（机械制造及其自动化专业论文）蓄电池容量性能检测系统的设计与研究.pdf

s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r ，st h e s i s t h ed e s i g na n dr e s e a r c ha b o u tt h eb a t t e r yc a p a c i t y t e s t i n gs y s t e m c a n d i d a t e ：g a ox i n g c h a o s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f h u om e n g y o u o c t o b e r1 s t ，2 0 1 0 l_6m m 73咖3洲8i-_删y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 二留竺垡e t 期：超盟幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑些导师签名： 目录 第1 章绪论。 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本课题的主要研究工作一2 第2 章蓄电池简介及性能指标 2 1 蓄电池的功用5 2 2 蓄电池的分类5 2 3 蓄电池的构造5 2 3 1 极板。6 2 3 2 隔板7 2 3 3 电解液7 2 3 4 壳体一8 2 3 5 蓄电池技术状态指示器8 2 4 蓄电池的型号：8 2 5 蓄电池的工作原理9 2 5 1 蓄电池的放电过程1o 2 6 蓄电池的工作参数和工作特性1 3 2 6 1 蓄电池的工作参数13 2 6 2 蓄电池的充电特性l5 2 6 3 蓄电池的放电特性。16 2 7 起动用铅酸蓄电池的技术条件1 8 2 7 1 术语、符号18 2 7 2 容量技术要求18 2 7 3 试验方法18 2 7 4 容量试验1 9 i 录 一 一 目 一 一 凹要队ts摘墟 山东人学硕。 j 学位论文 2 8 本章小结2 0 第3 章蓄电池容量性能测试系统的软、硬件设计。2 l 3 1 系统功能2 1 3 2 系统组成与工作原理2 1 3 2 1 系统组成21 3 2 2 工作原理、电路图及恒流放电软件设计2 2 3 2 3 容量性能测试系统c p u 的选择。2 5 3 2 4d a 转换器2 9 3 2 5a d 转换器一3l 3 2 6 电源电路3 4 3 2 7 键盘输入电路3 5 3 2 8 警示电路3 6 3 2 9 温度传感器3 6 3 2 10r s 2 3 2 通讯3 6 3 3 本章小结3 8 第4 章蓄电池性能测试系统上位机的软件平台设计及上位机与下位机的通信实现 4 1 上位机软件平台设计3 9 4 1 1v b 软件介绍3 9 4 1 2 软件的实现。3 9 4 2vis u a lb a sic 软件及串行通信控件的介绍4 3 4 2 1 串行通信控件m s c o m m 介绍4 3 4 2 2 通信原理4 5 4 2 3 通信协议4 6 4 3 通信程序4 7 4 3 1 p c 机通信软件设计4 7 4 4 本章小结4 8 第5 章系统抗干扰设计与系统测试 4 9 日录 5 1 系统抗干扰设计4 9 5 1 1 硬件抗干扰设计4 9 5 1 2 软件抗干扰设计一5 0 5 1 3 印刷电路板设计5 0 5 2 系统调试和测试5 2 5 3 本章小结5 2 总结与展望。 参考文献 致谢 5 3 5 5 5 7 摘要 摘要 随着经济的进步、社会的发展，汽车工业已经成为国民经济的支柱产业。汽 车数量的急剧增加使得汽车专用铅酸蓄电池的数量也急剧增加，同时对蓄电池的 性能要求也r 益提高，这就要求必须要有高水平的蓄电池容量性能检测设备；而 目前国内所用的蓄电池性能检测设备均存在着不完全符合国家技术标准的情况。 针对这种不是很合理的现状，本文对蓄电池容量性能检测系统进行了探讨，研制 了一种基于微电子技术、智能检测技术、计算机技术的蓄电池容量性能检测系统， 以实现对汽车起动用铅酸蓄电池容量性能检测的目标。这一系统的使用对于改善 我国汽车的起动性能，推动我国汽车行业的发展必将起到巨大的促进作用。 蓄电池容量性能检测系统是一套及控制、检测及管理于一体的完整系统，它 由蓄电池恒流放电控制、数据处理、数据通信及上位机管理等几部分组成。本文 首先论述了蓄电池的功用、结构、工作原理及性能参数，然后根据系统要求选用 单片机a t 8 9 s 5 1 及其外围部件进行蓄电池放电过程控制的硬件设计，并由p c 机和 单片机组成上、下位机通过r s 2 3 2 总线实现进行串行通讯，最后由p c 机实现对整 个系统的管理。 