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蓄电池

工控家百科顾问团

贡献者:工控家001  最后更新:2019-01-30 09:53:45  浏览数:780

蓄电池(StorageBattery),也称二次电池,是将所获得的电能以化学能的形式贮存并可将化学能转化为电能的一种电学装置

关键词: 蓄电池概述工作原理应用分类选型指南维护保养注意事项故障排除


1概述

蓄电池(StorageBattery),也称二次电池,是将所获得的电能以化学能的形式贮存并可将化学能转化为电能的一种电学装置。


2工作原理

充电时利用外部的电能使内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学能转换为电能输出。

电化学反应:将蓄电池与外电路的负荷接通,电子e从负极板经过外电路的负荷流往正极板,使正极板的电位下降,从而破坏了原有的平衡状态。因此发生电化学反应。

将电能转换成蓄电池化学能的过程称为充电过程,它是放电反应的逆过程。

充电时蓄电池的正负两极接通直流电源,当电源电压高于蓄电池的电动势E时,电流由蓄电池的正极流入,从蓄电池的负极流出,也就是电子由正极板经外电路流往负极板。

 


3应用

近年来,由于交通、通讯、计算机产业的高速发展,其产品系列、产品种类、产品性能发生巨大变化,以满足不同用途的需要。蓄电池主要应用于各种车辆、船舶、飞机等内燃机的起动以及照明、点火、蓄能、应急电源、电话交换机、不间断电源、移动通讯、计算机、电子、仪表、便携式电动工具、电动玩具中等。总之,在国防、工农业生产、交通运输、电力、电子、通讯、教学、科研、医疗卫生以及人们日常生活中广泛应用。

4分类

蓄电池按电解质不同,通常分为碱性蓄电池和酸性蓄电池。

按电解液种类划

蓄电池按电解质不同,通常分为碱性蓄电池、酸性蓄电池和有机电解液电池。

①碱性电池,电解质主要以氢氧化钾火溶液为主的电池:如:碱性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镉镍电池,镍氢电池等;

②酸性电池,主要以硫酸水溶液为介质,如锌锰干电池(有的消费者也称之为酸性电池)、海水电池等;

③有机电解液电池,主要以有机溶液为介质的电池,如 锂电池、锂离子电池等。  

2、按电池所用正、负极材料划分

常用的蓄电池有:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池等。

①铅酸蓄电池

铅酸蓄电池负极为铅,正极为二氧化铅,电解质为硫酸。铅酸蓄电池具有价格低廉,适于低温高倍率放电,被广泛应用。但由于铅酸蓄电池比能量低,生产过程有毒、污染环境,影响其使用范围。

铅酸蓄电池产品主要有下列几种,其用途分布如下:

起动型蓄电池:主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明;

固定型蓄电池:主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源;

牵引型蓄电池:主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源;

铁路用蓄电池:主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力;

储能用蓄电池:主要用于风力、太阳能等发电用电能储存。

②镉镍蓄电池

镉镍蓄电池负极为镉,正极为氧化镍,电解质为氢氧化钾水溶液。常见外形是方形,扣式和圆柱形,有开口、密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式、烧结式、压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高、低温性能好,循环寿命长等特点。

③金属氢化物镍蓄电池

金属氢化物镍蓄电池是八十年代新开发出来的新产品,负极为吸氢稀土合金,正极为氧化镍,电解质为氢氧化钾、氢氧化锂水溶液,比镉镍蓄电池大1.5-2倍的容量,具有可快速充电,优良的高倍率放电性能和低温放电性能,价格便宜,无污染,称为绿色环保电池。

④铁镍蓄电池

铁镍蓄电池负极为铁粉,正极为氧化镍,电解质为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。具有结构坚固、耐用、寿命长等特点,比能量较低,多用于矿井运输车动力电源。

⑤锌银蓄电池

锌银蓄电池负极为锌,正极为氧化银,电解质为氢氧化钾水溶液,具有高的比能量,优良的高倍率放电性能,但价格高,多用于军事工业及武器系统。

⑥锌镍蓄电池

锌镍蓄电池负极为锌,正极为氧化镍,电解质为氢氧化钾水溶液,具有高比能量,价格较低,但寿命较短,近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高,随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。

⑦锂离子蓄电池

锂离子蓄电池负极是碳(石墨),正极是氧化钴锂,采用有机电解质,具有电压高,比能量高,优良的循环寿命,安全无污染,称之为绿色电源。

 


5选型指南

选择蓄电池时需要考虑的因素:

