第十一讲-化学与新能源.ppt

1 蓄电池 蓄电池是一种将化学能转变为电能的装置 属于可逆的直流电源 应用最广泛的汽车蓄电池是铅酸蓄电池 蓄电池最主要的作用是 发动机工作时向起动机和点火装置供电 汽油机起动电流为200 600A有的柴油机起动电流达1000A 2 汽车上一般采用铅酸蓄电池 其主要目的使启动发动机 车用蓄电池可分为以下4种 湿荷电蓄电池干荷电蓄电池少维护蓄电池免维护蓄电池 蓄电池的分类 3 蓄电池的功用 1 发动机启动时 向启动机和点火系统供电2 发动机低速运转时 向用电设备和发电机磁场绕组供电 应用中应避免 3 发动机运转时 将发电机剩余电能转化为化学能储存起来 4 发电机过载时 协助发电机向用电设备供电5 蓄电池相当于一个大电容器 能吸收电路中出现的舒瞬时过电压 保护电子元件 保持汽车电器系统电压稳定 4 对蓄电池的要求 启动发动机时 蓄电池在5 10S内 要向启动机连续供给强大电流 汽油机200 600A 柴油机800 1000A 因此 对蓄电池的要求是 容量大 内阻小 有足够的启动能力 5 蓄电池的构造与型号 蓄电池的构造 5 6 蓄电池的基本构造 极板隔板外壳电解液 7 极板 极板 是蓄电池的基本部件 由它接受充入的电能和向外释放电能 极板分正极板和负极板两种 正极板上的活性物质是二氧化铅 呈棕红色 负极板上的活性物质是海绵状纯铅 呈青灰色 8 栅架活性物质 9 隔板 为了避免相互接触而短路 正负极板之间要用绝缘的隔板隔开 隔板材料应具有多孔性结构 以便电解液自由渗透 而且化学性能应稳定 具有良好的耐酸性和抗氧化性 10 隔板 11 电解液 铅酸蓄电池的电解液 是由相对密度1 84的纯硫酸和蒸馏水配制而成 密度一般在1 24 1 31g cm的范围之内 电解液的纯度是影响蓄电池的电气性能和使用寿命的重要因素 一般工业用硫酸和普通水中 因含有铁 铜等有害杂质 绝对不能加入到蓄电池中去 否则容易自行放电 并且容易损坏极板 因此 蓄电池电解液要用规定的蓄电池专用硫酸和蒸馏水配制 12 外壳 蓄电池外壳为一整体式结构的容器 极板 隔板和电解液均装入外壳内 蓄电池电压一般有6V和12V两种规格 因此 外壳内由间壁分成3个和6个互不相通的单格 外壳应耐酸 耐热 耐寒 抗震动 并具有足够的机械强度 13 蓄电池的型号 规格 蓄电池的产品型号按照原机械工业部部颁标准JB2599 85的规定 铅蓄电地产品型号分为三段 14 解放CA141汽车用蓄电池 6 QA 100即是6个单格电池额定电压12伏额定容量100Ah起动型干荷蓄电池 15 蓄电池的工作原理及特性 双极硫酸盐化理论蓄电池中参与化学反应的物质 正极板上是pbO2负极板上是pb电解液是硫酸水溶液蓄电池放电时 正极板上的pbo2和负极板上的pb都变成pbso4水溶液电解液中的H2SO4减少 相对密度下降 蓄电池充电时 则按相反的方向变化 16 工作原理 蓄电池的化学反应方程式为 充电 2PbSO4 2H2O PbO2 Pb 2H2SO4 电解池 阳极 PbSO4 2H2O 2e PbO2 4H SO42 阴极 PbSO4 2e Pb SO42 放电 PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 原电池 负极 Pb SO42 2e PbSO4正极 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O 17 电动势的建立 正极板 PbO2溶于电解液PbO2 2H2O Pb OH 4Pb OH 4 Pb4 4OH OH 留在电解液中 Pb4 沉附在正极表面 使正极板有 2 0V在外电路未接通时 