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蓄電池構造及原理
來源:    發布時間: 2020-11-30 01:53   298 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px
重復放電時,電解液面會緩緩下降,因而定時檢視電解液液位,隨時彌補純水,以維持適當之液位,若因疏忽補水,而露出極板,則會傷害極板。

所謂蓄電池便是儲存化學bai能量,于必要時放du出電能的一種電氣化zhi學設備。構成鉛蓄電池之首要成dao份如下:
陽極板(過氧化鉛.PbO2)---> 活性物質
陰極板(海綿狀鉛.Pb) ---> 活性物質
電解液(稀硫酸) ---> 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O
電池外殼
阻隔板
其它(液口栓.蓋子等)
一、鉛蓄電池之原理與動作
鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,南北極間會產生2V的電力,這是依據鉛蓄電池原理,經由充放電,則陰陽極及電解液即會產生如下的改變:
(陽極) (電解液) (陰極)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反響)
(過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)
(陽極) (電解液) (陰極)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反響)
(硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)
1. 放電中的化學改變
蓄電池銜接外部電路放電時,稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反響,生成新化合物『硫酸鉛』。經由放電硫酸成分從電解液中釋出,放電愈久,硫酸濃度愈稀薄。所耗費之成份與放電量成份額,只要測得電解液中的硫酸濃度,亦即測其比重,即可得知放電量或剩余電量。
2. 充電中的化學改變
因為放電時在陽極板,陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解復原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因而電池內電解液的濃度逐漸添加, 亦即電解液之比重上升,并逐漸回復到放電前的濃度,這種改變顯示出蓄電池中的活性物質已復原到可以再度供電的狀況,當南北極的硫酸鉛被復原成原來的活性物質時,即等于充電完畢,而陰極板就產生氫,陽極板則產生氧,充電到最后階段時,電流簡直都用在水的電解,因而電解液會削減,此時應以純水彌補之。
二、電動車用蓄電池的結構
電動車用蓄電池,有必要具備以下條件:
◎ 高性能
◎ 耐震.耐沖擊
◎ 壽數長
◎ 保養容易
因為玻璃纖維管式鉛蓄電池是累積多次實驗成果而制成,故具有多項長處。
1.極板
依據蓄電池容量挑選適當規范極板及數量組合而成。于充放電時,南北極活性物質跟著體積的改變而重復膨脹與縮短。南北極活性物質中,陰極板之海綿狀鉛的結合力較強,而陽極板之過氧化鉛的結合力弱,因而在充放電之際,會徐徐掉落,此即為鉛蓄電池壽數受到限制的原因。期使蓄電池運用期限延伸,能耐震并耐沖擊,則陽極板的改進即成當急要務。
玻璃纖維管式的陽極板: 此乃以玻璃纖維制的軟管接在鉛合金制的櫛狀格子(蕊金)上,在軟管和蕊金間充填鉛粉之后,將軟管密封,使其產生改變,產生活性化物質,因為活性化物質不會掉落,與電解液觸摸亦杰出,是一種非常好的極板資料。運用具有這種極板的蓄電池是電動車唯一的挑選??椩焓杰浌苣艘?microm(μ)的玻璃纖維編成管袋狀,彈性好,可耐膨脹或縮短,而且對電解液的浸透度也非常杰出,此軟管乃是最佳產品,長久以來,實用績效杰出。
糊狀式極板: 就是將稀硫酸煉制之糊狀鉛粉涂覆在鉛合金制的格子上,俟其 枯燥后所構成之活性物質。這種方法一向被采用在鉛蓄電池的陰極板上,一起亦運用在汽車,小貨車的蓄電池陽極板上。
2.阻隔板
能防止陰、陽極板間產生短路,但不會妨礙南北極間離子的流通。而且經長時刻運用,也不會劣化,或釋放雜質。鉛蓄電池一般都運用膠質阻隔板。
