2-1铅酸动力电池的结构组成、工作原理及应用

2-1铅酸动力电池的结构组成、工作原理及应用,主讲：蒋鸣雷,知识目标：1、了解铅酸电池的储能工作原理；2、掌握铅酸电池的检测方法。能力目标：1、能正确阐述铅酸蓄电池的充放电原理；2、能对铅酸蓄电池进行性能检测与维护。素质目标：1、培养学生自主学习、查找资料、制定计划的能力；2、培养学生具备从事汽车行业工作的职业素养。,学习检测,教学目标,主要内容,学习小结,教学重点：铅酸电池的储能原理与检测,教学难点：铅酸电池的储能原理,学习检测,教学目标,主要内容,学习小结,2.铅酸电池的结构组成及工作特性,1.铅酸电池的类型与储能原理,学习任务,3.铅酸电池的日常使用与维护,学习检测,主要内容,教学目标,学习小结,4.铅酸电池的故障检测,5.铅酸动力电池的应用,一、铅酸电池的类型与储能原理,引入：,铅酸电池发明已有150多年，目前在所有化学电源中，铅酸电池生产规模最大，单就起动蓄电池而言，全世界年产量达10亿只之多，每年生产铅酸电池消耗的铅质量约200万吨，占全年全球铅总产量的一半以上。作为发展历史最悠久的动力电池，铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低廉、维护方便，在储能电源、起动电源、车载电源等领域仍然应用广泛。,一、铅酸电池的类型与储能原理,1、铅酸电池的类型根据铅酸电池的作用可将其分为三种类型：起动式铅酸蓄电池（Starterbatteries)。牵引式铅酸蓄电池(Tractionbatteries)。固定式铅酸蓄电池(Stationarybatteries),用于汽车上的起动蓄电池,必须满足发动机需要,即在15s内的短时间内，提供汽车起动发动机足够大的电流。汽油机起动电流为200600A，柴油机达1000A。,汽油机电源12V，柴油机电源24V,起动式铅酸蓄电池由于不能深度充放电，不能用于电动汽车的主电源，一般仅作为低压辅助电源使用；固定式铅酸蓄电池容量可以做到很大，但比能量较低，体积和质量很大，不适合车用，一般仅用于不间断电源等位置相对固定的场合。牵引式铅酸蓄电池容量相对较大，可深度充放电，比能量较高，可用于电动汽车主动力电源。铅酸蓄电池由于其技术成熟，可大电流放电，适用温度范围宽和无记忆效应等性能上的优点，以及原材料的易于获取和远低于镍氢和锂离子等高能电池,目前仍然是切实可行的动力电池。,一、铅酸电池的类型与储能原理,2、铅酸电池的储能原理铅酸电池的放电时的电化学反应被称为双硫化反应，正极成流反应为:负极成流反应为:电池总反应:,铅酸电池的储能原理,（1）铅蓄电池的放电当铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势，此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb，都与电解液中的H2SO4反应生成硫酸铅（PbSO4），沉附在正、负极板上。电解液中H2SO4不断减少，密度下降。,理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止，但由于生成的PbSO4沉附于极板表面，阻碍电解液向活性物质内层渗透，使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应，因此在使用中被称为放完电蓄电池的活性物质利用率只有2030。因此，采用薄型极板，增加极板的多孔性，可以提高活性物质的利用率，增大蓄电池的容量。,（1）单格电池电压降到放电终止电压；（2）电解液密度降到最小许可值。放电终止电压与放电电流的大小有关。放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止电压也越低。如下所示。,蓄电池放电终了特征,C20蓄电池的额定容量,（2）铅蓄电池的充电充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出，这一过程称为充电。蓄电池充电过程是电能转换为化学能的过程。充电时，正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb，电解液中的H2SO4增多，密度上升。,当充电接近终了时，PbSO4已基本还原成PbO2和Pb，这时，过剩的充电电流将电解水，使正极板附近产生O2从电解液中逸出，负极板附近产生H2从电解液中逸出,电解液液面高度降低。因此，铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。