上位机管理软件在w i n d o w sx p 操作系统下采用v b 的开发平台和模块化的设 计思想，对各功能模块和数据库模块进行了设计；开发了单片机实现的测控软件、 上位机实现的管理软件，以及两级之间的数据交互协议；实现了对数据的存储、 查询等功能，提高了管理的信息化水平。本文还对系统实际应用中的各种不可靠 和干扰因素进行了系统分析，在设计中采取了一系列有效的措施来提高系统的可 靠性和抗干扰能力。最后通过一系列的实验对系统的实际应用能力进行了评估。 系统的初步测试表明：该系统安装调试方便，运行可靠、稳定，数据传输准 确，操作界面友好。达到了预期的目的和要求，为下一步的改进和完善提供了一 定的基础。 关键词蓄电池；r s 2 3 2 总线；a t 8 9 s 5 1 单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t he c o n o m i cp r o g r e s s ，s o c i a ld e v e l o p m e n t ，t h ea u t oi n d u s t r yh a sb e c o m eap i l l a r i n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m y t h er a p i di n c r e a s ei nt h en u m b e ro fc a r sm a k i n gt h e n u m b e ro fl e a d a c i db a t t e r i e sf o ra u t o m o b i l ei n c r e a s e ds h a r p l y ，w h i l et h eb a t t e r yi sa l s o i n c r e a s i n g l yh i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，w h i c hr e q u i r e sah i g hl e v e lo fb a t t e r y p e r f o r m a n c em u s th a v et e s t i n ge q u i p m e n t ；a n du s e da th o m ea n da b r o a dt e s tb a t t e r y p e r f o r m a n c ee q u i p m e n t ，t h e r ea r en o tf u l lc o m p l i a n c ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d s i nv i e w o ft h i ss i t u a t i o ni sn o tv e r yr e a s o n a b l e ，t h ep a p e rb a t t e r yp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m w a sd i s c u s s e d ，b a s e do nm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d ，i n t e l l i g e n td e t e c t i o n t e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，b a t t e r yp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m ，i no r d e r t o a c h i e v et h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o t i v es t a r t e rb a t t e r i e sd e t e c t i o no b j e c t i v e s t h eu s eo f t h i ss y s t e mt oi m p r o v es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec a r ，a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f c h i n a sa u t oi n d u s t r yw i l lp l a yah u g er o l e d e t e c t i o ns y s t e mi sas e to