電動車用蓄電池之作用原理與構造

www.middletowncarescoalition.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-10-18

所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備。構成鉛蓄電池之主要成份如下：陽極板(過氧化鉛.PbO2)---> 活性物質陰極板(海綿狀鉛.Pb) ---> 活性物質電解液(稀硫酸) ---> 硫酸.H2SO4 + 水.H2O 電池外殼隔離板其它(液口栓、蓋(Guy)子等) 一、鉛蓄電池之原理與動作鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產生2V的電力，這是根據鉛蓄電池原理，經由充放電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應) 1、放電中的化學變化蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應，生成新化合物硫酸鉛。經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、充電中的化學變化由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸，鉛及過氧化鉛，因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應以純水補充之。二、電動車用蓄電池的構造電動車用蓄電池，必須具備以下條件： ◎高性能 ◎耐震、耐沖擊(Impuise) ◎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驗結果而制成，故具有多項優(yōu)點。 1、極板根據蓄電池容量選擇適當規(guī)格極板及數量組合而成。于充放電時,兩極活性物質隨著體積的變化而反復膨脹與收縮。兩極活性物質中，陰極板之海綿狀鉛的結合力較強，而陽極板之過氧化鉛的結合力弱，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。若使蓄電池使用期限延長，能耐震并耐沖擊(Impuise)，則陽極板的改良即成當務之急。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，產生活性化物質，由于活性化物質不會脫落，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較好的選擇。編織式軟管以9microm(μ)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，此軟管乃是最佳產品，長久以來，實用績效良好。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，待其干燥后所形成之活性物質。這種方式一直被采用在鉛蓄電池的陰極板上，同時亦使用在汽車、小貨車的蓄電池陽極板上。 2、隔離板能防止陰、陽極板間產生短路，但不會妨礙兩極間離子的流通。而且經長時間使用，也不會劣化或釋放雜質。鉛蓄電池一般都使用膠質隔離板。 3、電池外殼耐酸性強，兼具機械性強度。電動車用的蓄電池外殼乃使用材質強韌之合成樹脂經特殊處理制成，其機械性強度特別強，上蓋(Guy)亦使用相同材質，以熱熔接著。 4、電解液電解液比重以20℃的值為標準，電動車用的蓄電池完全充電時電解液標準比重為1.280。 5、液口栓液口栓的功能為排出充電時所產生的氣體及補充純水，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小時的電流 ◎放電終止電壓　　　1.70V/Cell ◎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：內部阻抗(Ω) (2)放電時，電解液比重下降，電壓也降低。 (3)放電時，電池內部阻抗即隨之增強，完全充電時若為1倍，則當完全放電時，即會增強2～3倍。用于起重時電瓶電壓之所以比用于行走時的電壓低，是由于起重用油壓馬達比行走用驅動馬達功率大，因此放電流大，則上式的I.R亦變大。 2、蓄電池之容量表示在容量試驗中，放電率與容量的關系如下： 5HR....1.7V/cell 3HR....1.65V/cell 1HR....1.55V/cell 嚴禁到達上述電壓時還繼續(xù)繼續(xù)放電，放電愈深，電瓶內溫會升高，則活性物質劣化愈嚴重，進而縮短蓄電池壽命。因此，電池電壓若已達1.75v/cell(24cell的42v，12cell的21v)，則應停止使用，馬上充電。 3、蓄電池溫度與容量當蓄電池溫度降低，則其容量亦會因以下理由而顯著減少。 (A)電解液不易擴散，兩極活性物質的化學反應速率變慢。 (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，蓄電池冬季比夏季的使用時間短。特別是使用于冷凍庫的蓄電池由于放電量大，而使一天的實際使用時間顯著減短。若欲延長使用時間，則在冬季或是進入冷凍庫前，應先提高其溫度。 4、放電量與壽命每日反復充放電以供使用時，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的電解液比重幾乎與放電量成比例。因此，根據蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重，即可推算出蓄電池的放電量。測定鉛蓄電池電解液比重是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，亦測電解液的溫度，以20℃所換算出的比重，切勿使其降到80%放電量的數值以下。 6、放電狀態(tài)與內部阻抗內部阻抗會因放電量增加而加大，尤其放電終點時，阻抗最大，主要因為放電的進行使得極板內產生電流的不良導體——硫酸鉛及電解液比重的下降，都導致內部阻抗增強，故放電后，務必馬上充電，若任其持續(xù)放電狀態(tài)，則硫酸鉛形成安定的白色結晶后(即硫化現(xiàn)象)，即使充電，極板的活性物資亦無法恢復原狀，而將縮短電瓶的使用年限。 7、放電中的溫度當電池過度放電，內部阻抗即顯著增加，因此蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高，會提高充電完成時溫度，因此，將放電終了時的溫度控制在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=內部阻抗(Ω) 2、蓄電池溫度與壽命蓄電池溫度（電解液溫度）升高，則陰陽極板上的活性物質即會劣化，并腐蝕陽極格子，而縮短電池壽命，相對的，電池溫度太低時，會使電池蓄電容量減少，容易過度放電，進而使電池壽命縮短。此種關系也會因電池型式、極板材質而有變化。故應遵守下列之使用條件：通常蓄電池的電解液溫度應維持在15～55℃為理想使用狀態(tài)，不得已的情況下，也不可超過放電時-15～55℃，充電時0～60℃的范圍。實際使用時，由于充電時溫度會上升，因此，放電終了時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充電量為放電量的110～120%。放電量與蓄電池壽命有密切關系，假設充電量為放電量120%時的電池，使用壽命為1200回（４年），則當電池的充電量達放電量之150%時，則可推算該電池的壽命為： 1200回×120/150=960回(3.2年) 又，此150%的充電，迫使水被分解產生氣體，電解液遽減，將使充電終點的溫度上升，結果溫度上升造成耐用年限縮短。此外，充電不足即又重復放電使用，則會嚴重影響電池壽命。 4、氣體的產生與通風換氣充電中產生的氣體為氧與氫的混合氣，氫氣具爆炸性，若空氣中氫氣達3.8%以上，且又近火源，則會發(fā)生爆炸。充電場所必須通風良好，注意遠離火源，避免觸電。五、電解液之管理 1、比重測定測量比重時，須使用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒，從浮標的刻度即可測知比重。鉛蓄電池的電解液比重會隨溫度改變而變化，電解液比重以攝氏20度時的比重為標準，因此比重計上的讀數，必須換算為攝氏20度時的標準比重。當溫度變化攝氏一度時，則比重即變化0.0007，因此，在測量比重的同時，必須測量溫度，測溫時，請使用棒狀酒精溫度計。該溫度t℃時所測之比重為St，則以下式換算標準溫度20℃時的比重S20。 S20=St+0.0007(t-20) S20...為換算成20℃時的比重 St....為t℃時所測的比重 t.....為測得電解液之實際攝氏溫度例如：20℃時比重為1.280，在10℃時變成1.287;30℃時，變成1.273。 2、純水的補充重復放電時，電解液面會緩緩下降，因此定期檢視電解液液位，隨時補充純水，以維持適當的液位，若因忽略補水，而露出極板，則會傷害極板。蓄電池用純水的標準按日本蓄電池工業(yè)會SBA4001的規(guī)定如下表： 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、有機物等，則會腐蝕極板，加速縮短電池壽命，同時也會加速自我放電，此外，銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導致自我放電量增加。蓄電池補充液位時，一定要使用純水，用水沖洗電瓶時，一定要將電池帽蓋(Guy)緊以避免沖洗用水流入電瓶內。 4、補水過多所造成的弊端補水時若超過最高液面則充電時就會發(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。