判断蓄电池性能优劣。衡量蓄电池性能的参数主要有冷启动电流、储备容量以及20 h放电容量等指标。判断蓄电池性能优劣,不能单独以某一个参数指标来衡量,而应当综合考虑多个参数,尤其不能忽视冷启动电流(CAA)指标。如果在选型时只考虑储备容量(RC)而忽视了对冷启动电流(CAA)的要求,很可能因启动电流不够而导致发动机启动失败。

蓄电池的储备容量(RC)也不是越大越好,应以放电深度为50%~70%时充一次电为最佳,这样可使蓄电池寿命达到最佳效果。如果蓄电池的储备容量(RC)选择太大,就无法实现充分的充、放电转换,时间一长,蓄电池的性能和使用寿命就会下降,同时带来极大的资源浪费。

安全性能。安全性能指标不合格的蓄电池是不可接受的,其中影响最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的发生主要与蓄电池的内压、结构、工艺设计(比如安全阀失效)及应当禁止的不正确操作有关。

额定容量。额定容量是蓄电池制造的时候,规定蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的电量,其单位为Ah。使用条件不同,蓄电池能够放出的容量也不同。

影响蓄电池容量的因素有极板的构造、充放电电流的大小、电解液的温度及密度等,其中以充放电电流和温度的影响最大。如充放电流过大,将使极板上的活性物质变化处于表面,容量则降低很多。蓄电池的放电电流不同,所能够放出的容量也不相同,放电电流越大,能够放出的电量越小。例如电动自行车常用的电流为5A,使用标称10Ah的蓄电池就是2小时率放电,如果采用10小时率放电,可以达到12Ah。这样,该蓄电池如果按照2小时率标称应该是10Ah,如果按照10小时率标称就是12Ah.所以评价蓄电池的容量不仅仅要看蓄电池的标称容量,还要看蓄电池的放电率。电动自行车蓄电池往往标称为10Ah,同一个蓄电池也可以标12Ah和14Ah。再比如,14Ah的许电车也可以标为17Ah。还有一些蓄电池标为20Ah,蓄电池容量标称值大了,但是其容量没有明显的变化。

内蓄电池的内阻

铅酸蓄电池的内阻是指电流流过蓄电池内部时所受的阻力,铅酸蓄电池的内阻很小,需要用专门的仪器才可以测得到比较准确的结果。一般所指的蓄电池内阻是充电态内阻,即蓄电池充满电时的内阻。与之对应的是放电态内阻,并且不太稳定。蓄电池的内阻越大,蓄电池自身消耗掉的能量越多,其使用效率越低。内阻很大的蓄电池在充电时发热很厉害,使蓄电池的温度急剧上升,对蓄电池和充电器的影响都很大。随着蓄电池使用次数的增多,由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性的降低,蓄电池的内阻会有不同程度的增大,质量越差的蓄电池增大的越快。

蓄电池内部阻抗会因放电量增加而增大,尤其是在放电终止时阻抗最大,主要因为放电的进行使得极板内产生不良导体硫酸铅以及电解液比重下降,故放电后务必马上充电。若任其持续放电,则硫酸铅形成安定的白色结晶(即硫化现象)后,即使充电,极板的活性物质亦无法恢复原状,从而将缩短蓄电池的使用寿命。

温度的下降将导致电解液流动性变差,极板收缩,化学变化迟缓,蓄电池内阻增加。从30℃开始,若温度下降1℃,容量将下降1%左右,其内阻也有所增大。所以在严寒地区,气温在-20℃以下时容量已下降至60%,内阻增大,常感到蓄电池电力不足。在严寒地区易出现过量放电,而在温带地区则经常出现过量充电的问题。所以要使用好蓄电池,必须根据当地的气候条件,针对实际情况,掌握其使用规律。蓄电池的充电必须根据不同情况选择适当的方法并正确的使用充电设备,这样才能提高蓄电池的容量,延长蓄电池的使用寿命。

铅酸蓄电池的内阻与镍氢蓄电池及锂离子蓄电池相比较小,即蓄电池容量下降2/3后,仍能提供较大的电流,而电源电压基本稳定,波动较小。而镍氢蓄电池及锂离子蓄电池就不同了。以36V/9Ah锂离子蓄电池为例,当容量下降到原来的1/3后,电流输出为12A时,电压就会有4~5V的波动,即有电流输出时为31V,无电流输出时接近35V。这样在电动自行车应用中,骑行时会出现运行不平稳,时而有输出时而无输出的现象。