反应达到动态平衡时 静止电动势为 E 2 0 0 1 2 1V 18 一 放电过程 将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为放电过程 19 如果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 发生电化学反应 从理论上说 蓄电池这种放电过将极板上所有物质全部转变为硫酸铅 但实际转化的只有20 30 20 二 充电过程 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 21 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 这时正负极板发生的化学反应正好与放电过程相反 其化学反应过程如图所示 22 蓄电池充放电过程结论 蓄电池在放电时 电解液中的硫酸将逐渐减少 而水将逐渐增多 电解液相对密度下降 蓄电池在充电时 电解液中的硫酸将逐渐增多 而水将逐渐减少 电解液相对密度增加 在充放电时 电解液浓度发生变化 主要是由于正极板的活性物质化学反应的结果 因此要求正极极处的电解液流动性要好 在装配蓄电池时 应将隔板有沟槽的一面对着正极板 以便电解液流通 23 蓄电池的工作特性 蓄电池的静止电动势及基本电特性蓄电池的内阻蓄电池的放电特性蓄电池的充电特性 24 1 蓄电池的静止电动势及基本电特性 静止电动势ES蓄电池处于静止状态时 正负极板之间的电位差 即开路电压 称为静止电动势 开路电压 理论上 开路状态下的端电压并不等于电池的电动势 但是 开路电压在数值上很接近蓄电池的静止电动势 可以用开路电压代替静止电动势 一般规定铅蓄电池的额定开路电压为2 0V 开路电压 静止电动势 公式ES 0 85 25 C V 25摄氏度的电解液相对密度 汽车用蓄电池的电解液密度一般在1 12 1 30g cm3之间 因此ES 1 97 2 15 V 25 蓄电池端电压的测量 端电压包括开路电压 放电电压和充电电压 取决于蓄电池的工作状况 一般发动机未工作时测量蓄电池电压为开路电压为12V 一般发动机工作时测量蓄电池电压为充电电压为14V 启动时测量蓄电池电压为放电电电压约为8 11V 实际测量时采用放电计模拟启动状态 26 2 蓄电池的放电特性 蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中 蓄电池的端电压和电解液相对密度随时间而变化的规律 将完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行放电 在放电过程中不断地调节外接的电位器 使放电电流保持稳定不变 每隔一定的时间 测量端电压和电解液密度 得到如图所示的放电特性曲线 27 1 开始放电阶段端电压由2 14V迅速下降至2 1V极板孔隙内硫酸迅速消耗 电解液密度迅速下降 浓差极化增大 端电压迅速下降 2 相对稳定阶段端电压由缓慢下降至1 85V极板孔隙外向孔隙内扩散的硫酸与孔隙内消耗的硫酸达到动态平衡 孔内外电解液密度一起缓慢下降 所以端电压缓慢下降 28 3 迅速下降阶段端电压由1 85V迅速下降至1 75V 放电接近终了时 电化学极化 浓差极化 欧姆极化显著增大 端电压迅速下降 蓄电池放电终了的特征1 电解液相对密度下降到最小许可值 2 单体电池的端电压降至放电终止电压 29 1 充电开始阶段端电压迅速上升 开始充电时 孔隙内迅速生成硫酸 浓差极化增大 端电压迅速上升 2 稳定上升阶段端电压缓慢上升至2 4V左右 孔隙内生成的硫酸向孔隙外扩散 当硫酸生成的速度与扩散速度达到平衡时 