铅蓄电池工作原理与充放电技术

大鸟展翅

《铅蓄电池工作原理与充放电技术》

1.原理

一、电动势的产生

铅蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质是海绵状铅。在稀硫酸溶液中，由于电化学作用，正、负极板与电解液之间分别产生了电极电位，正、负两极间电位差就是蓄电池的电动势。

负极板上的海绵状金属铅是由二价铅离子( )和电子组成的。稀硫酸在水中被电离为氢离子( )和硫酸根离子( )。负极板浸入稀硫酸溶液后，二价铅离子进入溶液，在极板上留下能自由移动的电子，因而负极板带负电，即产生了电极电位。
    同样，正极板上的二氧化铅也与稀硫酸作用，产生的四价铅正离子（ ）留在极板上，使正极板带正电，也产生了电极电位。这样，在电他的正、负两极上便产生了电动势。
二、放电过程中的电化学反应
1．负极

放电过程中，负极的铅原子失去两个电子，变成二价铅正离子。电解液中的硫酸分子( )离解为两个氢离子( )和一个硫酸根离子( )。此时二价铅正离子( )与一个硫酸根离子结合成硫酸铅( )分子，附着在负极板上。两个氢离子留在电解液中，参加正极化学反应。负极板失去的电子将通过外电路流入正极。化学反应方程式如下：
                  
                     
2．正极
放电开始后，正极上的二氧化铅与电解液中的水分子作用，生成四价铅离子( )和四个氢氧根离子( )。每个四价铅离子接受负极传来的两个电子后生成 ，再进入溶液与硫酸根( )结合成硫酸铅分子( )附在正极上，氢氧根离子( )与溶液中氢离子( )反应生成水分子。反应式如下：
               


以上两式相加，就得到铅蓄电池放电过程中的总反应方程式：
      


正极
电解液
负极
正极
电解液
负极
从化学反应式可看出，铅蓄电池在放电过程中，正负极板上的活性物质都变成了硫酸铅。电解液中的硫酸不断消耗，水分子不断生成，因此，电解液的密度逐渐降低。电解液密度可作为放电终了的标志。

三、充电过程中的电化学反应

充电时，外接直流电源的正极与负极分别接蓄电池的正极与负极。当外加电压高于蓄电池的电动势时，电子从蓄电池的正极流向负极，从而发生与放电时相反的电化学反应。

1．负极

蓄电池充电时，负极上的硫酸铅电离为二价铅离子( )和硫酸根离子( )。二价铅离子得到两个电子后，还原为海绵状铅，硫酸根离子和电解液中水分子离解出来的氢离子( )结合为硫酸分子( )。反应式如下：
                     
                     

2．正极

正极上的硫酸铅电离为二价铅离子和硫酸根离子。二价铅离子从外接电源强行夺去两个电子后，成为四价铅离子( )，四价铅离子与水分子反应，生成二氧化铅沉积到正极板上。电化学反应方程式为：
            
           
以上两式相加，可得到铅蓄电池充电时的电化学反应方程式：
           
         

正极
电解液
负极
正极
电解液
负极

可以看出，正负极板上的硫酸铅分别变成二氧化铅和海绵状铅，电解液中的水分子不断消耗，硫酸分子不断生成，电解液密度不断升高。因此，电解液密度可以作为充电终了的标志。

蓄电池两极板上的活性物质完全恢复后，若再继续充电，则充电电流主要用于分解水。这种反应在充电初期很微弱，但当单体电池端电压达到2.3V后逐渐增强。负极板上有大量氢气冒出，正极板上有大量氧气冒出。其化学反应方程式如下：


负 极：

+）
正 极：

总反应：
水的分解不仅使电解液减少，而且浪费电能，同时激烈气泡的冲击能加速活性物质脱落，使蓄电池寿命缩短。因此，充电后期必须减小充电电流，减缓冒气的剧烈程度，以延长电池的寿命。

2.充放电技术

一、保持蓄电池处于良好的浮充状态决定电池寿命的要素有三个：第一是产品质量；第二是维护的情况；第三是决定电池是否处于良好的浮充运行状态。
浮充运行是指整流器与蓄电池并联供电于负载，如图4-8所示。当交流电正常供应时，负载电流由交流电经整流后直接供电于负载，蓄电池处于微电流(补充其自放电所耗电能)充电状态；当交流电停供时才由蓄电池单独供电于负载，故蓄电池经常处于充足状态，减少了充放电循环周期，延长了电池寿命。


图1-1 浮充电原理图
二、关于浮充电压的选择蓄电池浮充电压的选择是对电池维护得好坏的关键。如果选择得太高，会使浮充电流太大，不仅增加能耗，对于密封电池来说，还会因剧烈分解出氢氧气体而使电池爆炸。如果选择太低，则会使电池经常充电不足而导致电池加速报废。
图4-8中UAB是蓄电池的浮充电压，由整流器稳压方式提供(稳压精度必须达到±1％)；IC为蓄电池充电电流，主要是补充蓄电池的自放电；由于蓄电池处于浮充(充足)状态，E2和r02基本不变。对于开口型电池，因电解液由各使用单位自行配制，故充电开始有所差异。对阀控式密封铅酸蓄电池，出厂时已成为定值，为此:

式中，Q为蓄电池组的额定容量；r％为电池一昼夜自放电占额定容量的百分比，则:

由此可见，浮充电压应按电池的容量、质量(自放电的多少)而定，而不应千篇一律，照抄国外或沿用老资料，特别是阀控式密封铅酸蓄电池，其自放电很小，故可降低浮充电压。
对于阀控式密封铅酸蓄电池，因电解液、隔离板均由厂家出厂时密封为定值，故应增加一个自放电的指标。
三、低电压恒压充电(均衡充电)技术所谓低压恒压充电，即过去传统的恒压充电法，但其不同点是，低电压恒压充电一般采用每只蓄电池平均端电压为2.25～2.35V的恒定电压充电。当蓄电池放出很大容量(A·h)而电势较低时，充电之初为防止充电电流过大，充电整流器应具有限流特性，故仍处于恒流充电状态。当充入一定容量(A·h)后，蓄电池电势升高，充电电流才逐渐减小。这种充电方式由于有以下优点而被推广使用。
充电末期的充电电流很小，故氢气和氧气和产生量极小。它能改善劳动条件、降低机房标准，是全密闭电池适用的充电方式。
充电末期的电压低，对程控电源等允许用电压变化范围较宽的用电设备供电时，可在不脱离负载的情况下进行正常充电，以简化操作，提高可靠性。
整流器的输出电压最大值较小，可减小整流器中变压器的设计重量。
四、蓄电池浮充电压与温度的关系应注意的是，在浮充运行中，阀控电池的浮充电压与温度有密切的关系，浮充电压应根据环境温度的高低作适当修正。不同温度下，阀控电池的浮充端电压可通过下式来确定：
Ut＝2.27V－(t－25℃)×3mV/℃
从上式明显看出，当温度低于25℃太多时，若阀控电池的浮充仍设定为2.27V/C，势必使阀控电池充电不足。同样，若温度高于25℃太多时，若阀控电池的浮充电压仍设定为2.27V/C，势必使阀控电池过充电。
在浅度放电的情况下，阀控电池在2.27V/C(25℃)下运行一段时间是能够补充足其能量的。
在深度放电的情况下，阀控电池充电电压可设定为2.35～2.40V/C(25℃)，限流点设定为0.1Q，经过一定时间(放电后的电池充足电所需的时间依赖于放出的电量，放电电流等因素)的补充容量后，再转入正常的浮充运行。