Trojan电瓶铅酸蓄电池原理

摘要： 自从公元1860年法国人蒲朗第(Gaston Plante)创造铅酸蓄电池以来，现已具有一百多年的前史，成为世界上不行或缺的电能之一，现在首要分为密封型与非密封型两种，最重要的差别在于运用时所产生的气体是否会散逸到外界，因而非密封型电池需求弥补电解液。在本文中，将选用CSB BATTERY CO., LTD.所推出的GP1272 密封型铅酸电池作为试验之用，供电12V、容量7.2Ah。这类型的电池

自从公元1860年法国人蒲朗第(Gaston Plante)创造铅酸蓄电池以来，现已具有一百多年的前史，成为世界上不行或缺的电能之一，现在首要分为密封型与非密封型两种，最重要的差别在于运用时所产生的气体是否会散逸到外界，因而非密封型电池需求弥补电解液。在本文中，将选用CSB BATTERY CO., LTD.所推出的GP1272 密封型铅酸电池作为试验之用，供电12V、容量7.2Ah。这类型的电池运用超声波特别密封，在运用时不受方向、位置所约束，在安全的运用环境下，免保养、免加水、可重复循环运用，不管是运用在循环运用或是浮充运用的环境，都具有自行放电率低、回充速度快、高效率放电功能等优异特性。本文将针对铅酸蓄电池进行介绍。

       图1 CSB 电池产品图
1， 铅酸电池的组成结构
电池是一种将电能以化学能贮存的设备，有必要具备体积小、可带着，耐震、耐冲击以及寿数长、高能量密度等特性，因而在许多的领
域遭到遍及的运用，尤其是铅酸蓄电池更是累积了恰当多的技能，构成铅酸电池的四个首要部分为电极板(阳极板与阴极板)、电解液、隔离
板、与外部的电槽，下面别离描绘各部分的首要原料与功能：
(1)电极
电池中最为重要的资料便是极板，构成极板的质料为铅粉，亦是可改变成正、负极活性物质的资料，较为代表性的铅粉制作机最早由
日本电池公司创设人创造，将铅块外表的氧化物去除，收集充分磨细之铅粉。铅粉中的首要成分为一氧化铅，其百分比含量将会是影
响电池功能的重要指针。在极板中所运用的蕊条，形状如格子般的板栅，首要原料为铅锑(Pb-Sb)系与铅钙( Pb-Ca )系合金，用以附着活性物质，具有充作集电体的效果。锑(Sb)的加入能够改进正极与活性物质间的接和，有助于耐蚀性之提高、延伸寿数，缺陷在于锑若溶解于电解液中成为 SbO^-₃离子，而在负极板上产生Sb，将会产生氢气构成自放电。Pb-Ca系合金之结晶组织则因添加恰当的钙后，促使铅结晶细微、提高硬度，并且不会产生自放电，现在遍及运用于小型密封型铅酸电池。极板的制作上则有两种方法，第一种方法是涂浆式极板，将稀硫酸与添加资料，添加于铅粉调制成膏状，并均匀涂覆在格子状极板上，进行金属铅之氧化、干燥，构成活性物质之结晶生长，最终置于稀硫酸电解液中进行氧化，这种方法构成的极板，一般选用在铅酸电池的阴极板上。第二种方法则是包层式极板，将直径9μm之微细玻璃长纤维当作纺织丝，将其编成圆筒型之管子，与配置在管子中心的铝合金蕊条间，填充铅粉，接着浸渍于稀硫酸中，使铅粉一部分变成硫酸铅后，置于空中干燥，这种方法所构成的极板具有杰出的弹性，是铅酸电池中阳极板最佳的挑选。
因而在电池充放电时，南北极的活化物质会跟着化学改变而重复胀大与收缩，电极有必要依据电池的容量，挑选恰当的规格与数量。但是在南北极活性物质中，阴极板的海绵状铅的结合力较强，阳极板的过氧化铅结合力弱，使得在长期运用之后，会不断掉落，这便是铅酸电池寿数遭到约束的首要原因，因而若要设法延伸铅酸电池的运用期限，从阳极板的改良下手是当务之急。
(2)电解液
电解液中的硫酸，是参加电动反响的活性物质，除了导电用之外，也参加电极的反响，经放电而耗费，充电即可生成。若是电池中电解液比重较高时，会由于能量密度的联系能够提供较佳的电力特性，但却有或许加快极板的腐蚀与劣化，若是要延伸电池的运用寿数与可靠性，则在比重上有必要有所约束。
别的，在电解液中还有很重要的一环便是杂质含量，杂质含量的添加也会加快极板的腐蚀与劣化，削减电池运用的功能与寿数。不过，却有些杂质被恰当的添加，是为了要避免电解液处于过放电时，产生格离板被贯穿，而构成短路的状况。
(3)隔离板
所谓隔离板，便是放置于南北极之间，除了作为隔离电极的设备，还有必要避免正、负极间之短路。实践装置时，正、负南北极板的距离相
当靠近，在中心插入以绝缘物质制作的多孔性格离板，避免南北极板触摸。因而隔离板有必要具备杰出的离子导电性，也便是低电组的特性，
还有优异的耐酸性以及抗氧化性，且不得溶出杂质；避免活性物质的
掉落，构成短路。
(4)电槽
在电池外部的电解槽与槽盖，均选用热可塑性塑料，以加压射出成型为主，有必要具有耐电压、耐冲击性、耐热性以及耐酸性等特性。
至于电解槽及其槽盖的接合，有必要做到彻底密封的状况，除了以往常见的接合剂与热熔接法外，还有选用超音波特别封装，具有恰当杰出
的安全性。
2，铅酸电池的基本原理
铅酸电池的正极为多孔性的二氧化铅，负极为海绵状的铅，极板上面的活性物质与电解液中的硫酸产生化学改变而放出电子，每一单
位(Cell)至少可提供2.04 伏特(V)的电压，下面列出电化学反响：