端电压随整个容器内电解液密度变化而缓慢上升 3 充电末期电压迅速上升到2 7V左右 且稳定不变 电解液呈沸腾状态 活性物质还原反应结束后的充电称为过充电 充电电流用于电解水 应避免长时间过充电 3 蓄电池的充电特性 30 蓄电池的充满电的特征 端电压上升到最大值2 7V 并在2h 3h内不在增加 电解液相对密度上升到最大值1 27g cm蓄电池内产生大量气泡 31 蓄电池的容量及其影响因素 一 蓄电池的容量指蓄电池在规定条件下 包括放电温度 放电电流 放电终止电压 放出的电量 单位 安时 A h 理论容量 实际容量 无实际意义 额定容量 储备容量 32 额定容量用20h率容量表示 国标GB5008 1 91 启动用铅蓄电池技术条件 规定 将充电的新蓄电池在电解液温度为25 5 C条件下 以20h率的放电电流连续放至单池平均电压降到1 75V时 输出的电量称为额定容量 实际测量蓄电池容量超过20小时为合格储备容量国标GB5008 1 91 启动用铅蓄电池技术条件 规定 蓄电池在25 2 条件下 以25A恒流放电直至单池平均电压降到1 75V时的放电时间 单位为分钟 min 33 影响蓄电池容量的因素 极板的构造对容量的影响放电电流对容量的影响 电解液温度对容量的影响 电解液密度对容量的影响 34 1 构造因素对容量的影响极板厚度越薄 活性物质的利用率就越高 容量就越高 极板面积越大 同时参与反应的物质就越多 容量就越大 同性极板中心距越小 蓄电池内阻越小 容量越大 蓄电池选择的主要标准2 使用因素对容量的影响 电流 35 电解液温度对容量的影响 温度 粘度 渗入极板困难 活性物质利用率 C 同时 粘度 内阻 内压降 端电压 C 36 电解液密度对容量的影响 电解液密度 电动势E 电液渗透能力 参加反应的活性物质 C 过高 粘度 内阻 极板硫化 C 实践证明 电解液密度偏低有利于提高放电电流和容量 冬季使用的电解液 在不使其结冰的前提下 尽可能采用稍低的电解液密度 1 12 1 30g cm3 37 蓄电池的使用与维护一 蓄电池的维护 1 及时 正确充电装车使用电池定期补充充电 放电程度 冬季不超过25 夏季不超过50 带电液存放的蓄电池定期补充充电 2 正确使用操作每次启动时间不超过5s 启动间隔时间15s 最多连续启动3次 3 清洁保养及时清除蓄电池表面的酸液 经常疏通通气孔 4 防止过充和充电电流过大 防止过度放 防止电解液液面过低 防止电解液密度过大 防止电解液内混入杂质 38 二 蓄电池的检查 1 检查电解液密度用吸式密度计检测 方法见图充电状态 1007550250电解液相对密度 g cm3 1 271 231 191 151 11 39 2 模拟启动放电检测 对于技术状态良好的蓄电池 当以启动电流或规定的放电电流连续放电15s时 端电压应不低于规定值 绿色区域端电压高于9 6V 状态良好黄色区域端电压低于9 6V 存电不足红色区域端电压低8V于蓄电池故障 更换蓄电池 40 3 检查电解液液面高度 1 目测 电解液液面应在蓄电池外壳上 下液面线之间 2 用玻璃观管测量见图当液面过低时 应加注蒸馏水 以恢复正确的液面高度 除非确知电解液溅出 否则不许添加硫酸溶液 41 三 冬季使用蓄电池时的注意事项 1 应特别注意保持其处于充足电状态 以防结冰 2 冬季补加蒸馏水应在充电时进行 以防结冰 3 冬季容量降低 发动机启动前应进行预热 每次启动时间不超过5s 每次启动间隔应有15S4 冬季气温低 蓄电池充电困难 应经常检查蓄电池存电状况如有必要可以更换容量较大的蓄电池可以适当调整电解液密度 42 四 蓄电池的储存 1 未灌电解液的蓄电池的储存干燥 通风 室温5 