蓄电池充放电原理及其相关知识点

1、1蓄电池的发展背景在全球能源危机和环境污染的背景下，电力储能在基于可再生能源的分布式发电系统和电动汽车中发挥着越来越重要的作用。要大力发展新能源，储能技术是关键。储能技术引起了各国的重视，并得到了广泛的关注。我国汽车产业的高速发展，给蓄电池行业带来空前的机遇。汽车业“十二五”规划的提出，在未来五年里，国家将大力扶持传统燃料的节能环保汽车、以纯电动车为主的新能源汽车。十二五计划提出，一是要大力发展新兴能源产业，加快核电建设，大力发展风能、太阳能和生物质能，改善城乡居民的用电条件，加强广大农村地区的能源建设。在第三次中美战略与经济对话上，中美双方就能源合作达成了多项共识，将深入开展清洁能源的生产和存储、智能电网技术、大规模风电开发以及高效能源解决方案等方面的务实合作。这一合作的建立，意味这中国相关企业将有可能打开美国能源市场。中美新能源合作带来大机遇，蓄电池行业潜力大。2蓄电池的基本概念 （1）蓄电池定义： 蓄电池(Storage Battery)是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它

2、的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。它用填满海绵状铅的铅基板栅（又称格子体）作负极，填满二氧化铅的铅基板栅作正极，并用密度1.26-1.33g/mlg/ml的稀硫酸作电解质。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，生成硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，生成硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成单质铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电，它的单体电压是2V，电池是由一个或多个单体构成的电池组，简称蓄电池，最常见的是6V、12V蓄电池，其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。如汽车上用的蓄电池（俗称电瓶）是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。对于传统的干荷铅蓄电池（如汽车干荷电池、摩托车干荷电池等）在使用一段时间后要补充蒸馏水，使稀硫酸电解液保持1.28g/ml左右的密度；其使用直到寿命终止都不再需要添加蒸馏水。 （2）电池电压： a 开路电压：电池在开路状态下的端电压。 b 工作电压：电池接通负荷后在放电过程中显示的电压。工作电

3、压与放电条件有关，放电电流越大，工作电压越低；温度越低，工作电压越低。 （3）电池的容量：通常电源设备的容量用KvA或kW来表示。然而，作为电源的VRLA电池，选用安时（Ah）表示其容量则更为准确，蓄电池容量定义为t0tdt，理论上t可以趋于无穷，但实际上当电池放电低于终止电压明仍继续放电，这可能损坏电池，故t值有限制，电池行业中，以小时（h）表示电池的可持续放电时间，觉的有C24、C20、C10、C8、C3、C1等标称容量值。小电池的标称容量以毫安时（mAh）计，大电池的标称容量则以安时（Ah）、千安时（kAh）计，电信工业常取C10、C8等标称容量值。例如，常见的Deka电池12AVR100SH为12V单体，100 Ah容量，即可持续放电10h，电流为10A,共放出安时数为10*10=100 Ah（实际测试中，为使电流值保持恒稳，当电压变化时，应调整外电路负载，以便计量）a 电池的理论容量：活性物质按法拉第定律而得的最高理论值。例如铅酸蓄电池的电化当量对于Pb，4价为0.517 Ah/g，2价为0.259 Ah/g，对于Pb02，4价为0.488 Ah/g，2价为0.224 Ah/

4、g 。 b 电池的实际容量：电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电电流时间的成绩。实际容量取决于活性物质的量及利用率，活性物质与铅板相关，但并不等同于铅重量，利用蓄与蓄电池极板的结构形式、放电电流的大小、温度、终止电压、原材料质量及制造工艺、技术和使用方法有关，而且是变化的，当今，已知单块极板最大容量为100 Ah/2V。c 电池的额定容量：又称为标称容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定条件下的最低限度的容量，例如，97 Ah电池标称100 Ah，而有些厂家的电池则是在使用几个循环之后，实际容量达到或超出标称容量。 正常情况下，三者的关系是：理论容量实际容量额定容量 （4）电池的内阻： 电流通过电池的内部时受到阻力，使电池的电压降低。电池的内阻不是常数，因为活性物质的组成、电解液温度和浓度都在不断的变化。内阻可分为欧姆内阻和极化阻，欧姆内阻符合欧姆定律；极化内阻随着放电流的增大而增大，但不是直线关系而是对数关系。 （5）充放电： a 充电：蓄电池从其化直流电源（如充电器）获得电能电做充电。 b 放电：蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。 c 浮充放电：蓄电池和