fb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l ，d e t e c t i o na n d m a n a g e m e n ti no n ec o m p l e t es y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so ft h eb a t t e r yc o n s t a n tc u r r e n t d i s c h a r g ec o n t r o l ，d a t ap r o c e s s i n g , c o m m u n i c a t i o n sa n dp cm a n a g e m e n to f t h r e ep a r t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef u n c t i o no ft h eb a t t e r y , s t r u c t u r e , w o r k i n gp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n dt h e nb es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h es y s t e ma n di t sp e r i p h e r a l c o m p o n e n t sa t 8 9 s 5 1m i c r o c o n 仃o l l e rb a t t e r yd i s c h a r g ep r o c e s sc o n t r o lh a r d w a r e d e s i g n ，b yt h ep c ，a n dt h es i n g l ec h i p ，t h el o w e rc o m p u t e rt h r o u g ht h er s 2 3 2b u s r e a l i z et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a n df i n a l l yr e a l i z e db yt h ep c ，t h em a n a g e m e n to ft h e w h o l es y s t e m p cm a n a g e m e n ts o f t w a r ei nt h ew i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e mu s i n gv b s d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dm o d u l a rd e s i g no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ea n dd a t a b a s e m o d u l ew a sd e s i g n e d ；d e v e l o p e das i n g l ec h i pm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r e ，p ct o a c h i e v et h em a n a g e m e n ts o f t w a r e ，a n dt w od a t ae x c h a n g ea g r e e m e n tb e t w e e nl e v e l ； r e 面i z et l l ed a t as t o r a g e ，q u e r ya n do t h e rf i m c t i o n s ，i m p r o v e t h em a i l a g e m e n to f i n f 0 肌a t i o nt ec _ h n 0 1 0 9 ys t a n d a r d s t h i sa r t i c l e a l s oi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e s v s t 锄i sn o tr e l i a b l ea n di n t e r f e r e n c eo f v a r i o u sf a c t o r so ft h es y s t e ma n a l y s l s ，d e s l g n a d o p t e das e r i 鹤o f e