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鉛酸蓄電池的主要性能指標

鉛酸蓄電池結構透視圖

(1)安全性能

安全性能指標不合格的蓄電池是不可接受的,其中影響最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的發(fā)生主要與蓄電池的內(nèi)壓、結構、工藝設計(比如安全閥失效)及應當禁止的不正確操作有關。

(2)額定容量

為了蓄電池的容量,定義了蓄電池的額定容量。額定容量是蓄電池制造的時候,規(guī)定蓄電池在一定的放電條件下應該放出的最低限度的電量,其單位為Ah。使用條件不同,蓄電池能夠放出的容量也不同。規(guī)定的蓄電池放電條件為:

①蓄電池放電電流。一般所說的就是放電率,針對蓄電池放電電流的大小分別有時間率和電流率。放電時間率是指在一定的放電條件下放電到終止電壓的時間長短。依據(jù)IEC標準,放電率分別為20小時率、10小時率、5小時率、3小時率、2小時率、1小時率、0.5小時率等。蓄電池的額定容量用C來表示,以不同的放電率得到的蓄電池的容量會不同。②放電終止電壓。放電電流不同,終止放電電壓也不相同。隨著放電的進行,蓄電池的端電壓會逐步下降。在25℃條件下放電到能夠再次反復充電使用的最低電壓稱為放電終止電壓。放電率不同,放電終止電壓也不相同。一般為10小時率放電的終止電壓多數(shù)為1.8/

單格,以2小時率方電的終止電壓一般為1.75V/單格。低于這個電壓時,雖然可以放出稍微多一點的電量,但是容易形成再次充電的容量下降,所以除非特殊情況,不要放電到終止電壓。

③放電溫度。需電池在低溫時的放電容量小,高溫時的容量大,為了統(tǒng)一放電容量就規(guī)定了放電溫度。

④蓄電池的實際容量。蓄電池的實際容量反應蓄電池實際存儲電量的多少,單位用安時表示(Ah)表示。同樣安時數(shù)越大,則蓄電池的容量就越大,電動自行車的續(xù)行里程就越遠。在使用過程中,蓄電池的實際容量會逐步衰減。國家標準規(guī)定新出廠的蓄電池的實際容量大于額定容量者為合格蓄電池。如現(xiàn)在市場上電動自行車的蓄電池,以恒定電流5A放電要超過2h,相當于電動自行車在平坦的路上連續(xù)行駛2h以上。

影響蓄電池容量的因素有極板的構造、充放電電流的大小、電解液的溫度及密度等,其中以充放電電流和溫度的影響最大。如充放電流過大,將使極板上的活性物質變化處于表面,容量則降低很多。蓄電池的放電電流不同,所能夠放出的容量也不相同,放電電流越大,能夠放出的電量越小。例如電動自行車常用的電流為5A,使用標稱10Ah的蓄電池就是2小時率放電,如果采用10小時率放電,可以達到12Ah。這樣,該蓄電池如果按照2小時率標稱應該是10Ah,如果按照10小時率標稱就是12Ah.所以評價蓄電池的容量不僅僅要看蓄電池的標稱容量,還要看蓄電池的放電率。電動自行車蓄電池往往標稱為10Ah,同一個蓄電池也可以標12Ah和14Ah。再比如,14Ah的許電車也可以標為17Ah。還有一些蓄電池標為20Ah,蓄電池容量標稱值大了,但是其容量沒有明顯的變化。

(3)內(nèi)組

蓄電池的內(nèi)阻是指電流流過蓄電池內(nèi)部時所受的阻力,鉛酸蓄電池的內(nèi)阻很小,需要用專門的儀器才可以測得到比較準確的結果。一般所指的蓄電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻,即蓄電池充滿電時的內(nèi)阻。與之對應的是放電態(tài)內(nèi)阻,并且不太穩(wěn)定。蓄電池的內(nèi)阻越大,蓄電池自身消耗掉的能量越多,其使用效率越低。內(nèi)阻很大的蓄電池在充電時發(fā)熱很厲害,使蓄電池的溫度急劇上升,對蓄電池和充電器的影響都很大。隨著蓄電池使用次數(shù)的增多,由于電解液的消耗及蓄電池內(nèi)部化學物質活性的降低,蓄電池的內(nèi)阻會有不同程度的增大,質量越差的蓄電池增大的越快。

蓄電池內(nèi)部阻抗會因放電量增加而增大,尤其是在放電終止時阻抗最大,主要因為放電的進行使得極板內(nèi)產(chǎn)生不良導體硫酸鉛以及電解液比重下降,故放電后務必馬上充電。若任其持續(xù)放電,則硫酸鉛形成安定的白色結晶(即硫化現(xiàn)象)后,即使充電,極板的活性物質亦無法恢復原狀,從而將縮短蓄電池的使用壽命。

