汽车铅酸蓄电池原理与整车匹配.doc

汽车铅酸蓄电池原理与整车匹配一、铅酸蓄电池基础原理蓄电池是一种化学电源，靠其内部的化学反应来储存电能及向用电设备供电。其放电的化学反应是依靠正极板活性物质(二氧化铅)和负极板活性物质(海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行。 PbO22H2SO4Pb=PbSO42H2OPbSO4 蓄电池的基础原理图 1、蓄电池放电特征：（1）活性物质PbO2和Pb均逐渐变为 PbSO4。（2）放电过程中，电解液密度下降，所以，可通过电解液密度判断放电程度 。（3）蓄电池内阻逐渐增大。 蓄电池放电原理图2、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。 蓄电池充电原理图二、铅酸蓄电池的结构: 1、极板 蓄电池极板分为正极板和负极板，他们都以铅-锑合金浇铸成的栅架为骨架，在栅架上填充活性物质制成极板，正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），呈深棕色；负极板上的活性物质是海绵状的纯铅（Pb），呈青灰色。将活性物质调成糊状填充在栅架的空隙里并进行干燥即形成极板。为了增加电瓶容量，每个单个蓄电池是由多个正负极板组成的极板组，每个正极板是处在两个负极板中间，使正极板两边充放电均匀。活性物质: 正极板上的活性物质是深棕色的二氧化铅(PbO2)， 负极板上的活性物质是海绵状、青灰色的纯铅(Pb)。 2、隔板 隔板插放在正、负极板之间，以防止正、负极板互相接触造成短路。隔板应耐酸并具有多孔性，以便于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。其中，木质隔板耐酸性较差，微孔橡胶隔板性能最好但成本较高，微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。现在，还有将微孔塑料隔板作成袋状，包裹着正极，可以防止活性物质脱落。 3、壳体 壳体用于盛放电解液和极板组，具有耐酸、耐热、耐震性能。壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成，为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组，用来支撑极板组，并使极板上脱落下来的活性物质落入凹槽中，防止极板短路。壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格，（此单格根据蓄电池的电压而定，每个单个电压2V）各单格之间用铅质联条串联起来，壳体上部使用相同材料的电池盖密封，电池盖上设有对应于每个单格电池的加液孔，用于添加电解液和蒸馏水，以及测量电解液密度、温度和液面高度。加液孔盖上的通风孔可使蓄电池化学反应中产生的气体排出。壳体的底部有凸起的筋，用来支撑极板组，并使极板上脱落下来的活性物质落入凹槽中，防止极板短路。 蓄电池壳体剖析图 4、电解液 电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由纯硫酸（H2SO4）与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般为1.231.31g/cm3之间。 电解液密度配比示意图电解液的密度对蓄电池的工作有重要影响，密度大，可减少结冰的危险并提高蓄电池的容量，但密度过大，则粘度增加，反而降低蓄电池的容量，缩短使用寿命。电解液密度应随地区和气候条件而定，下表列出了不同地区和气温下的电解液的密度。另外，电解液的纯度也是影响蓄电池性能和使用寿命的重要因素之一。 电解液的密度与气候条件： 冬季温度低于40地区 1.311.26 g/cm3 冬季温度高于40地区 1.281.25 g/cm3 冬季温度高于30地区 1.271.24 g/cm3 冬季温度高于20地区 1.261.23 g/cm3 冬季温度高于0地区 1.241.23 g/cm3 三、蓄电池的作用： 汽车电器主要组成部分 ：包括蓄电池、发电机、调节器、负载。其中发电机为主电源，发电机正常工作时，由发电机向全车用电设备供电，同时给蓄电池充电。蓄电池的主要作用是发动机启动时向启动机供电，同时辅助发电机向用电设备供电。调节器的作用是使发电机的输出电压保持恒定。