第四節(jié) 蓄電池的工作特性

蓄電池的工作特性是指其電動勢、電壓、電流和電解液密度隨充、放電時間而變化的規(guī)律。

一、蓄電池的技術(shù)參數(shù)

蓄電池的技術(shù)參數(shù)有電解液密度、靜止電動勢、電壓、內(nèi)阻和容量等。這里主要介紹電解液密度、靜止電動勢和內(nèi)阻。

（一）電解液密度

電解液密度是指電解液中H₂SO₄成分所占的比例。因為密度與溫度密切相關(guān)，所以實際測量密度時應同時測量電解液的溫度，并按下式換算成標準溫度（25℃）時的密度ρ_25℃。

式中 ρ_T——實測電解液密度，g/cm³；

T——實測電解液溫度，℃；

β——密度溫度系數(shù)（β=0.0007），即溫度每升高1℃，密度將降低0.0007g/cm³。

（二）靜止電動勢

靜止電動勢E_s是指蓄電池在靜止狀態(tài)（不充電也不放電）時，正、負極板之間的電位差（即開路電壓）。靜止電動勢的高低與電解液密度和溫度有關(guān)，在密度為1.05～1.30g/cm³的范圍內(nèi)，可由下式計算近似值（V）。

汽車用蓄電池電解液的密度在充電時增大，放電時減小，變化范圍在1.12～1.30之間，其靜止電動勢相應的在1.97～2.15V之間變化。

（三）內(nèi)阻

蓄電池內(nèi)阻的大小反映了蓄電池帶負載的能力。在相同條件下，內(nèi)阻越小，輸出電流越大，帶負載能力越強。蓄電池的內(nèi)阻為極板電阻、隔板電阻、電解液電阻和連接條電阻的總和，用R₀表示。

極板電阻很小，且隨極板上活性物質(zhì)的變化而變化。充電時電阻變小，放電時電阻變大，特別是在放電終了時，由于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為導電性能極差的硫酸鉛，因此內(nèi)阻顯著增大。

隔板電阻與其材料的孔徑和孔率有關(guān)。木質(zhì)隔板比微孔塑料、微孔橡膠和聚氯乙烯袋式隔板的電阻大。此外，隔板越薄則電阻越小。

電解液電阻隨溫度和密度不同而變化。如6-Q-75型蓄電池在溫度為40℃時，其內(nèi)阻約為0.010Ω，但在-20℃時則為0.019Ω。可見，內(nèi)阻隨溫度降低而增大。電解液密度為1.20g/cm³（25℃）時，H₂SO₄的離解度最好，黏度較小，電阻最小。

連接條電阻與蓄電池單格之間的連接形式有關(guān)。內(nèi)部穿壁式和跨越式連接的電阻比表面外露式連接的電阻要小。

總而言之，汽車用蓄電池的內(nèi)阻很小，因此能夠提供強大電流來起動發(fā)動機。對于完全充足電的蓄電池，在標準溫度25℃時的內(nèi)阻R₀可按以下經(jīng)驗公式計算

式中 U_e——蓄電池的額定電壓，V；

C_n——20小時率額定容量，A·h。

二、蓄電池的充電特性

蓄電池的充電特性是指在恒流充電過程中，蓄電池的端電壓U_c和電解液密度ρ_25℃等參數(shù)隨充電時間t_c變化的規(guī)律。

在對放完電的蓄電池以恒定電流I_c進行充電的過程中，每隔一定時間（一般為2h）測量其單格電池的平均電壓U_c、電解液密度ρ_T和溫度T等工作參數(shù)，將其描繪在坐標紙上即可得到蓄電池的充電特性曲線，如圖1-10所示。

在恒流充電過程中，由于充電電流不變，即單位時間內(nèi)生成硫酸的數(shù)量相等，因此，電解液密度ρ_25℃隨時間增長而線性上升，靜止電動勢E_s也隨密度的上升而升高。

蓄電池充電時，因為充電電壓U_c必須克服蓄電池的靜止電動勢E_s和內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓降I_cR₀之后，才能在電路形成電流，所以充電電壓始終高于電動勢。即

在充電初期，蓄電池端電壓迅速上升，這是因為充電時活性物質(zhì)和電解液的作用首先是在極板孔隙中進行，生成的H₂SO₄使孔隙內(nèi)的電解液密度迅速增大所致。隨著硫酸增多，并不斷向周圍擴散，當極板孔隙內(nèi)生成H₂SO₄的速度與向外擴散的速度達到動態(tài)平衡時，端電壓便隨整個電池槽內(nèi)電解液密度的升高而逐漸上升。