溫度的下降將導致電解液流動性變差,極板收縮,化學變化遲緩,蓄電池內(nèi)阻增加。從30℃開始,若溫度下降1℃,容量將下降1%左右,其內(nèi)阻也有所增大。所以在嚴寒地區(qū),氣溫在-20℃以下時容量已下降至60%,內(nèi)阻增大,常感到蓄電池電力不足。在嚴寒地區(qū)易出現(xiàn)過量放電,而在溫帶地區(qū)則經(jīng)常出現(xiàn)過量充電的問題。所以要使用好蓄電池,必須根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件,針對實際情況,掌握其使用規(guī)律。蓄電池的充電必須根據(jù)不同情況選擇適當?shù)姆椒ú⒄_的使用充電設備,這樣才能提高蓄電池的容量,延長蓄電池的使用壽命。鉛酸蓄電池的內(nèi)阻與鎳氫蓄電池及鋰離子蓄電池相比較小,即蓄電池容量下降2/3后,仍能提供較大的電流,而電源電壓基本穩(wěn)定,波動較小。而鎳氫蓄電池及鋰離子蓄電池就不同了。以36V/9Ah鋰離子蓄電池為例,當容量下降到原來的1/3后,電流輸出為12A時,電壓就會有4~5V的波動,即有電流輸出時為31V,無電流輸出時接近35V。這樣在電動自行車應用中,騎行時會出現(xiàn)運行不平穩(wěn),時而有輸出時而無輸出的現(xiàn)象。

(4)循環(huán)壽命

循環(huán)壽命是指蓄電池可經(jīng)歷的重復充放電次數(shù)。蓄電池的壽命和容量成反比關系,循環(huán)壽命還與充放電條件密切相關,一般充電電流越大(充電速度越快),循環(huán)壽命越短。壽命是表示蓄電池容量衰減速度的一項指標,隨著使用的深入,蓄電池容量的衰減是不可避免的,當容量衰減到某規(guī)定值時,可以判定壽命終結。按照新制定的電動自行車蓄電池標準,一定容量70%充放電循環(huán)次數(shù)來表示蓄電池的壽命,合格底線為350次。因此,對于日常交通距離小于30km的用戶而言,若電機、控制器、充電器等都是良好的,使用方法正確,一組較好的蓄電池的最短服役時間達到一年以上應該是可以保證的。

容量和壽命是衡量蓄電池性能的主要指標,容量一般以Ah為單位,表明蓄電池儲備能量的能力。例如一個標稱容量為12Ah的蓄電池,則必須達到以6A放電,放至終止電壓3105V(36V)的時間應不小于2h的水平。將這種蓄電池用于電動自行車,載重75kg,在平坦路面上騎行,工作電流約為4A,放電時間應大于3h,時速為20km,那么它的理論續(xù)行里程將達到50km。若考慮途中剎車、啟動等因素,采用這種蓄電池的電動自行車的續(xù)行里程可達到40~50km。

一般來說,放電電流越大,蓄電池的壽命越短;放電深度越深,蓄電池的壽命也越短。

鉛酸蓄電池可以應付短時間的大電流放電,這時候放電深度不深。小電流放電時,即便放電深度稍微深一些,對蓄電池的壽命影響也不大。蓄電池最怕連續(xù)大電流深度放電。

影響鉛酸蓄電池壽命的因素有極板的內(nèi)在因素,諸如活性物質的組成、晶型、孔隙率、極板尺寸、板柵材料和結構等;也取決于一系列外在因素,如放電電流密度、電解液濃度和溫度、放電深度、維護狀況和儲存時間等。

①放電深度。放電深度即使用過程中放電到何程度時開始停止,100%深度指放出全部容量。鉛酸蓄電池的壽命受放電深度的影響很大。設計造型時重點要考慮的深循環(huán)使用,則鉛酸蓄電池會很快失效。

因為正極活性物質二氧化鉛本身互相結合就不牢,放電時生成硫酸鉛,充電時又恢復為二氧化鉛,硫酸鉛的摩爾體積比氧化鉛大,則放電時活性物質體積膨脹。1mo1氧化鉛轉化為1mo1硫酸鉛時,體積增加95%。這樣反復收縮和膨脹,就會使二氧化鉛粒子之間的相互結合逐漸松弛,易于脫落。若1mo1二氧化鉛的活性物質只有2220%放電,則收縮、膨脹的過程就大大降低,結合力破壞變緩,因此,放電深度越深,其循環(huán)壽命越短。

②過充電程度。過充電時有大量氣體析出,這時正極板活性物質遭受氣體的沖擊,這種沖擊會促進活性物質脫落。此外,正極柵合金也遭受嚴重的陽極氧化而腐蝕,所以蓄電池過充電時會使蓄電池的使用壽命縮短。