循环寿命循。环寿命是指蓄电池可经历的重复充放电次数。蓄电池的寿命和容量成反比关系,循环寿命还与充放电条件密切相关,一般充电电流越大(充电速度越快),循环寿命越短。寿命是表示蓄电池容量衰减速度的一项指标,随着使用的深入,蓄电池容量的衰减是不可避免的,当容量衰减到某规定值时,可以判定寿命终结。按照新制定的电动自行车蓄电池标准,一定容量70%充放电循环次数来表示蓄电池的寿命,合格底线为350次。因此,对于日常交通距离小于30㎞的用户而言,若电机、控制器、充电器等都是良好的,使用方法正确,一组较好的蓄电池的最短服役时间达到一年以上应该是可以保证的。

容量和寿命是衡量蓄电池性能的主要指标,容量一般以Ah为单位,表明蓄电池储备能量的能力。例如一个标称容量为12Ah的蓄电池,则必须达到以6A放电,放至终止电压3105V(36V)的时间应不小于2h的水平。将这种蓄电池用于电动自行车,载重75kg,在平坦路面上骑行,工作电流约为4A,放电时间应大于3h,时速为20㎞,那么它的理论续行里程将达到50㎞。若考虑途中刹车、启动等因素,采用这种蓄电池的电动自行车的续行里程可达到40~50㎞。一般来说,放电电流越大,蓄电池的寿命越短;放电深度越深,蓄电池的寿命也越短。铅酸蓄电池可以应付短时间的大电流放电,这时候放电深度不深。小电流放电时,即便放电深度稍微深一些,对蓄电池的寿命影响也不大。蓄电池最怕连续大电流深度放电。影响铅酸蓄电池寿命的因素有极板的内在因素,诸如活性物质的组成、晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等;也取决于一系列外在因素,如放电电流密度、电解液浓度和温度、放电深度、维护状况和储存时间等。

5、荷电保持能力

蓄电池荷电保持能力是指在开路状态下,蓄电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。自放电主要是由蓄电池材料、制作工艺、储存条件等多反面的因素决定的。通常温度越高,自放电率越大。蓄电池有一定程度的自放电属于正常现象。经充电的蓄电池在存放过程中,其容量会因内部的自行放电而逐渐减小,其原因是被充电的阴极活性物质和硫酸起了反应,生产氢气而失电。一般在温度越高和比重越大时,自放电量也越大。在正常情况下,蓄电池每存放一天,容量减小2%左右,超过此值则属不正常。造成松下蓄电池自行放电的主要原因是电解液不纯净或单体蓄电池内电解液中硫酸的浓度不均。

 


6维护保养

(1)在搬运蓄电池时,应轻拿轻放,不可敲打或在地面上拖拽。蓄电池安装在机器上应牢固可靠,以防振动和移位。蓄电池端子接线必须牢靠并加胶套保护,如果接线虚而不实,极易造成打火、烧蚀电线和机器起火现象。

(2)要经常清除蓄电池表面污物以及电极桩和蓄电池桩头上出现的氧化物,并经常疏通加液盖上的通气孔。一般蓄电池放电程度冬季达25%、夏季达50%时即应充电。 放完电的蓄电池在24 h内应及时充电,停用的蓄电池每月应进行一次补充充电。

 


7注意事项

拆卸蓄电池时,应先拆下负极电缆,再拆下正极电缆;安装蓄电池电缆时,应先安装蓄电池的正极电缆, 再安装蓄电池的负极电缆,以免拆卸过程中造成蓄电池断路。

8故障排除

1.电池漏液

常见的漏夜现象:一是上盖与底槽之间密封不好或因碰撞,封口胶开裂造成,二是安全阀渗酸漏液;三接线端处渗酸漏液;四其他部位出现渗酸漏液。

检查与处理方法:

先作外观检查,找出渗酸漏液部位。取开盖板查看安全阀周围有无渗酸漏液痕迹,再打开安全阀检查电池内部有无流动的电解液。完成上述工作之后,若未发现异常,因做气密性检查(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液)。最后在充电过程中,观察有无流动的电解液产生,若有则说明是生产原因。充电过程中,有流动的电解液应将其抽尽。

 

2.变形

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+H2O+Q

PbO+H2SO4=PbSO4+H2O+Q

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超过开阀压,安全阀打开,气体逸出,最终表现为失水。

2H2O=H2+O2

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易通过“通道”到达负极。

(2)热容减小,在蓄电池中热容最大的是水。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超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。

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。

 

3.短路

故障现象:电池电压下降2的整数倍

故障的检查和处理:用万用表检测电池单格电压,短路电池报废。

 

4.断路

故障现象:充不进电,放不出电

故障的检查和处理:用万用表检测电池电压,若为0,经打火无火花,充不进电,即为断路。断路电池报废。

 

5.反极

故障现象:用万用表检测电池电压出现负植

故障的检查和处理:先将电池放电至0伏,再用维护充电器将电池充满电。

 


参考资料

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