3.3　铅酸电池

3.3.1　铅酸电池的结构

铅酸电池主要由极板、电解液、隔板、电极、壳体等部分组成。其中极板分为正极板和负极板两种。铅酸电池的充电过程是依靠极板上的活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。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）。正、负极板的活性物质分别填充在铅锑合金铸成的栅架上，加入锑的目的是提高栅架的机械强度和浇铸性能。但锑有一定的副作用，锑易从正极板栅架中析出而引起铅酸电池的自行放电和栅架的膨胀、溃烂，从而影响其使用寿命。负极板的厚度为1.8mm，正极板的厚度为2.2mm，为了提高铅酸电池的容量，国外大多采用厚度为1.1～1.5mm的薄型极板。另外，为了提高铅酸电池的容量，将多片正、负极板并联，组成正、负极板组。在每单格电池中，负极板的数量总比正极板多一片，正极板都处于负极板之间，使其两侧放电均匀，否则因正极板机械强度差，单面工作会使两侧活性物质体积变化不一致，造成极板弯曲。

隔板的作用是减小铅酸电池的内阻和体积。正、负极板应尽量靠近但彼此又不能接触而短路，所以在相邻正、负极板间加有绝缘隔板。隔板应具有多孔性，以便电解液渗透，而且应具有良好的耐酸性和抗碱性。隔板材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料以及浸树脂纸等。近年来，出现了将微孔塑料隔板做成袋状，紧包在正极板的外部，防止活性物质脱落。

铅酸电池的外壳是用来盛放电解液和极板组的，外壳应耐酸、耐热、耐震，以前多用硬橡胶制成。现在国内已开始生产聚丙烯塑料外壳。这种壳体不但耐酸、耐热、耐震，而且强度高、壳体壁较薄（一般为3.5mm，而硬橡胶壳体壁厚为10mm）、质量小、外形美观、透明。壳体底部的凸筋是用来支持极板组的，并可使脱落的活性物质掉入凹槽中，以免正、负极板短路，若采用袋式隔板，则可取消凸筋以降低壳体高度。

电解液的作用是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应，它由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成。电解液的相对密度一般为1.24～1.30（15℃）。

现代铅酸电池一般采用穿壁式连接方式将每一个单格连接起来。铅酸电池各单格电池串联后，两端单格的正、负极桩分穿出蓄电池盖，形成铅酸电池极桩。正极桩标“+”号或涂红色，负极桩标“-”号或涂蓝色、绿色等。

3.3.2　铅酸电池的工作原理

铅酸电池的充电过程和放电过程是一种可逆的化学反应，充、放电过程中铅酸电池内的导电是靠正、负离子的反向运动来实现的。

（1）放电过程　当极板浸入电解液时，负极板上有少量铅溶入电解液生成Pb2+，从而在负极板上留下两个电子2e，使负极板带负电，此时负极板具有0.1V的负电位；正极板上，少量PbO2溶入电解液，与水反应生成Pb（OH）4，再形成四价铅离子和氢氧根离子，一部分Pb4+沉积在正极板上，使极板呈正电位，约为+2.0V。故当外电路未接通时，铅酸电池的静止电动势约为E0=2.0-（-0.1）=2.1V。

若接通外电路，在电动势的作用下，使电路产生电流，在正极板处Pb4+和负极板来的电子结合，生成二价铅离子Pb2+，Pb2+再与电解液中的S结合，生成PbSO4而沉积在正极板上，使正极板电位降低。

放电时的化学反应式为

PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O

如果外电路不中断，正、负极板上的PbO2和Pb将不断地转化为PbSO4。电解液中的H2SO4将不断减少，而H2O增多，电解液相对密度下降。理论上讲，放电过程将进行到极板上的活性物质全部变为PbSO4为止。但由于电解液不能渗透到活性物质的最内层中去，在使用中，放电完了的铅酸电池，也只有20%～30%的活性物质变成了PbSO4。故采用薄型板，增加孔隙率，有利于提高活性物质的利用率。

（2）充电过程　充电时，铅酸电池接直流电源，因直流电源端电压高于铅酸电池电动势，故电流从正极流入，负极流出。这时，正、负极板发生的反应与放电过程相反，如正极板处有少量PbSO4溶于电解液变成Pb2+和S，Pb2+在电源作用下失去两个电子变成Pb4+，它又和电解液中OH-结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉积在正极板上，而S与电解液中的H+结合成H2SO4。

负极板上有少量PbSO4溶入电解液中，变成Pb2+和S，Pb2+在电源作用下获得两个电子变成Pb，沉积在负极板上，S则和电解液中H+结合成H2SO4。可见充电过程中消耗了水，生成了硫酸，故充电时电解液的相对密度是上升的，而放电时电解液的相对密度是下降的。