當端電壓達到2.4V左右時，電解液中開始產(chǎn)生氣泡，此現(xiàn)象說明蓄電池已基本充足，極板上的活性物質(zhì)已基本轉(zhuǎn)變?yōu)镻bO₂和Pb，部分充電電流已用于電解水，產(chǎn)生了氫氣與氧氣。隨著充電時間增長，電解水的電流增大，產(chǎn)生的氫氣和氧氣增多，就會呈現(xiàn)所謂的“沸騰”現(xiàn)象。由于氫離子在極板上與電子的結(jié)合速度比較緩慢，因此，在靠近負極板處會積存較多的正離子“H⁺”，使極板與溶液之間產(chǎn)生附加電位差（稱為氫過電位，約0.33V），使端電壓急劇升高到2.7V左右。此時如果繼續(xù)對蓄電池進行充電，則稱為過充電。在蓄電池過量充電時，由于極板內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡會形成局部壓力而加速活性物質(zhì)脫落，使極板過早損壞，因此應盡量避免長時間過量充電。在實際充電中，為了保證蓄電池充電充足，通常需要進行2～3h的過充電。

停止充電后，由于內(nèi)壓降隨充電電流切斷而自動消失，極板孔隙內(nèi)外的電解液也逐漸混合均勻，因此蓄電池端電壓逐漸降低，最終等于靜止電動勢。

蓄電池充電終了的特征：一是蓄電池內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，即出現(xiàn)所謂“沸騰”現(xiàn)象；二是蓄電池端電壓和電解液密度均上升至最大值，且在2～3h內(nèi)不再上升。

三、蓄電池的放電特性

蓄電池的放電特性是指在恒流放電過程中，蓄電池的端電壓U_f和電解液密度ρ_25℃等參數(shù)隨放電時間t_f變化的規(guī)律。

在對完全充足電的蓄電池以20h放電率的電流I_f進行恒流放電過程中，每隔一定時間（一般為2h）測量其單格電池的平均電壓U_f、電解液密度ρ_T和溫度T等工作參數(shù)，將其描繪在坐標紙上即可得到蓄電池的放電特性曲線。6-QA-60型干荷電蓄電池的放電特性曲線如圖1-11所示。

在放電過程中，因為放電電流恒定，即單位時間內(nèi)消耗H₂SO₄的數(shù)量相同，所以電解液密度隨放電時間增長而線性下降。因此，在使用過程中，通過測量電解液密度可以判斷蓄電池的放電程度。在一般情況下，電解液密度每下降0.04g/cm³，蓄電池放電約為25%。

放電時，由于蓄電池內(nèi)阻上有電壓降，因此蓄電池端電壓總是低于電動勢。端電壓在放電初期迅速下降，是由于極板孔隙中的H₂SO₄迅速消耗，密度迅速降低所致。隨著極板孔隙內(nèi)、外密度差的不斷增大，H₂SO₄向孔隙內(nèi)擴散的速度也隨之加快，使放電電流得以維持。當擴散與滲透到極板孔隙內(nèi)的H₂SO₄與孔隙內(nèi)消耗的H₂SO₄趨于一致時，端電壓將隨整個電池槽內(nèi)電解液密度的降低而緩慢下降。放電接近終了時，化學反應已深入到極板內(nèi)層，由于極板上生成的PbSO₄的體積比活性物質(zhì)的體積大（為PbO₂的1.86倍，海綿狀Pb的2.68倍），PbSO₄聚集在極板表面和孔隙內(nèi)使電解液滲入困難，因此極板孔隙內(nèi)消耗的H₂SO₄難以得到補充，使孔隙內(nèi)的電解液密度迅速下降，因此端電壓急劇下降。

當端電壓下降到規(guī)定的放電終止電壓（20h放電率的放電終止電壓為1.75V）時，應當停止放電，繼續(xù)放電則為過度放電，不僅沒有實用意義（試驗證明，3～5min內(nèi)電壓就會下降到0V），而且不利于蓄電池充電時活性物質(zhì)的還原。放電終止電壓與放電電流的大小有關(guān)，見表1-2。放電電流越大則放完電的時間越短，允許放電的終止電壓就越低。

停止放電后，蓄電池的內(nèi)壓降隨之消失，極板孔隙中的電解液與電池槽中的電解液趨于平衡，所以端電壓稍有回升。

蓄電池放電終了的特征：一是電解液密度降低到最小允許值；二是蓄電池端電壓降到放電終止電壓。