,蓄电池充足电的标志是：（1）电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态；（2）电解液的密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在23h内保持不变。,铅蓄电池的充电,二、蓄电池的结构组成及工作特性,1、蓄电池的结构组成如图所示为6V蓄电池的构造图。它由三个相同的单格电池组成。每个单格电池的电压为2V。,用联条把各单格串联起来，便成了一个6V蓄电池。这种蓄电池主要由极板、隔板、电解液、外壳（容器）等组成。,极板是蓄电池的核心部分，极板分正极板和负极板，极板做成栅架（网架）形式，上面附满活性物质。蓄电池的充电和放电，就是靠正、负极板上活性物质与硫酸溶液的化学反应来实现的。极板构造如图所示。,（1）极板与极板组,正极板上活性物质为二氧化铅（PbO）呈棕红色；负极板上活性物质为海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。,栅架的作用固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好导电性、耐蚀性和一定机械强度。铅占94%，锑占6%。加入锑是为了改善力学强度和浇铸性能。为了增加耐腐蚀性，加入0.1%0.2%的砷，提高硬度与机械强度，增强抗变形能力，延长蓄电池使用寿命。,（2）栅架,将二氧化铅与稀硫酸调成膏状，涂在栅架上，就成了正极板；将纯铅粉与稀硫酸调成膏状涂在栅架上，就成了负极板。,（1）隔板的作用：把正、负极板隔开，防止正、负极板互相接触造成短路。（2）隔板常用材料：隔板要耐酸、具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。,（3）隔板,在正、负极板中间插入一隔板，极板组便成为单格电池。由于正极板上活性物质较疏松，机械强度低，如果极板的两面放电不均，就会形成正极板拱曲而使其上的活性物质脱落。因而用两片负极板夹一片正极板的办法。将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得2V左右的电动势。将一定数量的正负极板组装起来，中间插进隔板，就组成了电池组。在每个电池组中，正极板的片数要比负极板少一片。,（4）单格铅酸电池,问题：3格电池，总极板数45，请算出正负极板数？,（5）电解液电解液是蓄电池内部发生化学反应的主要物质，蓄电池电解液是用纯净硫酸和蒸馏水（去离子水）按一定比例配制而成的。电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。电解液中硫酸密度高，可增强化学反应，提高电动势。冬季还可避免电解液冻结。但密度过高，会使极板腐蚀作用加快，缩短极板与隔板的使用寿命。电解液的比重一般为1.241.28（20）。气温高的地区或季节，应采用较低密度；气温低的地区或季节，应采用较高密度。,（6）外壳外壳用硬橡胶或塑料制成。内用间隔分隔成几个单格，每个单格内放入极板组和电解液便组成一个单格电池。壳的底部有凸起的筋条（突棱）用来放置极板组。各单格电池极板组的正、负极柱，用联条接成串联，即一个单格电池的正极柱和相邻单格电池的负极柱相连。加液口上有盖，盖上有通气孔，它们应保持畅通，以防外壳内气体增多而把外壳胀裂。,型号：JB2599-85铅蓄电池产品型号编制方法串联单格数电池类型和特征额定容量特殊性能如：6QA60S,6个单格,特征（常见电池产品特征代号）,G：高起动率S：塑料壳D：低温起动,额定容量为60Ah,汉语拼音qidong（起动）的缩写，表示起动蓄电池，以区别于拖动蓄电池,2、蓄电池规格型号,举例：1、3-Q-90：表示由三只单格电池组成，额定电压为6V，额定容量为90Ah的起动型蓄电池。2、6-QA-54表示由六只单格电池组成，额定电压为12V，额定容量54Ah的起动型干式荷电蓄电池。3、6-QA-60G表示由六只单格电池组成，额定电压为12V，额定容量为60Ah的起动型干式荷电、高起动率蓄电池。,3、铅酸电池的工作特性,1)影响蓄电池容量因素(1)结构因素极板表面积大小；极板片数多少（参加反应活性物质越多，容量越大）；极板越薄，活性物质的多孔性越好，则电解液向极板内部的渗透越容易，活性物质利用率就越高，输出容量也就越大。(2)使用因素：放电电流、电解液温度、密度,放电电流,电解液密度,2)充电特性,恒流限压法作为铅酸电池最为常用的充电方法，无论是对于铅酸电池单体还是铅酸电池构成的电池组，在工程实践中应用最多。,3)放电特性,在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，到放电末期，电池端电压急剧下降，此时应停止放电，否则会造成电池的过度放电。