40 C 避免爆晒 远离热源按行存放于木架之上旋紧加液孔盖 通气孔密闭2 使用过的蓄电池的长时间储存 2 使用过的蓄电池的长时间储存 干法储存 先将其充足电 再按20h率放电至单池电压为1 75V 倒出电解液 加入蒸馏水 3h后更换蒸馏水 反复进行至浸不出来酸为止 倒干蒸馏水 旋紧加液孔盖 封闭通气孔 带电解液的蓄电池的储存将其充足电 旋紧加液孔盖室内应通风干燥 室温5 30 C定期补充充电 43 1 恒流充电 在充电过程中 充电电流恒定不变 通过调整电压 保证电流不变 恒流充电的优点为 充电电流可任意选择 有益于延长蓄电池寿命 可用于初充电和去硫化充电 恒流充电的缺点是充电时间长 且需要经常调整充电电流 五 蓄电池的充电 44 两阶段充电法 在第一阶段用较大电流充电 当单格电池电压升到2 4V 电解液开始产生气泡 将充电电流减小一半进行第二阶段恒流充电 直到蓄电池完全充足电为止 45 2 恒压充电 在充电过程中 充电电压恒定不变 是蓄电池在汽车上由发电机对其充电的方法 恒压充电特性曲线见图 46 恒压充电的优点为 充电速度快 充电时间短 充电电流IC会随着电动势E的上升 而逐渐减小到零 使充电自动停止 不必人工调整和照管 恒压充电的缺点是 充电电流大小不能调整 所以不能保证蓄电池彻底充足电 也不能用于初充电和去硫化充电 对于就车使用的蓄电池 为了防止其产生硫化故障 必须定期 每两个月 拆下用改进恒流充电的方法充电一次 47 3 脉冲快速充电 以脉冲大电流充电来实现快速充电的方法 其充电电流波形 大电流恒流充电IC 0 8 1 C20至单池电压升至2 4V 前停充15 25ms 反向脉冲充电IC 1 5 2 0 C20t 150 1000us 后停充25 40ms 如此循环 直至充足电 48 4 充电的种类 初充电对新蓄电池或更换极板后的蓄电池进行的首次充电 恢复蓄电池在存放期间 极板上部分活性物质缓慢放电和硫化而失去的电量 初充电的特点 充电电流小 充电时间长 必须彻底充足 49 初充电 初充电的程序 1 加注电解液密度符合厂家规定 液面高度符合要求 2 选择充电电流恒流法IC1 C20 15IC2 C20 30 3 连接蓄电池 蓄电池使用后的充电 需补充充电情况 1 启动无力时 非机械故障 2 前照灯灯光暗淡 表示电力不足时 3 电解液密度下降到1 20g cm3以下时 4 冬季放电超过25 夏季放电超过50 时 补充充电 50 去硫化充电 消除硫化的充电工艺 蓄电池轻度硫化 可用充电的方法予以消除 倒出电解液 加入蒸馏水冲洗两次后 再加入蒸馏水 用IC C20 30 A 的电流进行充电 当密度上升到1 15g cm3时 倒出电解液 再加蒸馏水继续充电 直至密度不再上升 以20h率放电电流放电至单池电压降到1 75V时 再进行上述充电 反复进行以上过程 直至输出容量达到额定容量的80 以上 即可使用 51 蓄电池的故障及其排除 蓄电池常见故障包括内部故障和外部故障 外部故障 外壳裂纹 极柱腐蚀 极柱松动 封胶干裂 内部故障 极板硫化 活性物质脱落 极板栅架腐蚀 极板短路 自放电 极板拱曲 52 一 极板硫化 极板上生成白色的粗晶粒硫酸铅的现象简称硫化 粗晶粒硫酸铅导电性差 正常充电很难还原 晶粒粗 体积大 堵塞活性物质孔隙 内阻增大 故障特征 放电时 内阻大 电压急剧下降 不能持续供给启动电流 充电时 内阻大 单格电池的充电电压高达2 8V以上 密度上升慢 温度上升快 过早出现沸腾现象 53 二 活性物质脱落 故障特征蓄电池输出容量下降 充电时电解液混浊 有棕色物质自底部上升 2 故障原因充电电流过大 过充时间过长低温大电流放电 造成极板拱曲汽车行驶时颠簸 振动