《汽车电器与电子设备》课件-(广科大玉洁)第一章-蓄电池(2013)

1、课程概况,汽车的常用电器设备（电源系统、用电设备）构造、工作原理、性能的基本知识,主要内容：,相关课程：,与本课程相关的先导课程包括电工学、汽车构造等，后续相关课程有汽车电子、汽车故障诊断与维修等,相关教材：,1、汽车电器及电子设备 古永棋 重庆大学出版社,汽车电气特点,汽车电气具有以下四个特点： （1）低压。 （2）直流。 （3）单线制。 （4）负极搭铁。,第一章 蓄电池,本章主要内容,主要内容： 1、蓄电池的结构与型号； 2、工作原理和工作特性、容量及其影响因素； 3、充电方法、使用与维护、蓄电池技术状况的检测等,汽车电源系统由蓄电池、发电机和调节器组成。在汽车上，蓄电池和发电机并联工作，发电机是汽车的主要电源，蓄电池是辅助电源。,电池的简介,电池的简介,蓄电池的作用,汽车并联电路,（1）发动机起动时，向起动机和点火系统供电。 （2）发动机低速运转、发电机不发电或电压较低时，向用电设备和交流发电机磁场绕组供电。 （3）发动机中高速运转、发电机正常供电时，将发电机剩余电能转换为化学能储存起来。 （4）发电机过载时，协助发电机向用电设备供电。 （5）蓄电池相当于一只大容量电容器，不仅能

2、够保持汽车电气系统的电压稳定，而且还能吸收电路中出现的瞬时过电压，保护电子元件不被损坏。,作用：,主要要求：容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。,第一节 蓄电池的构造与型号,一、铅蓄电池的构造 汽车蓄电池是由612个单格电池串联组成 组成部件： 1、极板及极板组 2、隔板 3、电解液 4、联条,1、极板（Grids）和极板组,1、极板 极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质构成。,极板,极板组（增大容量）,（1）、栅架的结构,栅架由铅合金制成的网架形式，一般在铅中加入少量的锑（改善机械强度与浇注性能），近年来为了改善蓄电池的自放电性能，而在铅中加入少量的钙。,结构 放射状结构：利于大电流放电 栅格结构：利于深度放电,厚度 薄板：大电流放电性能较好 厚板：浮充使用寿命较长,1、极板和极板组（续）,1、极板和极板组（续）,将二氧化铅与稀硫酸调成膏状，涂在栅架上，就成了正极板。呈棕红色；,将纯铅粉与稀硫酸调成膏状涂在栅架上，就成了负极板。呈青灰色。,Negative paste（负极铅膏）,Positive paste（正极铅膏）,(2)、极 板 组,为了增大蓄电池容量将多片

3、正极板（4-13片）和多片负极板（5-14片）分别并联，用横板焊接组成正、负极板组。横板上连有电桩,1、安装时，正负极板相互嵌合，之间插入隔板，用极板连接条将所有的正极和所有的负极分别连接，如此组装起来，便形成单格蓄电池。 2、单格电池中负极板的数目比正极板多一块。,1、极板和极板组（续）,2、隔板（Separator）,（1）隔板的作用： 保持正负极板绝缘 防止铅枝短路（Dendrite Shorts） 吸附、保持电解液 气体通道 压紧活性物质，延缓活物质脱落,（2）隔板常用材料：,隔板材料 孔隙度 孔隙尺寸m 内阻/cm2 微孔PVC 80 3 0.18 微孔隙聚乙烯 63 1 0.15 无纺聚乙烯 60 12 0.21 无纺玻璃棉 65 20 0.18 微细玻璃纤维棉 90 24 0.1 (AGM),（3）隔板的安装方法： 装入时，沟槽面应竖直对向正极板。这样，可使正极板在化学反应时，得到更多的电解液而反应充分。此外，在蓄电池充电时生成的气泡可随槽上升，脱落的活性物质则会沿槽下沉。,2、隔板（续）,3、电解液（Electrolyte）,（1）电解液的作用： 电解液是蓄电池内部发生

4、化学反应的主要物质。 （2）电解液的成份： 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。,JB/T 10052-2010铅酸蓄电池用电解液,HG/T 2692-2007蓄电池用硫酸,JB/T 10053-2010铅酸蓄电池用水,3、电解液（续）,电解液对蓄电池性能的影响 电解液既为导电物质又参与化学反应 电解液比重（Specific Gravity）与电池开路电压（Open circuit voltage）关系 ： OCVSG + 0.84 SG 影响充电电压大小、电池“放电性能” SG 影响电解液冰点（ SG=1.300，冰点： -68. 9 ） SG 影响板栅腐蚀速度,4、外壳（Container）,是盛放正、负极板和电解液等的容器。是由PP塑料、橡胶等材料制成，,常用材料 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS） 聚丙烯（Polypropylene-PP）,PP,ABS,外壳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。,4、外壳（续）,4、外壳（续）