过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”。4）温度特性温度对蓄电池的容量和电动势影响很大，电解液温度高时扩散速度增加、电阻降低，其电池电动势也略有增加因此铅酸电池的容量及活化物质利用率随温度的增加而增加。反之，电解液温度降低时，其黏度增大，使离子运动受到较大阻力，扩散能力降低。在低温下电解液的电阻也增大，电化学反应的阻力增加，结果导致蓄电池容量下降。,三、铅酸蓄电池的日常使用于维护,1、蓄电池的正确使用（1）蓄电池正、负极接线柱的识别（2）蓄电池的就车拆装及其注意事项从汽车上拆卸蓄电池时，应先拆搭铁电缆，然后拆正极上的电缆；往车上装蓄电池时，应认清正、负极，保持负极搭铁，并应先接正极上的电缆，再接搭铁电缆。,2、蓄电池的使用与维护,大电流放电时间不宜过长。每次起动时间应小于5s，相邻两次起动应间隔15s以上。避免起动时使用刮水器、后窗除霜加热器及长时间开前照灯等。尽量避免蓄电池过放电和长期处于亏电状态下工作，亏电蓄电池应及时取下进行充电，放完电的蓄电池应在24h之内进行充电。冬季使用蓄电池，要特别注意保持足电状态，以免电解液密度降低而结冰。在保证不结冰前提下，尽可能采用密度偏低的电解液，如果液面过低，需添加蒸馏水，只能在充电前进行，尽可能使水和电解液混合。冷起动前，注意预热发动机。蓄电池的储存满足以下条件：室温540，干燥、通风良好；避免叠放或受冲击；避免阳光直射，距离热源2m以上。,2、蓄电池的使用与维护,日常维护时，检查蓄电池外壳与极柱是否有裂纹和电解液泄漏；检查蓄电池本身安装是否牢固，防止振动损坏；检查极柱接线是否牢固，防止电量损失或产生火花；保持加液孔盖上通气孔的畅通，定期疏通。经常检查并调整电解液的液面高度（高于极板1015mm），不足时应补充蒸馏水。保持蓄电池外表面的清洁干燥，及时清除极柱和电缆卡子上的氧化物，并确定蓄电池极柱上的电缆连接是否牢固、蓄电池在托架上的安装是否牢固。清洗时要将蓄电池从车上拆下，先刮除腐蚀物，再用苏打水清洗，然后用清水冲洗并用纸巾擦干。电缆卡子在清洗后还应涂上凡士林或润滑脂防止腐蚀。,四、铅酸电池的故障检测,1、开路电压的检测把数字式万用表跨接在蓄电池两极，跨接时注意极性，测量开路电压的读数要精确到0.1V。对于额定电压为12V的蓄电池，将测得其电压小于12V，说明蓄电池过量放电；若测得其电压为12.2V12.4V，说明部分放电；若测得其电压高于12.5V，说明蓄电池存电足。,电压测量法,2、利用蓄电池观察孔颜色判断,利用蓄电池观察孔颜色判断,3、用高率放电计测量放电程度,用高率放电计测量放电程度,4、电解液的检测（1）检查电解液液面（2）检查电解液密度使用浮子式密度计检查电解液密度使用光学密度计检查电解液密度,5、蓄电池外部电路的漏电检测,（1）试灯法断开所有电气开关，脱开负极电缆，在蓄电池负极电缆和选电池负接线柱之间连接试灯，如果灯亮，说明存在恒定的漏电，需逐个拔各用电保险，如果切断某一电路时，试灯灭了，说明该条电路漏电。（2）万用表法把万用表接在蓄电池负极和搭铁线之间，选择合适量程，通过测量电流判断漏电情况。,6、蓄电池接线柱的检测检测时，把电压表负极表笔接到电缆卡子上，正极表笔接到蓄电池正接线柱上，启动发动机（注意不能使发动机发动），并观察电压表读数，这时电压表读数不得大于0.5V，否则说明电缆连接处有高电阻，这时应清洁电缆卡子和蓄电池接线柱。若电缆卡子与蓄电池接线柱松旷，应予以紧固。,蓄电池常见的故障检测步骤,观：观察、观看蓄电池的外观看蓄电池的真伪；看蓄电池的壳体老化程度（塑料壳）；看蓄电池的生产批次；看蓄电池底部是否有脱落物质；看蓄电池正负电池头是否松动或漏夜闻：闻问结合询问蓄电池的使用情况；闻蓄电池的气味是否正常；看电解液的颜色是否正常；看正负极板膨胀程度（是否达到正常的使用期）；看工作栓及中隔的颜色（判断有过过充电情况）,测：检测、测量测量蓄电池的开路电压；测量蓄电池的单体电压；测量蓄电池的密度；测量蓄电池的放电电压（利用放电叉测量）；测量蓄电池的放电电流（在有条件情况下）断：判断故障正确分析造成故障的责任（用户使用不当、车身线路问题或工厂制造责任）；正确使用技术性术语定：得出正确的结论让用户满意；使经销商满意；使生产厂家满意；使自己满意,五、铅酸动力电池的应用,铅酸电池发明100多年来，广泛应用于人类生产和生活的各个方面。作为起动、点火、照明电池，主要用于汽车、摩托车、内燃机车和电力机车；作为工业用铅酸蓄电池，主要用于邮电、通信、发电厂和变电所开关控制设备以及计算机备用电源等；阀控密封式铅酸蓄电池可用于应急灯、UPS、电信、广电、铁路和航标等；作为动力电池，主要用于电动汽车、高尔夫车、电动叉车等。,五、铅酸动力电池的应用,1、