f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t ya n d n o i s el 舢唧t ) ， f i n a l l y as e r i 馏o fe x p e r i m e n t so i lt h es y s t e m sp r a c t i c a la b i l i t yw a s a s s e s s e d p r e l i m i n a n ，t e s t ss h o wt h es y s t e m ：t h es y s t e m e a s yi n s t a l l a t i o n a n dr e l i a b l e o p c m t i o n ，s t a b i l i t y ，d a t at r a n s m i s s i o n a n da c c u r a t e ，u s e rf r i e n d l y t o a c h i e v et h e e x p e c t e dg o a la n dr e q u i r e m e n t sf o r t h en e x ti m p r o v e m e n ta n dp r o v i d e s ab a s l st o r i m p r o v e m e n t k e y w o r d b a t t e r i e s ；r s 2 3 2b u s ；a t 8 9 s 5 1m i c r o c o n t r o l l e r 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，随着工业生产和人民生活水平的提高，汽车毋容置疑已成 为目前最主要的交通工具，世界汽车市场也迅速扩大。资料显示，目前世界主要 汽车生产企业的汽车年生产能力已达7 0 0 0 万辆以上；截止到1 9 9 9 年底，世界汽 车总数达7 亿辆。在美国、欧洲共同体、日本等发达国家，每个家庭平均有两部 汽车，2 0 0 6 年中国汽车产销也分别达到了7 2 7 9 7 万辆和7 2 1 6 0 万辆。2 0 0 7 年全 球共计生产汽车7 3 1 0 万辆【。2 0 0 8 年中国的汽车产量达到了9 3 4 5 万辆【2 1 。汽车 的普及，使人们对汽车的性能的要求也同渐提高。汽车在起动和发动机低速运转 时都需要用到蓄电池，而蓄电池的容量性能直接影响到汽车的起动性能，所以对 蓄电池容量性能的研究意义重大。本课题正是适应社会的要求，研究如何检测蓄 电池的容量性能。经检测完毕后，对于质量好的蓄电池可以安全的用到汽车上， 而对于不合格的蓄电池则要及时地替换、更新或禁止出厂，最终保证应用到汽车 上的蓄电池具有良好的工作性能，进而保证汽车的j 下常工作。更值的一提的是本 论文实现了检测系统与上位机的通信，使的检测工作更加规范，增强了可操作性。 所以本课题的研究开发具有很强的经济效益和社会效益同时也有良好的市场应用 前景。 1 2 国内外研究现状 蓄电池性能检测方面的研究一直是世界各大蓄电池公司和高校研究的重要课 题，目前国内外对蓄电池性能检测的研究方向主要放在了在线性能检测方面。如g 大连理工大学提出了运用单片机和固态继电器作蓄电池来做蓄电池参数在线检测 的设想。【3 】 国外在蓄电池性能在线检测方面的研究目前主要是利用c a n 总线对蓄电池组 各个单体电池进行实时在线检测研究。 山东大学硕。l ：学位论文 在线检测的方法目前在国内只是处于研究阶段，没有真正地利用到实际工程 当中，现在国内蓄电池容量性能检测的应用方法主要有以下几种： ( 1 ) 用密度计检测蓄电池的存电量 用密度计采取测试电解液密度与充足电时的密度相比较的方法，即可知道存 电容量为多少 4 1 。这只是一种粗略简便的方法，但误差太大。 ( 2 ) 用蓄电池的检测栓判断存电量 目前较高档的蓄电池的免维护程度更高，不需添加蒸馏水或电解液，甚至采 用全封闭的结构。这样的蓄电池存电的多少就采用检视孔或检测栓的办法，仍然 是利用存电量与电解液密度的相互关系来进行判断【4 1 。 ( 3 ) 蓄电池检测仪 在同常保养及维修中真正能够方便快捷地检测蓄电池存电多少，还是使用“大 电流放电叉 较为准确。蓄电池检测仪实际上是根据启动放电测试原理组合而成 的，是在几秒钟内检测蓄电池存电多少的一种便携式工具，主要由直流电压表、 大电流放电电阻丝、粗软铜线所接的触笔( 刀、锥) 或大鱼夹等组成。但是这种 方法是利用启动放电测试原理来完成的，不能完全反映蓄电池的实际工作状况【4 1 。 1 3 本课题的主要研究工作 蓄电池容量性能的测试方法虽然很多，电导值可以用于现场预测，它是电池 保持充电能力的指示器1 5 1 。