5、其他直流电源并联，对外电路输出电能叫做浮充放电，有不间断供电要求的设备，起备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。 （6）放电率： 放电率表示蓄电池放电电流大小，分为时间率和电流率，放电时间率指在一定放电枪兵上蓄电池放电至放电终止电压的时间长短，例如在25环境下如果蓄电池以电流It放电至放电终止电压的时间为t这一放电过程称为t小时率，放电It称为t小时率放电电流，IEC标准，放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率及分钟率，放电电流率是为了比较额定容量不同的蓄电池电流大小而设立的，t小时率放电电流以It表示，通常以10小时率电流为标准I10表示。a 自由放电率：由于电池的局部作用造成的电池容量的消耗，容量损失与搁置之前的容量之比，叫做蓄电池的自由放电率。 （7）放电终止电压：在25环境温度下以一定的放电率放电至能再反复充电使用的最低电压称为放电终止电压，一般10小时率蓄电池单体放电终止电压为1.8V,3小时率蓄电池单体放电终止电压为1.8V，1小时率芳电池单体放电终止电压为1.75V。 （8）电量效率：是指输出电量与输入电量之间的比叫做电池的电量效率，也叫做安时效率。 （9）使

6、用寿命：蓄电池每充电、放电一次，叫做一次充放电循环，蓄电池在保持输出一定的容量的情况下所能进行的充放电循环次数，叫做蓄电池的使用寿命。3 蓄电池的种类蓄电池的种类大致可以为：铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫蓄电池、镍锌蓄电池、锌空气蓄电池、飞轮电池。 （1）铅酸蓄电池：铅酸蓄电池的发展历史最久用于最广泛的一种电池，广泛用用于内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池，它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它也存在很大的缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高；属于强酸型，污染严重。（2）镍氢蓄电池：镍氢蓄电池属于碱性电池，镍氢蓄电池循环使用寿命较长，无记忆效应，但价格较高。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie、丰田和松下的一个合资公司。Ovonie现有80Ah和130Ah两种单元电池，其比能量达7580Wh/kg，循环使用寿命超过600次。这种蓄

7、电池装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345km，有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。国内已开发出55Ah和100Ah 单元电池，比能量达65 Wh/kg，功率密度大于800W/kg的镍氢蓄电池。（3）锂离子电池：锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其独特的物理和电化学性能，具有广泛的民用（如手机电池）和国防应用的前景。其突出的特点是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍，是镍镉电池的4倍，并且目前人类只开发利用了其理论电量的20%30%，开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会对环境造成污染，是目前最佳的能应用到电动车上的电池。（4） 镍镉电池：镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55Wh/kg，比功率超过190W/kg。可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的45倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应

8、”，容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小。须在使用十次左右后，作一次完全充放电，如果已经有了“记忆效应”，应连续作35次完全充放电，以释放记忆。另外镉有毒，使用中要注意做好回收工作，以免镉造成环境污染。 （5）钠硫蓄电池：钠硫电池的优点：一个是比能量高。其理论比能量为760Wh/kg，实际已大于100Wh/kg，是铅酸电池的34倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200300mA/mm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100。钠硫电池缺点，主要其工作温度在300350，所以，电池工作时需要一定的加热保温。而高温腐蚀严重，电池寿命较短。现在已有采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。在8090年代，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下（如电站储能）应用，并越来越显示其优越性。 （6）镍锌蓄电池：新型密封镍锌电池具有高质量能、高质量功率和大电流放电的优势。这种优势使得镍锌电池能够满足电动车辆在一次充

9、电行程、爬坡和加速等方面对能量的需求。镍锌电池是美国国家能源研究公司(ERC)开发和生产的产品，厦门电池总厂已与其合作引进此产品。镍锌电池是极具竞争力的电池。其优点：是其比能量达到50Wh/k以上，体积能量已超过镍镉电池，小于镍氢电池。大电流放电，电池的电压将在宽广的范围是平衡的，且具很长的使用寿命，循环寿命500次。充电时间3.5h，快速充电1h。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性十分好，在室温下一个月，自放电量不到30%额定电荷量。在50高温，以C/3放电，电池电荷量衰减10%额定电荷量，而在15，C/3放电30%。镍锌电池与铅酸电池外廓上具有很好的兼容性，凡现在应用铅酸电池的车辆，均可换用镍锌电池。从现在的价格看，镍锌还显稍贵些，但相信待其应用量上去后，价格自然会降下来。与铅酸电池外形轮廓的兼容性，使镍锌电池更方便替代铅酸电池而成为电动车理想动力电源。 （7）锌空气蓄电池：锌空气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池比能理论值是1350Wh/kg，现在的比能量已达到了230Wh/kg，几乎是铅酸电池的8倍。可见锌空气电池的发展空间非常大。锌空气电池只能采取抽换锌电极的办法进行“机械式充电”。更换电极的时间在3min即可完成。换上新的锌电极，“充电”时间极短，非常方便。如此种电池得到发展，省去了充电站等社会保障设施的兴建。锌电极可在超市、电池经营点、汽配商店等购买，对普及此电池电动车十分有利。这种电池具有体积小，电荷容量大，质量小，能在宽广的温度范围内正常工作，且无腐蚀，工作安全可靠，成本低廉等优点。现在试验电池的电荷容量仅是铅酸电池的5倍，不甚理想。但5倍于铅酸电池的电荷量已引起了世人的关注，美国、墨西哥，新加坡及一些欧洲国家都已在邮政车、公共汽车、摩托车上进行试用，也是一极有前途的电动车用电池。（8）飞轮电池：飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储

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