充电时的化学反应式为

2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4

3.3.3　阀控铅酸电池的使用管理

阀控铅酸电池的极板栅架主要采用铅钙合金，以提高其正、负极析气（H2和O2）过电位，达到减少其充电过程中析气量的目的。正极板在充电达到70%时，氧气就开始产生，而负极板达到90%时才开始产生氧气。在生产工艺上，一般情况下正、负极板的厚度之比为6∶4，根据正、负极活性物质量比的变化，当负极上绒状Pb达到90%时，正极上的PbO2接近90%，再经少许的充电，正、负极上的活性物质分别氧化还原达95%，接近完全充电，这样可使H2、O2气体析出减少。采用超细玻璃纤维（或硅胶）来吸储电解液，并同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道。这样，氧一旦扩散到负极上，立即被负极吸收，从而抑制了负极上氧气的产生，使浮充电过程中产生的气体90%以上被消除（少量气体通过安全阀排放出去）。自20世纪80年代贫液式阀控密封铅酸电池问世以来，作为一种更新换代产品，较原来富液式开口或防酸隔爆式电池有特殊的优点，在使用过程中无需添加蒸馏水，减轻了维护人员的工作量，实现了电池内部的氧循环，正常使用条件下不会产生大量的氢、氧气体并夹带酸雾逸出。

影响阀控铅酸电池容量的因素有结构因素和使用因素。其中结构因素对电池容量的影响有：极板厚度，极板越薄，活性物质的多孔性越好，电解液越容易渗透，有效利用率越高，电池的容量越大；极板表面积，表面积越大，参加化学反应的活性物质越多，电池的容量越大；同性极板中心距，中心距小可减小电池内阻，增大电池容量。

（1）阀控铅酸电池的放电管理

① 放电时的硫化现象　由放电时的化学反应式看出，铅酸电池在放电过程中两极板的活性物质转换成硫酸铅。长时间充电不足或过度放电的铅酸电池，在电解液中就会有大量的硫酸铅析出并沉积在极板和隔板上，包裹极板的活性物质（正极板氧化铅为PbO2，负极板为纯铅Pb），堵塞隔板孔隙，阻碍电解液中的H2SO4与正、负极板的活性物质进行化学反应，导致铅酸电池容量降低。铅酸电池充电不足或过度放电的时间越长，内阻越大，接受充电和对外放电的能力越低，以至于无法正常使用。

② 防止电池硫化的措施

a.驱动控制器设置电源低电压保护。为了增加续驶里程，希望将电源最低电压保护设置得越低越好，但这会造成过放电，严重影响铅酸电池的使用寿命。建议60V铅酸电池最低放电保护电压不可低于52.5V，72V铅酸电池不低于63.0V。

b.使用保护。在使用铅酸电池作动力源时要做到“勤充电、不过充电”。用户可根据自己的出行里程规律估算蓄电池的放电程度，再参考电量表对蓄电池进行适度充电。整车不用或电池存放尚未装车时，也应每个月对电池检查充电一次。

c.采用新技术保护。随着技术的进步，车用动力电池制造企业正在不断地采用对极板渗碳及在电池正、负极并联大电容器等新技术，以保护动力电池，延长电池的使用寿命。

（2）阀控铅酸电池的充电管理

① 影响电池充电过程的因素

a.电池温度的影响。温度高低会影响铅酸电池的容量，主要原因是温度变化会导致电解液的密度发生变化，影响极板的活性物质利用率，同时温度高低还会影响铅酸电池内阻的大小、使用寿命的长短。

b.充电电流的影响。充电电流的大小直接影响充电时间的长短，合理的较大的充电电流会大大缩短充电时间。但过大的充电电流对铅酸电池是有害的。在充电过程中伴随电解水的发生，充电电流越大电解水的反应越激烈，水电解后产生大量的氢气和氧气，当氢气从极板的孔隙向外冲出时会造成活性物质脱落，进而使铅酸电池容量下降，极易造成自放电和极板短路故障。过大的充电电流还会造成铅酸电池内部温度升高过快，容易使铅酸电池过热，内阻下降。铅酸电池内阻的下降又使充电电流进一步增加，充电电流的增加又会导致内阻下降。长时间充电会造成热失控现象，导致铅酸电池壳体变形，线路温升过高、老化加剧。

② 对电池充电采取的保护措施　在充电机内设置稳压限流电路，如图3-8所示。

充电机通过稳压触发限流装置对铅酸电池充电，稳压限流值与电池的规格有关，充电电流大小根据电池许可按其容量的0.1～0.3倍计算（即1C～3C充电率）。充电电流过大会造成活性物质脱落，过小会使充电时间延长，难以充足电量。在实际充电过程中，电流传感器检测电池的实际充电电流，通过稳压触发限流装置对电池电流的实际大小实行闭环控制。温度传感器检测电池的实际温度，稳压触发限流装置根据实际温度，适当调整充电电流大小直至停止充电，从而避免充电不足或过充电对电池容量和寿命造成不良影响。

在实际使用中，由于车辆的行驶造成电池过度放电或充电不足，导致容量早期损失；环境温度变化对电池寿命及容量的影响；开关电源电池管理功能的优劣对电池容量和寿命的影响等诸多因素证实，对阀控铅酸电池的维护与普通富液式电池相比“少维护、强管理”的概念较为实际。铅酸动力电池是从普通铅酸电池经技术发展演化来的，一般正常使用寿命为3～5年，严格按铅酸电池规律使用能延长寿命1～2年。传统燃油车铅酸电池充电一般由车载发电机进行，只要发动机运行就会给铅酸电池充电，而低速短途电动汽车只能在停车时充电，放电后必须在24h内补充充电，防止造成铅酸电池的永久损坏。使用铅酸电池的电动汽车要“勤用勤充、不亏不过”。