蓄电池内部阻抗与蓄电池的容量及完好性有着密切的关 系，可以利用测量阻抗来评估和预测蓄电池的性能【6 】。 但是在真正反映蓄电池的实际容量方面并不准确；核对性放电试验仍是检测 蓄电池容量最常用和最可靠的方法【五引。目前关于蓄电池核对性放电的装置也有很 多种；但是都需要人工操作，程序繁琐，如人工观察放电电压、放电电流，人工 打开、关闭放电电路等；放电过程必须始终有专人进行操作，自动化程度低，费 时费力。 我们应用单片机控制技术设计了新型的蓄电池容量性能检测系统。 本课题的主要研究内容包括： 本课题的主要研究内容包括： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 蓄电池容量测试系统的软、硬件设计 利用单片机控制蓄电池进行恒流放电，根掘设计可以将电流控制在2 0 h 率的 放电电流( 即0 0 5 c 甜电流) 或2 5 a 以检测蓄电池的额定储备容量c 。n 。2 0h 率额 定容量c 2 0 容量在2 5 a ，以测量蓄电池的储备容量。由p c 机和单片机串行通讯， 组成上下位机硬件系统，重点介绍了单片机实现测试的硬件结构，详述了单片机 实现的测控软件。 ( 2 ) 上位机的管理软件平台设计及上位机与下位机通信设计 设计了上位机实现的管理软件，上下位机的通讯软件，以及两级之间的数据 交互协议。 ( 3 ) 系统抗干扰设计和初步试验研究 针对实际要求，从软硬件两方面进行了系统的抗干扰因设计；并对系统的进 行了可行性试验。 3 第2 章薷f u 池简介及性能指标 第2 章蓄电池简介及性能指标 本章重点介绍了蓄电池的功用、蓄电池的分类、蓄电池的构造、蓄电池的型 号、蓄电池的工作原理、蓄电池的工作特性以及国家规定的蓄电池性能指标，为 设计蓄电池容量检测系统提供理论基础。 2 1 蓄电池的功用 蓄电池的功用有以下几个方面： ( 1 ) 备用供电当发动机低速运转、发电机不发电、或电压较低时，向用电 系统供电； ( 2 ) 起动发动机当起动发动机时，向起动系统和点系统供电； ( 3 ) 存储电能当发动机高速运转、发电机正常工作时正常供电时，将发电 机剩余电能转换为化学能储存起来。 2 2 蓄电池的分类 蓄电池是一种可逆的低压直流电源，既能将化学能转换为电能，也能将电能 转化为化学能。目前汽车起动用铅蓄电池按结构可分为橡胶槽蓄电池和塑料槽蓄 电池两类，按性能可分为干荷电蓄电池和维护蓄电池两种类型： ( 1 ) 干荷电蓄电池极板在干燥状态下，能在较长时间( 一般两年) 内保存 制造过程中所得电量的蓄电池，称为干式荷电蓄电池，简称干荷电蓄电池。 ( 2 ) 免维护蓄电池蓄电池在有效使用期内无需进行添加蒸馏水等维护工作 的蓄电池。【9 】 2 3 蓄电池的构造 现代汽车用蓄电池的构造基本相同，都是由极板、隔板、电解液和壳体构成， 如图2 1 所示，干荷电池的主要特点是极板材料和隔板结构有所不同。 2 3 1 极板 图2 1 蓄电池的结构 1 极板的结构 极板是蓄电池的核心部件，由栅架下活性物质组成。在蓄电池的充放电过程中， 电能与化学能的相互转换，依靠极板上的活性物质与电解液中的硫酸产生的化学 反应来实现。栅架有铅锑合金浇铸而成，并制作成放射形状。如图2 1 所示，在栅 架中添加金属锑的目的是提高机械强度和改善浇铸性能。 免维护蓄电池采用了耗水量小、导电性能好的铅钙锡合金栅架，并采用热模 滚压工艺制成。 耗水量是蓄电池的重要技术指标之一。蓄电池在使用过程中，消耗水的途径 有两种：一是自然蒸发( 约占l o ) ，二是水的电解( 约占9 0 ) 。在化学反应过 程中，铅锑合金栅架中的锑会不断的从j 下极板中析出，并迁移附着到负极板表面， 使负极板的氢过电位大大降低，从而使蓄电池的电动势降低，充电电流增大，蒸 馏水电解速度加快。 活性物质是指极板上参加反应的工作物质，主要是指极板上参加化学反应的 工作物质，主要由铅粉与一定浓度的稀硫酸混合而成，铅粉是活性物质的主要原 料，由铅块放入球磨机研磨而成。 6 雹 秘 玲玲 第2 币需i t l 池简介及忭能指标 极板分为正极板和负极板两种。将铅粉与稀硫酸混合成膏状涂在栅架上就得 到生极板，生极板经热风干燥，再放入稀硫酸中进行化成便可得到j 下极板和负极 板。正极板上活性物质为二氧化铅。负极板上工作物质为海绵状铅。目前国内外 都已采用1 1 1 5 m m 厚的薄型极板。薄型极板对提高蓄电池的比能量( 即单位质 量所提供的能量) 和起动性能都十分有利。 2 极板组的结构 单片极板的荷电量是有限的，为了增大蓄电池的容量，将多片正、负极板分 别并联，并用汇流条焊接起来便分别组成正、负极板组。汇流条上浇铸有极柱： 各片极板之间留有空隙。安装时，各片正、负极板相互嵌合，中间插入隔板后装 入电池槽内便可形成单格电池。 在每个单格电池中，负极板总比正极板多一片。