池的容量 電動車用蓄電池的容量以下列條件表示之：  電解液比值1.280/20  放電電流5小時(shí)的電流  放電終止電壓1.70V/Cell 

9、 放電中的電解液溫度30±2 1.放電中電壓下降 放電中端子電壓比放電前之無負(fù)載電壓（開路電壓）低，理由如下： (1)V=E-I.R V：端子電壓(V) I：放電電流(A) E：開路電壓(V)R：內(nèi)部阻抗() (2)放電時(shí)，電解液比重下降，電壓也降低。 (3)放電時(shí)，電池內(nèi)部阻抗即隨之增強(qiáng)，完全充電時(shí)若為倍，則當(dāng)完全放電時(shí)，即會增強(qiáng)倍。 用于起重時(shí)之電瓶電壓之所以比用于行走時(shí)的電壓低，乃是由于起重用之油壓馬達(dá)比行走用之驅(qū)動馬達(dá)功率大，因此放電流大，則上式的I.R亦變大。 2.

10、蓄電池之容量表示 在容量試驗(yàn)中，放電率與容量的關(guān)系如下： 5HR.1.7V/cell 3HR.1.65V/cell 1HR.1.55V/cell 嚴(yán)禁到達(dá)上述電壓時(shí)還繼續(xù)繼續(xù)放電，放電愈深，電瓶內(nèi)溫會升高,則活性物質(zhì)劣化愈嚴(yán)重，進(jìn)而縮短蓄電池壽命。 因此，堆高機(jī)無負(fù)重?fù)P升時(shí)的電池電壓若已達(dá)1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v)，則應(yīng)停止使用，馬上充電。 3.蓄電池溫度與容量 當(dāng)蓄電池溫度降低，則其容量亦會因以下理由而顯著減少。 (A)電解液不易擴(kuò)散，兩極活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率變

11、慢。 (B)電解液之阻抗增加，電瓶電壓下降,蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而減少。 因此: (1)冬季比夏季的使用時(shí)間短。 (2)特別是使用于冷凍庫的蓄電池由于放電量大，而使一天的實(shí)際使用時(shí)間顯著減短。 若欲延長使用時(shí)間，則在冬季或是進(jìn)入冷凍庫前，應(yīng)先提高其溫度。 4.放電量與壽命 每日反復(fù)充放電以供使用時(shí)，則電池壽命將會因放電量的深淺，而受到影響。 5.放電量與比重 蓄電池之電解液比重幾乎與放電量成比例。因此，根據(jù)蓄電池完全放電時(shí)的比重及10%放電時(shí)的比重，即可推算出蓄電池的放電量。 測

12、定鉛蓄電池之電解液比重為得知放電量的最佳方式。因此，定期性的測定使用后的比重，以避免過度放電，測比重的同時(shí)，亦側(cè)電解液的溫度，以20度C所換算出的比重，切勿使其降到80%放電量的數(shù)值以下。 6.放電狀態(tài)與內(nèi)部阻抗 內(nèi)部阻抗會因放電量增加而加大，尤其放電終點(diǎn)時(shí)，阻抗最大，主因?yàn)榉烹姷倪M(jìn)行使得極板內(nèi)產(chǎn)生電流的不良導(dǎo)體硫酸鉛及電解液比重的下降，都導(dǎo)致內(nèi)部阻抗增強(qiáng)，故放電后，務(wù)必馬上充電，若任其持續(xù)放電狀態(tài)，則硫酸鉛形成安定的白色結(jié)晶后(此即文獻(xiàn)上所說的硫化現(xiàn)象),即使充電,極板的活性物資亦無法恢復(fù)原狀,而將縮短電瓶的使用年限。 白色硫酸鉛化 蓄電池放電，則陰、

13、陽極板同時(shí)產(chǎn)生硫酸鉛(PbS04)，若任其持續(xù)放電，不予充電，則最后會形成安定的白色硫酸鉛結(jié)晶(即使再充電，亦難再恢復(fù)原來的活性物質(zhì))此狀態(tài)稱為白色硫化現(xiàn)象。 7.放電中的溫度 當(dāng)電池過度放電，內(nèi)部阻抗即顯著增加，因此蓄電池溫度也會上升。放電時(shí)的溫度高，會提高充電完成時(shí)溫度，因此，將放電終了時(shí)的溫度控制在40以下為最理想。 四、充電的管理 1.蓄電池的充電特性 蓄電池充電的端子電壓如下式表示 V= E+I.R，在此 E=電瓶電壓(V)I=充電電流(A)R=內(nèi)部阻抗() 2.蓄電池溫度與壽命 蓄電