3.電池外殼
耐酸性強,兼具機械性強度。電動車用的蓄電池外殼乃運用原料強韌之合成樹脂經特殊處理制成,其機械性強度特別強,上蓋亦運用相同原料,以熱熔接著。
4.電解液
電解液比重以20℃的值為規范,電動車用的蓄電池徹底充電時之電解液規范比重為1.280。
5.液口栓
液口栓的功能為排出充電時所產生的氣體及彌補純水,測定比重。
三、蓄電池的容量
電動車用蓄電池的容量以下列條件表明之:
◎ 電解液比值 1.280/20℃
◎ 放電電流 5小時的電流
◎ 放電終止電壓 1.70V/Cell
◎ 放電中的電解液溫度 30±2℃
1.放電中電壓下降
放電中端子電壓比放電前之無負載電壓(開路電壓)低,理由如下:
(1)V=E-I.R
V:端子電壓(V) I:放電電流(A)
E:開路電壓(V) R:內部阻抗(Ω)
(2)放電時,電解液比重下降,電壓也下降。
(3)放電時,電池內部阻抗即隨之增強,徹底充電時若為1倍,則當徹底放電時,即會增強2~3倍。
用于起重時之電瓶電壓之所以比用于行走時的電壓低,乃是因為起重用之油壓馬達比行走用之驅動馬達功率大,因而放電流大,則上式的I.R亦變大。
2.蓄電池之容量表明
在容量實驗中,放電率與容量的聯系如下:
5HR....1.7V/cell
3HR....1.65V/cell
1HR....1.55V/cell
嚴禁抵達上述電壓時還繼續繼續放電,放電愈深,電瓶內溫會升高,則活性物質劣化愈嚴重,從而縮短蓄電池壽數。
因而,堆高機無負重揚升時的電池電壓若已達1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v),則應停止運用,立刻充電。
3.蓄電池溫度與容量
當蓄電池溫度下降,則其容量亦會因以下理由而明顯削減。
(A)電解液不易分散,南北極活性物質的化學反響速率變慢。
(B)電解液之阻抗添加,電瓶電壓下降,蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而削減。
因而:
(1)冬天比夏季的運用時刻短。
(2)特別是運用于冷凍庫的蓄電池因為放電量大,而使一天的實踐運用時刻明顯減短。
若欲延伸運用時刻,則在冬天或是進入冷凍庫前,應先進步其溫度。
4.放電量與壽數
每日重復充放電以供運用時,則電池壽數將會因放電量的深淺,而受到影響。
5.放電量與比重
蓄電池之電解液比重簡直與放電量成份額。因而,依據蓄電池徹底放電時的比重及10%放電時的比重,即可計算出蓄電池的放電量。
測定鉛蓄電池之電解液比重為得知放電量的最佳方法。因而,定時性的測定運用后的比重,以防止過度放電,測比重的一起,亦側電解液的溫度,以20度C所換算出的比重,切勿使其降到80%放電量的數值以下。
6.放電狀況與內部阻抗
內部阻抗會因放電量添加而加大,特別放電結尾時,阻抗最大,主因為放電的進行使得極板內產生電流的不良導體—硫酸鉛及電解液比重的下降,都導致內部阻抗增強,故放電后,務必立刻充電,若任其繼續放電狀況,則硫酸鉛構成安靖的白色結晶后(此即文獻上所說的硫化現象),即便充電,極板的活性物資亦無法恢復原狀,而將縮短電瓶的運用年限。
★白色硫酸鉛化
蓄電池放電,則陰、陽極板一起產生硫酸鉛(PbS04),若任其繼續放電,不予充電,則最后會構成安靖的白色硫酸鉛結晶(即便再充電,亦難再恢復原來的活性物質)此狀況稱為白色硫化現象。
7.放電中的溫度
當電池過度放電,內部阻抗即明顯添加,因而蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高,會進步充電完成時溫度,因而,將放電終了時的溫度控制在40℃以下為最抱負。
四、充電的辦理
1.蓄電池的充電特性
蓄電池充電的端子電壓如下式表明
V= E+I.R,在此
E=電瓶電壓(V) I=充電電流(A) R=內部阻抗(Ω)
2.蓄電池溫度與壽數
蓄電池溫度(電解液溫度)升高,則陰陽極板上的活性物質即會劣化,并腐蝕陽極格子,而縮短電池壽數,相對的,電池溫度太低時,會使電池蓄電容量削減,容易過度放電,從而使電池壽數縮短。此種聯系也會因電池型式,極板原料而有改變。故應恪守下列之運用條件:
一般蓄電池之電解液溫度應維持在15~55℃為抱負運用狀況,不得已的情況下,也不可超越放電時-15~55℃,充電時0~60℃的規模。實踐運用時,因為充電時溫度會上升,因而,放電終了時之電解液溫度以維持在40℃以下為最抱負。
