第四节 蓄电池的工作特性

蓄电池的工作特性是指其电动势、电压、电流和电解液密度随充、放电时间而变化的规律。

一、蓄电池的技术参数

蓄电池的技术参数有电解液密度、静止电动势、电压、内阻和容量等。这里主要介绍电解液密度、静止电动势和内阻。

（一）电解液密度

电解液密度是指电解液中H₂SO₄成分所占的比例。因为密度与温度密切相关，所以实际测量密度时应同时测量电解液的温度，并按下式换算成标准温度（25℃）时的密度ρ_25℃。

式中 ρ_T——实测电解液密度，g/cm³；

T——实测电解液温度，℃；

β——密度温度系数（β=0.0007），即温度每升高1℃，密度将降低0.0007g/cm³。

（二）静止电动势

静止电动势E_s是指蓄电池在静止状态（不充电也不放电）时，正、负极板之间的电位差（即开路电压）。静止电动势的高低与电解液密度和温度有关，在密度为1.05～1.30g/cm³的范围内，可由下式计算近似值（V）。

汽车用蓄电池电解液的密度在充电时增大，放电时减小，变化范围在1.12～1.30之间，其静止电动势相应的在1.97～2.15V之间变化。

（三）内阻

蓄电池内阻的大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同条件下，内阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。蓄电池的内阻为极板电阻、隔板电阻、电解液电阻和连接条电阻的总和，用R₀表示。

极板电阻很小，且随极板上活性物质的变化而变化。充电时电阻变小，放电时电阻变大，特别是在放电终了时，由于活性物质转变成为导电性能极差的硫酸铅，因此内阻显著增大。

隔板电阻与其材料的孔径和孔率有关。木质隔板比微孔塑料、微孔橡胶和聚氯乙烯袋式隔板的电阻大。此外，隔板越薄则电阻越小。

电解液电阻随温度和密度不同而变化。如6-Q-75型蓄电池在温度为40℃时，其内阻约为0.010Ω，但在-20℃时则为0.019Ω。可见，内阻随温度降低而增大。电解液密度为1.20g/cm³（25℃）时，H₂SO₄的离解度最好，黏度较小，电阻最小。

连接条电阻与蓄电池单格之间的连接形式有关。内部穿壁式和跨越式连接的电阻比表面外露式连接的电阻要小。

总而言之，汽车用蓄电池的内阻很小，因此能够提供强大电流来起动发动机。对于完全充足电的蓄电池，在标准温度25℃时的内阻R₀可按以下经验公式计算

式中 U_e——蓄电池的额定电压，V；

C_n——20小时率额定容量，A·h。

二、蓄电池的充电特性

蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压U_c和电解液密度ρ_25℃等参数随充电时间t_c变化的规律。

在对放完电的蓄电池以恒定电流I_c进行充电的过程中，每隔一定时间（一般为2h）测量其单格电池的平均电压U_c、电解液密度ρ_T和温度T等工作参数，将其描绘在坐标纸上即可得到蓄电池的充电特性曲线，如图1-10所示。

在恒流充电过程中，由于充电电流不变，即单位时间内生成硫酸的数量相等，因此，电解液密度ρ_25℃随时间增长而线性上升，静止电动势E_s也随密度的上升而升高。

蓄电池充电时，因为充电电压U_c必须克服蓄电池的静止电动势E_s和内阻产生的电压降I_cR₀之后，才能在电路形成电流，所以充电电压始终高于电动势。即

在充电初期，蓄电池端电压迅速上升，这是因为充电时活性物质和电解液的作用首先是在极板孔隙中进行，生成的H₂SO₄使孔隙内的电解液密度迅速增大所致。随着硫酸增多，并不断向周围扩散，当极板孔隙内生成H₂SO₄的速度与向外扩散的速度达到动态平衡时，端电压便随整个电池槽内电解液密度的升高而逐渐上升。

当端电压达到2.4V左右时，电解液中开始产生气泡，此现象说明蓄电池已基本充足，极板上的活性物质已基本转变为PbO₂和Pb，部分充电电流已用于电解水，产生了氢气与氧气。随着充电时间增长，电解水的电流增大，产生的氢气和氧气增多，就会呈现所谓的“沸腾”现象。由于氢离子在极板上与电子的结合速度比较缓慢，因此，在靠近负极板处会积存较多的正离子“H⁺”，使极板与溶液之间产生附加电位差（称为氢过电位，约0.33V），使端电压急剧升高到2.7V左右。此时如果继续对蓄电池进行充电，则称为过充电。在蓄电池过量充电时，由于极板内部产生大量气泡会形成局部压力而加速活性物质脱落，使极板过早损坏，因此应尽量避免长时间过量充电。在实际充电中，为了保证蓄电池充电充足，通常需要进行2～3h的过充电。

停止充电后，由于内压降随充电电流切断而自动消失，极板孔隙内外的电解液也逐渐混合均匀，因此蓄电池端电压逐渐降低，最终等于静止电动势。

蓄电池充电终了的特征：一是蓄电池内产生大量气泡，即出现所谓“沸腾”现象；二是蓄电池端电压和电解液密度均上升至最大值，且在2～3h内不再上升。

三、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U_f和电解液密度ρ_25℃等参数随放电时间t_f变化的规律。

在对完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流I_f进行恒流放电过程中，每隔一定时间（一般为2h）测量其单格电池的平均电压U_f、电解液密度ρ_T和温度T等工作参数，将其描绘在坐标纸上即可得到蓄电池的放电特性曲线。6-QA-60型干荷电蓄电池的放电特性曲线如图1-11所示。

在放电过程中，因为放电电流恒定，即单位时间内消耗H₂SO₄的数量相同，所以电解液密度随放电时间增长而线性下降。因此，在使用过程中，通过测量电解液密度可以判断蓄电池的放电程度。在一般情况下，电解液密度每下降0.04g/cm³，蓄电池放电约为25%。

放电时，由于蓄电池内阻上有电压降，因此蓄电池端电压总是低于电动势。端电压在放电初期迅速下降，是由于极板孔隙中的H₂SO₄迅速消耗，密度迅速降低所致。随着极板孔隙内、外密度差的不断增大，H₂SO₄向孔隙内扩散的速度也随之加快，使放电电流得以维持。当扩散与渗透到极板孔隙内的H₂SO₄与孔隙内消耗的H₂SO₄趋于一致时，端电压将随整个电池槽内电解液密度的降低而缓慢下降。放电接近终了时，化学反应已深入到极板内层，由于极板上生成的PbSO₄的体积比活性物质的体积大（为PbO₂的1.86倍，海绵状Pb的2.68倍），PbSO₄聚集在极板表面和孔隙内使电解液渗入困难，因此极板孔隙内消耗的H₂SO₄难以得到补充，使孔隙内的电解液密度迅速下降，因此端电压急剧下降。

当端电压下降到规定的放电终止电压（20h放电率的放电终止电压为1.75V）时，应当停止放电，继续放电则为过度放电，不仅没有实用意义（试验证明，3～5min内电压就会下降到0V），而且不利于蓄电池充电时活性物质的还原。放电终止电压与放电电流的大小有关，见表1-2。放电电流越大则放完电的时间越短，允许放电的终止电压就越低。

停止放电后，蓄电池的内压降随之消失，极板孔隙中的电解液与电池槽中的电解液趋于平衡，所以端电压稍有回升。

蓄电池放电终了的特征：一是电解液密度降低到最小允许值；二是蓄电池端电压降到放电终止电压。