14、池溫度（電解液溫度）升高，則陰陽極板上的活性物質(zhì)即會劣化，并腐蝕陽極格子，而縮短電池壽命，相對的，電池溫度太低時(shí)，會使電池蓄電容量減少，容易過度放電，進(jìn)而使電池壽命縮短。此種關(guān)系也會因電池型式，極板材質(zhì)而有變化。故應(yīng)遵守下列之使用條件： 通常蓄電池之電解液溫度應(yīng)維持在1555為理想使用狀態(tài)，不得已的情況下,也不可超過放電時(shí)-1555,充電時(shí)060的范圍。實(shí)際使用時(shí)，由于充電時(shí)溫度會上升，因此，放電終了時(shí)之電解液溫度以維持在40以下為最理想。 3.充電量與壽命 蓄電池所須之充電量為放電量的110120%.放電量與蓄電池壽命具密切關(guān)系,假設(shè)充電量為放電量120%時(shí)的電

15、池，使用壽命為1200回（年），則當(dāng)電池的充電量達(dá)放電量之150%時(shí)，則可推算該電池的壽命為： 1200回×120/150=960回(32年) 又，此150%的充電,迫使水被分解產(chǎn)生氣體，電解液遽減，將使充電終點(diǎn)的溫度上升,結(jié)果溫度上升造成耐用年限縮短。此外，充電不足即又重復(fù)放電使用，則會嚴(yán)重影響電池壽命。  堆高機(jī)舉重時(shí)，若電池溫度保持在1040之間，其充電量亦維持在110120%者，最能延長電池壽命，此時(shí)充電完成之比重，其20換算值約為128。 4.氣體的產(chǎn)生與通風(fēng)換氣 充電中產(chǎn)生的氣體為氧與氫的混合氣，氫氣具爆炸性，若

16、空氣中氫氣達(dá)3.8%以上，且又近火源，則會發(fā)生爆炸。充電場所必須通風(fēng)良好，注意遠(yuǎn)離火源，避免觸電。 五、電解液之管理 1.比重測定 測量比重時(shí)，須使用吸取式比重計(jì)將電解液緩緩吸入外筒，從浮標(biāo)之刻度即可測知比重。 鉛蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而變化，電解液比重乃以攝氏20度時(shí)的比重為標(biāo)準(zhǔn)，因此比重計(jì)上的讀數(shù)，必須換算為攝氏20度時(shí)之標(biāo)準(zhǔn)比重。當(dāng)溫度變化攝氏一度時(shí)，則比重即變化0.0007，因此，在測量比重的同時(shí)，必須測量溫度，測溫時(shí)，請使用棒狀酒精溫度計(jì)。 該溫度t時(shí)所測之比重為St，則以下式換算標(biāo)準(zhǔn)溫度20時(shí)之比重S20， S20

17、=St+0.0007(t-20) S20.為換算成20時(shí)的比重 St.為t時(shí)所測之比重  t.為測得電解液之實(shí)際攝氏溫度 例如：20時(shí)比重為1.280者，在10時(shí)變成1.287;30時(shí)，變成1.273。 2.純水之補(bǔ)充 重復(fù)放電時(shí)，電解液面會緩緩下降，因此定期檢視電解液液位，隨時(shí)補(bǔ)充純水，以維持適當(dāng)之液位，若因忽略補(bǔ)水，而露出極板，則會傷害極板。蓄電池用純水的標(biāo)準(zhǔn)按日本蓄電池工業(yè)會SBA4001的規(guī)定如下： 項(xiàng)目單位規(guī)格濁度無色透明液性中性導(dǎo)電度/cm 10以下氯(C1)% 0.0001以下鐵(

18、Fe)% 0.0001以下 硫酸根(SO4)% 0.0001以下強(qiáng)熱殘分% 0.001以下其它% 0.005以下3.電解液中的不純物與電池壽命 電解液中若含有硝酸、鹽酸、亞硫酸、鹽素、有機(jī)物等，則會腐蝕極板，加速縮短電池壽命，同時(shí)也會加速自我放電，此外，銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導(dǎo)致自我放電量增加。 蓄電池補(bǔ)充液位時(shí)，一定要使用純水，用水沖洗電瓶時(shí)，一定要將電池帽蓋緊以避免沖洗用水流入電瓶內(nèi)。 4.補(bǔ)水過多所造成的弊端 補(bǔ)水時(shí)若超過最高液面（參照第4-1）則充電時(shí)就會發(fā)生滿溢，而使稀硫酸成份流失，腐蝕電瓶箱,電解液比重偏低造成蓄電容量不足等。 六、其它 1.自我放電 蓄電池當(dāng)其內(nèi)部發(fā)生純化學(xué)反應(yīng)，或因不純物污染造成電化學(xué)反應(yīng)，或長久不用皆會耗電，此即稱為自我放電。自我放電之耗電程度乃視蓄電池構(gòu)造溫度、比重、不純物，使用過等而有所不同，一般在一天內(nèi)會放掉0.51%，蓄電池在使用前的保存期間就會自我放電，消耗蓄電量。 當(dāng)蓄電池處于長期持續(xù)放電狀態(tài)時(shí)，則一旦形成白色硫酸鉛化，則即使再充電，也無法恢復(fù)其容量。庫存期間務(wù)必每個(gè)月就充電一次。 2.電瓶壽命終期的判定 蓄電池到