这是因为正极板上的化学反 应比负极板上的化学反应剧烈，所以将正极板夹在负极板之间，可使其两侧放电 均匀，防止活性物质体积变化不一样而造成极板拱曲。 将一片正极板和一片负极板浸入电解液中，便可得到2 v 左右的电压。现代汽 车用蓄电池由6 个单格电池串联成1 2 v 供汽车选用。对于2 4 v 电系汽车则选用两 只电池。 2 3 2 隔板 为了减少蓄电池内阻和尺寸，正、负极板应尽量靠近。隔板的功用就是将正、 负极板隔开，防止相邻极板短路。隔板应具有多孔性，以便电解液渗透，还应具 有良好的耐酸和抗氧化性。隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。木质隔板 耐酸性能差，在硫酸作用下容易炭化和变脆，且消耗木材，不符合保护环境的时 代发展潮流，因此已不在使用。微孔橡胶和微孔塑料隔板耐酸、耐高温性能好、 寿命长，且成本低，因此目前广泛使用。 2 3 3 电解液 电解液由纯硫酸与蒸馏水按一定比例配制而成。相对密度一般为1 2 3 - - - 1 3 0 。 电解液纯度是影响蓄电池电气性能和使用寿命的重要因素。因此，蓄电池用电解 7 山东人学硕卜学位论文 液必须符合专业标准z b k 8 4 0 0 3 8 9 铅酸蓄电池用电解液规定；所用硫酸必须 符合国标g b 4 5 5 4 8 4 蓄电池电池用硫酸规定：所用蒸馏水必须符合标准z b 8 4 0 0 4 8 9 铅酸蓄电池用水规定。由于工业用硫酸和普通水中含铜、铁等杂质较多， 会加速蓄电池自放电，因此不能用于蓄电池。 2 3 4 壳体 蓄电池壳体由电池槽和电池盖两部分组成，其功能是盛装电解液和极板组。 蓄电池壳体应耐酸、耐热、耐振动、耐冲击等。目前使用的干荷电和与免维护蓄 电池普遍采用聚丙烯透明塑料壳体，电池槽与电池盖之间采用热压工艺粘合为整 体结构。不仅耐酸、耐热、耐振动、耐冲击，而且壳壁薄而轻，易于封合、外形 美观、成本低、生产效率高。 电池槽由隔壁分成6 个互不相通的单格，底部制有凸起的筋条，以便放置极 板组。筋条与极板底缘组成的空间可以积存极板脱落的活性物质，防止正、负极 板短路。 蓄电池各单格电池之间采用铅质联条串联联接。干荷电与免维护电池普遍采 用穿壁式点焊联接，所用尺寸很小，并设制在壳体内部。 在蓄电池盖上设有加液孔，并用螺塞或盖板密封，防止电解液溢出。旋下加 液孔螺塞或打开加液孔盖板，即可加注电解液和检测电解液密度。在加液孔螺塞 和盖板上设有通气孔，以便排出化学反应放出的的氢气和氧气。该通气孔在使用 过程中保持通畅，防止壳体胀裂或发生爆炸。 2 3 5 蓄电池技术状态指示器 目前，装备全密封型免维护蓄电池的娇车越来越多，由于这种蓄电池盖上没 有设制加液孔，因此不能用密度计测量电解液的相对密度。为此，在这种蓄电池 盖上设有蓄电池技术状态指示器来指示蓄电池的技术状况。 2 4 蓄电池的型号 8 根据机械工业部标准j b 2 5 9 9 8 5 铅蓄电池产品型号编制方法规定，蓄电池 第2 币需il i 池简介及性能指畅； 型号由三部分组成，各部分之间用破折号隔开，型号内容及排列情况如下： 串联单格电池数一蓄电池类型、蓄电池特征一额定容量、特殊性能 ( 1 ) 串联单格电池数指一个整体壳体内所包含的单格电池数目，用阿拉 伯数字表示。 ( 2 ) 电池类型根据蓄电池主要用途划分，起动型电池用“q ”表示。 ( 3 ) 电池特征为附加部分，仅在同类用途的产品具有某种特征，而在型号 中又必须区别对待时采用。如干荷蓄电池则汉字“干 拼音的第二个字母“a 来 表示。蓄电池特征代号如表2 1 所示。 表2 1 蓄电池特征代号 序号产品特征 代号序号产品特征代号 1 干荷电a 7半密封式b 2 湿荷电 h8 液密式y 3 免维护w 9气密式 q 4 少维护 sl o激活式i 5 防酸式 fll 带液式 d 6 密封式m 1 2胶质电解液式j 一 ( 4 ) 额定容量指2 0 h 率额定容量，用阿拉伯数字表示，单位为安培小 时( a h ) ，在型号中可略去不写。 ( 5 ) 特殊性能在产品具有某些特殊性能时，可用相应的代号加在型号末尾 表示，如“g 一表示薄型极板的高起动电池，“s 表示采用工程塑料外壳与热封合 工艺的蓄电池。 2 5 蓄电池的工作原理 蓄电池的单格电池是由浸渍在电解液中的正极板和负极板构成，电解液是硫 酸水溶液。在蓄电池充放电过程中，发生的化学反应是可逆的。蓄电池的工作过 程就是化学能和电能相互转换过程。放电时，蓄电池将化学能转换为电能供用电 设备使用；充电时，蓄电池将电能转换为化学能储存起来备用。 自1 8 5 9 年法国科学家加斯顿普莱特发明铅酸蓄电池以来，关于蓄电池的化 9 山东人学硕 j 学位论文 学反应过程有各种不同的理论，一般认为格拉斯顿和特拉普于1 8 8 2 年创立的双极 硫酸盐化理论能较确切地说明蓄电池的化学反应过程。 