5、-技术状况指示装置,5、联条,铅连接条：各单格电池为串联连接，一个单格电池的正极桩与另一个单格电池的负极桩用联条焊接,由铅锑合金制成。 连接方式： 1、外露式 2、跨桥式 3、穿壁式,5、联条,单格电池的连接方式,5、联条（穿壁式）,二 蓄电池型号,蓄电池的型号标示 例如：3-Q-90 表示：由3个单格组成，额定容量为90A.h，起动型铅蓄电池。 其他型号举例：P5表1-2,蓄电池型号由三部分组成，各部分之间用破折号分开，其内容及排列如图,按我国有关标准规定主要蓄电池系列,6-QA-105G是什么电池？,选择蓄电池时，根据GB5008.2-2013起动用铅酸蓄电池第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记规定选用,第二节、蓄电池的工作原理,一 、蓄电池的工作原理,1、蓄电池的基本工作原理-化学反应,说明： 蓄电池中参与化学反应的物质： 正极板： PbO2 ；负极板： Pb ；电解液：硫酸水溶液 放电：正极板的PbO2和负极板的Pb 生成PbSO4 电解液中的H2SO4减少，密度下降。 充电：正极板的PbSO4恢复为PbO2 ；负极板的PbSO4恢复为Pb 。电解液中的H2SO4增加，密度下

6、降。,二、放电过程,1、电动势的建立 当两极板放置在浓度为27%37%的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质氢氧化铅Pb（OH）4）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根4（OH）-组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。,蓄电池的电动势（静止电动势）大约为2伏。,二、放电过程（续）,分析：为何蓄电池的静止电动势为2伏？ 正极板处：当正极板浸入电解液中时，少量的PbO2溶入电 解液中，与水生成Pb(OH)4 ，再分解成四价铅离子和氢氧根离子。,有沉附在极板上，使极板带正电 有与溶液中 OH-的结合生成Pb(OH)4的倾向，,Pb4+,当两者达到动平衡时，正极板的电位约为+2V,二、放电过程（续）,负极板

7、处： 金属Pb受到两方面的作用 当两者达到动态平衡时，极板的电极电位约为：-0.1V 结论：一个充足电的蓄电池(单格)的静止电动势E0约为2.1V。实际测定结果为E0 =2.044V,当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。,二、放电过程（续）,二、放电过程（续）,若将蓄电池与外电路的负荷接通，电动势使电路内产生电流。电子e从负极板经过外电路负荷流向正极板。 正极板处： Pb4+ 2e Pb2+ Pb2+ SO42- PbSO4（沉附在正极板上） 负极板处： Pb2+ SO42- PbSO4 （沉附在负极板上） Pb Pb2+ +2e (Pb继续溶解) 外部电路继续流通，正负极板上的活性物质PbO2 和

8、Pb不断转化为PbSO4， 电解液中的硫酸逐渐减少。水增多。,二、放电过程（续）,三、充电过程,2e,放电 状态,溶解 电离,输入 电流,充电后生成物,正极板,负极板,PbSO4,Pb,PbO2,2H2SO4,Pb2+ SO42-,Pb4+,电解液,充电电源,PbSO4,2 H2O,SO42- +Pb2+,2e,2 H2O,2e,三、充电过程(续）,若将蓄电池直流电源接通，当电源电压高于蓄电池的电动势时，电源力使电子e从正极板经过外电路流向负极板。 正极板处： PbSO4 Pb2+ SO42- Pb2+- 2e Pb4+ Pb2+ 2SO42- PbSO4 PbSO4+2H2O PbO2 +2H2SO4 负极板处： PbSO4 Pb2+ SO42- Pb2+ + 2e Pb SO42-+2H+ H2SO4,四、蓄电池的工作过程总结,1、蓄电池对外既不充电也不放电（不工作）时的静止电动势大约为2伏 2、放电过程： 将蓄电池的化学能转化为电能的的过程 放电过程中，正负极板上PbO2 PbSO4 负极板上 Pb PbSO4 电解液PbSO4 H2O 可以通过测量电解液密度来判断蓄电池的充放电

9、程度。 蓄电池放电终了，极板上尚有70%-80%的活性物质没有起作用，应该充分提高极板活性物质的利用率。,活性物质减少,密度下降,四、蓄电池的工作过程总结（续）,3、充电过程： 将蓄电池的电能转化为化学能的过程 放电过程中，正极板上PbSO4 还原为PbO2 负极板上 PbSO4还原为Pb 电解液PbSO4 增多H2O减少（密度增加） 充电一直进行到极板上的活性物质完全恢复到放电前的状态为止。如果继续充电，将引起水电解，放出大量气泡。,第三节 蓄电池的工作特性,蓄电池的工作特性：蓄电池的静止电动势、内阻和充放电特性的变化规律。,蓄电池的技术参数主要包括： 蓄电池的静止电动势 蓄电池的内阻 放电特性 充电特性,一、蓄电池的工作特性1,1、静止电动势 静止电动势是指蓄电池在静止状态(不充电也不放电)，正负极板之间的电位差(即开路电压)，用E0表示。它的大小取决于电解液的相对密度和温度,E0 =0.84+25 25 -为25时的电解液的相对密度 E0 =1.97-2.15之间,二、蓄电池的工作特性2,2、内电阻 蓄电池的内电阻为极板电阻、电解液电阻、隔板电阻、连条和极柱电阻的总和，用R0表示。 蓄电池的内电阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同的条件下，内电阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。,三、蓄电池的工作特性3,3、蓄电池的放电特性,端电压,蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压和电解液相对密度随时间而变化的规律。 将完全充足电的蓄电池以20h放电率的电流进行放电，在放电过程中不断地调节外接的电位器，使放电电流保持稳定不变，每隔一定的时间，测量端电压和电解液密度，得到如图所示的放电特

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