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；3、发动机中、高速运转时，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瞬时过电压，保护电子元件，保持汽车电器系统电压稳定。四、铅酸蓄电池的分类铅酸蓄电池结构简单、价格便宜、内阻小、可以短时间供给起动机强大的起动电流而被广泛采用。铅蓄电池又可以分为普通铅蓄电池、干荷电铅蓄电池、湿荷电铅蓄电池和免维护铅蓄电池。铅酸蓄电池的特点见下表：类 型特 点普通铅蓄电池新蓄电池的极板不带电，使用前需按规定加注电解液并进行初充电，初充电的时间较长，使用中需要定期维护。干荷电铅蓄电池新蓄电池的极板处于干燥的已充电状态，电池内部无电解液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静置2030min即可使用，使用中需要定期维护。湿荷电铅蓄电池新蓄电池的极板处于已充电状态，蓄电池内部带有少量电解液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静置2030min即可使用，使用中需要定期维护。免维护蓄电池使用中不需维护，可用34年不需补加蒸馏水，极桩腐蚀极少，自放电少。免维护蓄电池：其中极板的栅架，传统蓄电池用铅锑合金制造，免维护蓄电池是用铅钙合金制造，前者用锑，后者用钙，这是两者的根本区别点。不同的材料就会产生不同的现象：传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象，这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失。由于免维护蓄电池采用铅钙合金栅架，充电时产生的水分解量少，水份蒸发量低，加上外壳采用密封结构，释放出来的硫酸气体也很少，所以它与传统蓄电池相比，具有不需添加任何液体，对接线桩头、电线和车身腐蚀少，抗过充电能力强，起动电流大，电量储存时间长等优点，受到用车人士的欢迎。五、蓄电池常用编号含义说明及性能指标说明1、蓄电池的编号含义：例如：6-QA-100ah中6表示6个单格，Q启动型，M是摩托车用蓄电池代号。A.H指：一个完全充电的蓄电池在室温25的条件下连续20小时输出稳定电流而且单格电池电压降不低于1.75V（12V/6格），该稳定输出电流乘以20即为该蓄电池的AH的额定值。例：一个蓄电池以4.0A的电流连续放电20小时后端压降为10.5V，则该蓄电池为80AH；第二个字母为特征代号：序号产品特征代号序号产品特征代号序号产品特征代号序号产品特征代号1干荷电A4少维护S7半密闭式B10激活式I2湿荷电H5防酸式F8液密式Y11带液式D3免维护W6密闭式M9气密式Q12胶质电解液J2、性能指标说明CA（cranking amperage）指：启动电流：,以安培为单位，在0的情况下放电30s，且电压保持在7.2V以上，蓄电池所能输出的电流。CCA（cold cranking amperage）指：冷启动安培值（电流）：在-18 的条件下蓄电池能1min连续给负载供电而端电压降低不低于8.4V（12V）， 此值即为-18 的条件下冷启动能力额定值：300CCA、400CCA等； RC（reserve capacity）指：储备电量，以分钟为单位，在27的情况下，电池以25A的额定电流输出，且电压保持在10.5V以上所持续的时间。启动容量启动容量表示蓄电池在发动机启动时的供电能力，分为低温启动容量和常温启动容量。2.1、低温启动容量电解液在18时，以3倍额定容量的电流持续放电至单格电压下降至1V所放出的电量。持续时间应在2.5min以上。2.2、常温启动容量电解液在30时，以3倍额定容量的电流持续放电至单格电压下降至1.5V所放出的电量。持续时间应在5min以上。在寒冷的气候中，CCA也许是蓄电池最重要的指标，它用于衡量汽车在-18的环境下启动时，蓄电池能够提供给发动机的电量。需要注意的是，与冷启动电流（CCA）类似的参数还有启动电流（CA），许多对蓄电池不太了解的人常常被一些蓄电池很高的CA（启动电流）指标迷惑。CA是指在0时测得的蓄电池启动电流。同样的电池，由于测量时环境温度的不同，其CA值通常会远远高于CCA值。在炎热的气候中，AH（安培小时）或RC指标是最为关键的参数。这两个参数可用于衡量蓄电池在一段时间内持续稳定输出电量的能力。