根据双极化理论，铅蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅( p b 0 2 ) ，负板板 上是海绵状铅( p b ) ，电解液是硫酸水溶液( h 2 s o ) 。当蓄电池和负载接通放电时， 正极板上的二氧化铅和负极板上的铅都将转变为( p b s 0 4 ) ，电解液中的硫酸减少、 相对密度下降。当蓄电池接通直流电源充电时，正、负极板上的硫酸铅又将分别 恢复成原来的二氧化铅和纯铅，电解液中的硫酸增加，相对密度增大。如果略去 化学反应中的中间过程，其化学方程式可用下式表示： p b o ：+ 2 h 2 s 0 4 + p b 与2 p b s 0 4 + 2 h ：0 ( 2 1 ) 2 5 1 蓄电池的放电过程 将蓄电池的化学能转换为电能的过程称为放电过程。 ( 1 ) 放电原理 放电前的状态：蓄电池在放电前处于完全充足电的状态，即正极板为具有多孔 性的活性物质二氧化铅( p b 吼) ，负极板为具有多孔性的活性物质铅( p b ) ，正负极板 放在硫酸( h ：s o ) 溶液之中。 电动势的建立： 蓄电池的电动势是由正、负极板浸入电解液后产生的。当极板浸入电解液时， 负极板上的铅溶入电解液生成两价铅离子p b 2 + ，并在极板上留下两个电子2 e ，使 极板带负电。在j 下极板处，少量二氧化铅( p b q ) 溶入电解液，并与水反应生成 p b ( o h ) 。，再分离成四价铅离子p b 4 + 和氢氧根离子4 0 h 一。即 p b 0 2 + 2 h ：o p b ( o h ) ( 2 2 ) p b ( o h ) 一p h + 4 0 h 一( 2 3 ) 一部分p b ”沉淀覆盖在正极板上，2 s 0 4 2 一溶入电解液中。所以，正极板相对电 解液( 参考点) 具有+ 2 0 v 的电位。 负极板：根据电极电位原理，金属p b 在硫酸溶液的溶解张力作用下，2 价铅离子 p b 2 + 将跑到电解液中，而负极板上留下2 个电子2 e ，即：p b 与p b 2 + + 2 e 。所以，负极板相 对电解液( 参考点) 形成约一0 1 v 的电位。先溶解出来的离子和电子将分别阻碍后电 1 0 第2 币篱i l l 池简介及件能指标 离出来的离子和电子。随着溶解的进行，溶解与反溶解将达到平衡。由此可见，蓄 电池将产生电动势e ，即： e = 2 o v - ( - 0 1 v ) = 2 1 v ( 2 4 ) 放电过程： 如图2 - 2 所示，当外电路接通时，在正负极板间电场力的作用下，负极板的 电子2 e 将沿着外电路定向移动到正极板，形成放电电流i ，。正极板上4 价的铅离 子将得到2 个电子2 e 变成2 价的铅离子p b 2 + ，即 p b + 2 e - - p b 2 +( 2 5 ) 2 价的铅离子很容易与溶液中的硫酸根离子s 晚2 一结合，成为较稳定的硫酸铅 p b s 0 4 ，沉附于正极板上，即 p b 2 + + s 0 _ 2 。一p b s o ( 2 6 ) 显然，电离与反电离的相对平衡被打破，电离又将进行。负极板上由于失去 了2 个电子2 e ，p b 2 + 与2 e 的束缚力消失，p b 2 + 很容易与另一个s m 结合，成为较稳 定的硫酸铅p b s 0 4 ，沉附在负极板上，即 p b 2 + + s o | 2 - - * p b s 0 4 ( 2 7 ) 溶解与反溶解的相对平衡被打破，溶解又将进行。以上电离与反电离、溶解 与反溶解的相对平衡被打破，溶解电离将继续进行，以维持放电电流。电解液随 着溶解电离的进行，硫酸逐渐减少，水逐渐增多，故容重y 逐渐减小。 放电后的生成物：放电后，正负极板中的生成物均为p b s 0 4 。电解液中的生成 物为2 h ：o 。理论上讲，随着放电的进行，上述过程将进行到j 下负极板上的活性物 质全部转变为硫酸铅，电解液全部变成水，电动势减小到零为止，即完全放电状 态。但实际上是不可能的，因为电解液很难渗透到极板的最内层中去。 山东大学硕i j 学位论文 雨l 、( y 一2 p m 1 - - _ jl ! 充电 m 0 2 p b 状态 l2 h i 2 s o , f - -j iii 容解 p 扩+ s 饼一+ s 一一卞+ 2 h 2o 附i + + 2 e 皂离 il。i l 输出 l 2 pl p b 2 +l lj t 丝 电流 l 电后 i - 成物 p b s o p b s o 2 h 2o 正极板 电解液 负极板 图2 2 蓄电池的放电过程 充电过程： 如图2 3 所示，在外电场力的作用下，使得证极板处p b 2 + 失去2 个电子2 e ， 并沿外电路定向移动到负极板，形成充电电流i c 。