③溫度的影響。鉛酸蓄電池的壽命隨溫度升高而延長。在10℃~35℃之間,溫度每升高1℃,增加5~6個循環(huán);在35℃~45℃之間,溫度每升高1℃,可延長壽命25個循環(huán)以上;溫度高于50℃,則因負極硫化容量損失而縮短了壽命。

蓄電池的壽命在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而延長,這是因為容量隨溫度升高而增大。

如果放電容量不變,則在溫度升高時其放電深度降低,而使壽命延長。

④硫酸濃度的影響。硫酸濃度的增大,雖對正極板容量有利,但蓄電池的自放電增加板柵的腐蝕加速,也促使二氧化鉛松散脫落。隨著蓄電池中硫酸濃度的增大,循環(huán)壽命將縮短。

⑤放電電流密度的影響。隨著放電電流密度的增大蓄電池的壽命將縮短,因為在大電流密度和高硫酸濃度條件下,正極二氧化鉛易松散脫落。

(5)荷電保持能力

蓄電池荷電保持能力是指在開路狀態(tài)下,蓄電池儲存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。自放電主要是由蓄電池材料、制作工藝、儲存條件等多反面的因素決定的。通常溫度越高,自放電率越大。蓄電池有一定程度的自放電屬于正?,F(xiàn)象。經(jīng)充電的蓄電池在存放過程中,其容量會因內(nèi)部的自行放電而逐漸減小,其原因是被充電的陰極活性物質和硫酸起了反應,生產(chǎn)氫氣而失電。一般在溫度越高和比重越大時,自放電量也越大。在正常情況下,蓄電池每存放一天,容量減小2%左右,超過此值則屬不正常。造成蓄電池自行放電的主要原因是電解液不純凈或單體蓄電池內(nèi)電解液中硫酸的濃度不均勻,特別是電解液中的硫酸下沉,出現(xiàn)上下濃度差時,就會使極板產(chǎn)生電位差而引起自行放電。

(6)高放電性能

高率放電性能即大電流放電能力,主要和蓄電池的材料及制作工藝有關。蓄電池電解液的比重幾乎與放電量成正比例。因此,根據(jù)蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重,即可推算出蓄電池的放電量。測定鉛酸蓄電池電解液比重是得知放電量的最佳方式。測量電解液比重時,須使用吸收式比重計將電解液緩緩吸入外筒,從浮標的刻度即可測知比重。鉛酸蓄電池的電解液比重會隨溫度變化而變化,電解液比重以20℃時的比重為標準,因此比重計上的讀數(shù)必須換算為20℃時的標準比重。比溫度變化1℃時,則比重變化0.0007,因此,在測量比重的同時必須測量溫度,測溫時應使用棒狀酒精溫度計。若在溫度t時所測的比重為st,則可以下式換算標準溫度(20℃)時的比重s20。

S20=St+0.0007(-20)式中:S20為換算到20℃時的比重;St為溫度t時所測的比重;t為電解液的實際溫度。例如:20℃時比重為1.280,在10℃時變?yōu)?.287,30℃時變成1.273。

(7)蓄電池的額定電壓

國家標準規(guī)定的蓄電池電壓值為額定電壓,用V表示。鉛酸蓄電池每格電壓值為2V,蓄電池電壓是把3格隔槽(約2.1V)串聯(lián)在一起而構成6.3V(標稱為6V的蓄電池),串聯(lián)6格就為12.6V(標稱為12V的蓄電池)。該電壓值是在完全充電的狀態(tài)下且端子間沒構成電路時的電壓(開路電壓)。蓄電池的電動勢和硫酸濃度成正比,并受溫度影響。放電時的電壓與放電電流和蓄電池內(nèi)阻有關,放電電流越大,電壓下降的越多。放電到oV后,即使再充電也不能恢復原來的性能。所以,依放電電流的多少規(guī)定了相應的停止放電電壓,以避免放電至低于該電壓。另外,按規(guī)定放電到停止電壓后擱置一段時間,其開路電壓便恢復到和硫酸濃度相應的電壓。

市場上的電動自行車蓄電池單體電壓只有6V或12v,而大部分電動自行車用的蓄電池為36V,則需由6只6V蓄電池3只12V蓄電池串聯(lián)形成蓄電池組。蓄電池組工作電壓是指蓄電池組實際輸出電能時的電壓值,36V蓄電池組的工作電壓一般在41~31.5V之間,電壓低于31.5v時稱為過放電或欠壓,容易損壞蓄電池組,影響蓄電池的使用壽命。

(8)電解液

電解液是由高純度硫酸和純水組成的無色透明的稀硫酸,它和陰、陽極板起化學作用,把化學能轉化成電能,同時在蓄電池內(nèi)部起導電作用。電解液的比重在標準溫度20℃下定位1.28。

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