选择蓄电池时应确保其AH和RC参数达到或超过整车匹配的推荐值，这样将会延长蓄电池的使用寿命。六、蓄电池的选择与整车匹配在整车设计过程中蓄电池的选择要以理论计算为基础，结合同类成功车型的对比和实车的冷起动或者寒区试验进行综合的选择。铅酸蓄电池的选型是一个十分复杂的过程，需要根据发动机排量、发动机类型、气候条件和汽车选装用电器的多少确定，其中，起动机的功率是选择蓄电池的主要依据。下述的理论计算均只能作为实际选择的参考，必须要以理论设计计算为基础，同类车型的开发经验并结合寒区试验的方案进行选择。1、计算方法一：起动机的作用是保证发动机的顺利起动。目前我国起动机的选择处于类比阶段，为了保证发动机成功起动，并且满足GB/T12535的要求，起动机的起动转矩Mc必须大于发动机的阻力矩。起动发动机所必须的起动功率决定于发动机的阻力及发动机的起动转速。 发动机的起动阻力力矩，包括摩擦阻力力矩、压缩损失力矩以及驱动发动机各种辅助机构的力矩。其中，摩擦阻力矩和压缩损失力矩又取决于温度、转速、气缸的工作容积和发动机的型式。取经验公式：Mc=k*V 式中：Mc发动机的起动阻力矩（N.m） V发动机的工作容积（L） k比例系数(0时汽油机取3040。柴油机取7075)注：实际的发动机起动阻力矩须在低温状态试验获得。 折合为起动机的起动力矩为：M=Mc/（Z2/Z1）/其中：Z2：发动机飞轮齿环的齿数Z1：起动机驱动齿轮的齿数：起动机小齿轮与发动机飞轮齿环的传动效率，工程计算一般取=0.850.95根据上式算出的起动机的起动力矩M，根据计算选起动机的相同温度的特性曲线（见举例附件一）可以得出起动机在此力矩所需要的起动电流I（A）。根据此安培数I，查GB/T 5008.2中的表2（参考附件二）标准中启动电流I（A）此安培数对应的蓄电池，即可选择出蓄电池的大小。2.计算方法二：Q=5487（n/g）（P/U）式中：Q: 蓄电池的额定容量（Ah）P：起动机的额定功率（kW）U：起动机的工作电压（V）n/g：短路电流的变化系数针对不同条件，n、g参数的取值为：温度参数+200-15-35n21.881.801.70g2015.111.85.9QQ=549P/UQ=683P/UQ=837P/UQ=1580P/U3.计算方法三Q=（600800）P/U式中：Q: 蓄电池的额定容量（Ah） P：起动机的额定功率（kW）U：起动机的工作电压（V）4.计算方法四： Q=4KPUH/1+0.01(t-20)UH(UH-UK)-4PRL式中：Q: 蓄电池的额定容量（Ah）K：系数：普通型蓄电池为0.05，薄极板型为0.04P：起动机额定功率UH：蓄电池的额定工作电压t：温度UK：起动机制动电压：柴油机12V系取4.8V，24V系取9.6V；汽油机12V系取6V，24V系取12V；：起动机电磁功率转换为P时的效率，1KW以上取0.9，1KW以下取0.8； RL：蓄电池与起动机连线内阻：12V系按照0.001欧姆，24V系按照0.002欧姆.朱松然.铅酸电池技术.北京机械工业出版社（第二版），2002以下以BJ493ZLQ3为例说明以上四种计算方法：BJ493ZLQ3的相关参数如下：排量：2.771L； 起动机功率：2.8KW； 起动机齿数：9； 发动机齿数：108； 发动机压缩比：17.4：1； 最低起动转速：150r/min。 起动机的特性曲线（见附件一）方法一：发动机起动阻力距：Mc=k*V=（7075）*2.771=193.97207.825起动机应提供的力矩：M=Mc/（Z2/Z1）/=17.0120.375则对应查附件一图纸得出：需要的起动电流约为：560A590A则根据GB5008.2中查表：150AH160AH的国标标准的蓄电池可以满足要求。另：根据SAE标准的蓄电池具有短时大电流放电的特点：查相关标准其80AH的蓄电池可以达到-18冷起动电流622A。因此，按照SAE标准选择80AH即可满足要求。方法二：0时Q=5487（n/g）（P/U）=683*2.8/12=160Ah方法三：Q=（600800）P/U=140 AH 190 Ah 方法四：-18时Q=4KPUH/1+0.01(t-20)UH(UH-UK)-4PRL=163Ah 取整为：160Ah。综上四种方案，算出来的结果部分差异比较大，因此，蓄电池的选择更要以理论计算为基础，结合同类成功车型的对比和实车的冷起动或者寒区试验进行综合的选择。七、其它常用知识蓄电池自放电的主要原因是：(1)电解液中含有杂质(其他金属如铜、铁等)，这