j 下极板处p b “+ 由于失去2 个电 子2 e 变成了4 价的铅离子p b 小，4 价的铅离子p b 4 与蒸馏水电离出来的4 个氢氧根 离子o h 一结合成p b ( o h ) ，即 p b 2 * - 2 e = p b 4 + p h 4 + + 4 0 h 一一p b ( o h ) 。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 氢氧化铅p b ( 0 h ) 。再分解为p b 0 2 与水2 h ：o ，电解液中的s i m 卜则与h + 结合生成 硫酸2 h ：s o | ，即 p b ( 0 h ) 。一p b 0 2 + h ：o( 2 1 0 ) s 0 , 2 一+ 2 h 一h 2 s 仉( 2 1 1 ) 二氧化铅p b 0 2 则沉淀覆盖在正极板上，硫酸h ：s m 溶于电解液之中。 正极板上的总反应式：p b s 0 4 - - 2 e + 2 h 0 + s o , 2 - - - - p b 0 2 + 2 h q( 2 1 2 ) 负极板处，2 价的铅离子p b 2 + 获得从正极板过来的2 个电子2 e 而变成p b 沉附 于负极板上，电解液中的s i m 2 - 则与h + 结合生成硫酸2 h ：s o , 。 即 p b 2 + + 2 e p b ( 2 1 3 ) s 仉卜+ 2 盯一h 2 s 仉( 2 1 4 ) 1 2 第2 币薷电池简介及件能指标 墨曼曼曼曼曼量曼置墨皇量量曼曼曼量量鼍曼曼曼曼曼曼量皇暑曼皇皇量曼曼曼曼舅舅鼍舅量曼曼曼曼曼曼曼蔓皇量量量曼曼舅量曼曼量曼量量曼曼曼曼皇曼曼奠薯i i 负极板上的总反应：p b s 0 , + 2 e + 2 h + - - p b + h 。s 0 4 ( 2 1 5 ) 电解液随着充电的进行，硫酸逐渐增多，水逐渐减少，故容重y 逐渐增大。 充电后的生成物：充电后，正极板中的生成物为p b 0 2 ，负极板中的生成物为 p b ，电解液中的生成物为2 h ：s o | 。 一一一一一卡充电电源螈一一一一 7 z _ 门 一j 。一i l l l 一 放电 p b s o 2 h 2o p b s o 状态 iil i 一 ll 溶解 i 电离 p b 2 + + s0 , 2 一 p b 2 + + so i 2 ei - j 通入 l 一 ，b i 2 e 电流 充电后 i 。 2 h 2o 生成物p b 0 2 2 h 2 s o 峰p b 正极板电解液负极板 图2 - 3 蓄电池的充电过程 2 6 蓄电池的工作参数和工作特性 蓄电池的工作特性是指蓄电池的电动势、电压、电流和电解液相对密度随充 放电时间而变化的规律。 2 6 1 蓄电池的工作参数 蓄电池的工作参数主要有电解液浓度、静止电动势、内阻、容量、电压和电 流等。 ( 1 ) 电解液的相对密度 电解液的相对密度是指电解液中硫酸成分所占的比例。因为相对密度与温度 密切相关，所以实测相对密度应按下式换算成标准温度( 2 5 0 c ) 时的相对密度p 龇 p 龉虻= pt + 1 3 ( t 一2 5 ) ( 2 1 6 ) 1 3 山东人学硕i = 学位论文 式中p 广一实测电解液的相对密度( g c m 3 ) ； t _ 一实测电解液温度( o c ) ； b 密度温度系数( = 0 0 0 0 7 ) ( 2 ) 静止电动势 静止电动势e s 是指蓄电池在静止状态时，正负极板之间的电位差。静止电动 势与电解液的相对密度和温度有关，在相对密度为1 0 5 1 3 0 的范围内，可由下 述公式近似计算： e s = 0 8 5 + p 粼( v )( 2 1 7 ) 汽车用蓄电池电解液的相对密度在充电时升高，放电时降低，变化范围在 1 1 2 1 3 0 之间。因此，其静止电动势相应地在1 9 7 _ 2 1 5 之间变化。 ( 3 ) 内阻 蓄电池的内阻的大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同条件下，内阻越小， 输出电流越大，带负载能力越强。蓄电池的内阻包括极板电阻、隔板电阻、电解 液电阻、联条电阻和极柱电阻。 汽车用蓄电池的内阻很小，能够提供强大的电流来起动发动机。对于完全充 足电的蓄电池，在标准温度2 5 0 c 内阻r ；可按经验公式计算。 j r ：j l( 2 1 8 ) 1 7 l c 2 0 式中：u e - - - - - 蓄电池的额定电压( v ) c ：o _ 蓄电池的额定容量( a h ) ( 4 ) 容量 蓄电池的容量是反映蓄电池对外供电能力、衡量蓄电池优劣以及选用蓄电池 的重要指标。容量越大，可提供的电能越多，供电能力就越强：反之，容量越小， 则供电能力越小。 蓄电池的容量是指在规定的放电条件( 放电电流、放电温度和终