全反响：

电动势：
在非封闭型的铅酸电池中，咱们能够发现当电池经充电完结之后，若再持续充电将会导致电解液中之水份进行分化，而水分化的结
果将使得正极部分产生氢气，负极的部分产生氧气，当这些过多的气体被产生后，便会开释到外界，因而有必要定期恰当的弥补水份。
封闭型的铅酸电池，这一类型的电池不需保养，更不需添加水份，其间最重要的关键在于电池的阴极板被规划为不会彻底饱满反响，以致于没有氢气产生，但是阳极板一旦全反响后，便会出现氧气，此刻阳极所产生的氧气会和阴极的海绵状铅反响成一氧化铅，此刻生成的一氧化铅再与电解液内的硫酸反响变成硫酸铅，而允许阴极板部分放电。换句话说，由阳极所产生的氧气并不会被释出，反而被阴极给吸收了，因而电池内部的容量并不会因而而削减，这便是所谓的密闭原理，下面列出反响方程式：

3，寿数特性
所有铅酸电池，经过长时刻的运用后，都会有寿数减短的状况产生，除了南北极板会产生改变，杂质的累积也会构成功能的衰减，要如
何延伸一颗电池的寿数，电池的运用方法是恰当重要的，一般对一颗铅酸电池来说，会有两种不同的运用方法，一种是浮充运用，另一种
是循环运用。
在循环运用的模式下，放电深度(Depth of Discharge)扮演恰当重要的脚色，放电深度是针对额外容量之放电电量比率，一般这种模式
是操作在电动车辆与独立电源上，运用者往往会将电池的电量耗费至必定比例才又充电，如图2所示，此刻电池的寿数会由于放电深度
的不同，而具有不同的运用寿数及功能。

            图2 循环运用寿数
浮充运用的方法则是把电池当成备用电源，连接在主电源端，例如不断电体系或紧急照明设备等，以备不时之需，因而很少遇到放电
深度的问题。此刻咱们有必要要留意的便是电池置放的环境温度，若周遭温度过高将加快电池各部分劣化，过于低温则会在电池内部产生氢
气，构成内部压力增大或电解液削减，减短寿数，图3显示了不同的环境温度对电池寿数的影响。