3.充電量與壽數
蓄電池所須之充電量為放電量的110~120%.放電量與蓄電池壽數具密切聯系,假定充電量為放電量120%時的電池,運用壽數為1200回(4年),則當電池的充電量達放電量之150%時,則可計算該電池的壽數為:
1200回×120/150=960回(3.2年)
又,此150%的充電,迫使水被分解產生氣體,電解液遽減,將使充電結尾的溫度上升,成果溫度上升形成耐用年限縮短。此外,充電缺乏即又重復放電運用,則會嚴重影響電池壽數。
◎ 堆高機舉重時,若電池溫度保持在10~40℃之間,其充電量亦維持在110~120%者,最能延伸電池壽數,此時充電完成之比重,其20℃換算值約為1.28。
4.氣體的產生與通風換氣
充電中產生的氣體為氧與氫的混合氣,氫氣具爆炸性,若空氣中氫氣達3.8%以上,且又近火源,則會產生爆炸。充電場所有必要通風杰出,注意遠離火源,防止觸電。
五、電解液之辦理
1.比重測定
丈量比重時,須運用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒,從浮標之刻度即可測知比重。
鉛蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而改變,電解液比重乃以攝氏20度時的比重為規范,因而比重計上的讀數,有必要換算為攝氏20度時之規范比重。當溫度改變攝氏一度時,則比重即改變0.0007,因而,在丈量比重的一起,有必要丈量溫度,測溫時,請運用棒狀酒精溫度計。
該溫度t℃時所測之比重為St,則以下式換算規范溫度20℃時之比重S20,
S20=St+0.0007(t-20)
S20...為換算成20℃時的比重
St....為t℃時所測之比重
t.....為測得電解液之實踐攝氏溫度
例如:20℃時比重為1.280者,在10℃時變成1.287;30℃時,變成1.273。
2.純水之彌補
重復放電時,電解液面會緩緩下降,因而定時檢視電解液液位,隨時彌補純水,以維持適當之液位,若因疏忽補水,而露出極板,則會傷害極板。蓄電池用純水的規范按日本蓄電池工業會SBA4001的規則如下:
項目
單位
規范
濁度

無色通明
液性

中性
導電度
μυ/cm
10以下
氯(C1)
%
0.0001以下
鐵(Fe)
%
0.0001以下
硫酸根(SO4)
%
0.0001以下
強熱殘分
%
0.001以下
其它
%
0.005以下
3.電解液中的不純物與電池壽數
電解液中若含有硝酸、鹽酸、亞硫酸、鹽素、有機物等,則會腐蝕極板,加速縮短電池壽數,一起也會加速自我放電,此外,銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導致自我放電量添加。
蓄電池彌補液位時,一定要運用純水,用水沖刷電瓶時,一定要將電池帽蓋緊以防止沖刷用水流入電瓶內。
4.補水過多所形成的弊端
補水時若超越最高液面(參照第4-1)則充電時就會產生滿溢,而使稀硫酸成份流失,腐蝕電瓶箱,電解液比重偏低形成蓄電容量缺乏等。
六、其它
1.自我放電
蓄電池當其內部產生純化學反響,或因不純物污染形成電化學反響,或長久不用皆會耗電,此即稱為自我放電。自我放電之耗電程度乃視蓄電池結構溫度、比重、不純物,運用過等而有所不同,一般在一天內會放掉0.5~1%,蓄電池在運用前的保存期間就會自我放電,耗費蓄電量。
當蓄電池處于長期繼續放電狀況時,則一旦構成白色硫酸鉛化,則即便再充電,也無法恢復其容量。庫存期間務必每1個月就充電一次。
2.電瓶壽數終期的斷定
蓄電池到壽數終期,其容量就會削減,至于其容量在數字上退減的程度為何?則可依容量實驗測定之。
放電前有必要確認電池的比重與電壓已達最高值,然后再繼續充電1小時,才能徹底充電。
充電終期是將比重調整到1.28±0.01(20℃)液面亦維持在規則液面的規范。
放電開端時期:充電徹底放置1小時后。
放電電流:5HR規范容量的1/5(5HR400AH時固定電流為80A)
放電終止電壓:均勻1.7V/cell (24cell為40.8V,12cell 20.4V)
容量:放電電流×抵達終止電壓之前的放電時刻


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