            图3 浮充运用寿数
4，充电特性
在电池的充电过程中，阳极板上的硫酸铅变成二氧化铅，当持续充电一段时刻后，氧气便开始产生而引起电压急速上升，因而在充电
的过程中有必要留意电压上限值。若是以大电流对电池充电，则会构成内部产生气化的状况，当超越电池的吸收速率，便会损坏电池，减短
寿数，以下列出CSB BATTERY CO., LTD.的电池在充电上的约束及标准：

运用 

充电电压(V/Cell) 

最大充电电流

温度 (℃)设定值 容许范围 循环运用 25℃ 2.452.4~2.5 0.3C 浮充运用 25℃ 2.2752.25~2.3 0.3C 

表1 最大充电电压及最大充电电流
由图4及图5中，咱们则能够发现，不管电池是操作在循环运用还是浮充运用的状况下，充电量往往有必要是放电量的110%〜 120%，才能够将电池再度彻底充饱，这表明有一部分的能量在电池内部被耗费掉了，实践充电的时分有必要留意，不然没有办法将电池的电量回复到原本的状况。

图4 定电压14.7V(2.45V/Cell)下循环运用的充电特性

图5 定电压13.65V(2.275V/Cell)下浮充运用的充电特性
5，放电特性
铅酸电池上面一般会标示着容量(Ah)的符号，这个容量表明放电电流及放电至停止电压时刻之积分，若是放电电流跟着放电时刻而改
变巨细，代表电池容量就会跟着放电电流而改变，公式如下：
电池容量
选取一颗容量固定的电池，以不同的电流巨细来放电，将会构成容量改变上的不同，一起也会导致放电时的停止电压有所不同，因而
电池在放电的时分有必要留意电池的状况，不行低于限制的放电停止电压，不然将会产生过放电的状况，多次的过放电产生将会使得电池容
量失效，甚至无法充电，这一部分在CSB BATTERY CO., LTD.亦有具体标准，如表2所示，图6则显示在不同放电电流下的放电停止电压与放电时刻的联系。

表2-2 放电电流与放电停止电压约束

   图6 不同放电率下放电特性
铅酸电池与一般电池比较起来，还有个特别的不同之处，那便是对过放电的状况十分敏感，每一次的过放电都会对铅酸电池构成极大的损害，这从先前对铅酸电池的介绍中便可略知一二。因而当电池过放电之后，便不或许再回复正常的容量，一般这种原因会产生，是由于电池长时刻处于放电状况。在咱们试验中所运用的CSB密闭式铅酸电池，能够承受时间短时刻的过放电，并且次数仅有2-3次，在过放电后，仍可由恰当的充电来回复原本的容量。对于咱们要规划的充电器来说，要怎么得知电池现已产生过放电的形情，能够由图7能够得知，在充电初期会产生充电电流不变，充电电压却大幅下降的状况，经充饱电后尚可康复其初期的容量。

   图7 过放电及静置放电后之充电特性
6，铅酸电池的等效电路
铅酸电池的电气特性，就像个大电容相同，若是要将电池拿来充电，势必要对电池的瞬时特性进行剖析。铅酸电池的等效电路，如图
8所示：

图8 铅酸电池等效电路
图8 中，E是铅酸电池的电动势，L为电池内部之电感，一般
这电感量很小，会跟着电池容量增大而略微添加，但一般在剖析中予以疏忽。R 是极板与电解液之间所构成的电阻，一般称之为内阻，在
实践充放电的时分，会由于电解液与极板均产生复杂的化学反响，以及电解液中许多杂质的要素，使得这个内阻值会不断上升，然后直接
影响温度，因而内阻值是铅酸电池研讨中最重要的参数。C则是电极上之活性物质与电解液接口之间，所构成的电容，这个值十分大，并且容量越大的电池也具有越大的电容值。至于Zf则是与通电电流频率有关的阻抗，称之为法拉第阻抗，由电阻与电容成分构成。在铅酸电池的剖析上，最首要在于侦测内部电压与内阻的改变，因而把电池视为电压源，并将等效电路简化为图9。

图9 铅酸电池等效简化电路