侯世亮

摘 要：闡述了閥控鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)與放電強(qiáng)度及放電時(shí)間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池工作原理、負(fù)極鈍化機(jī)理，以及放電電流、放電溫度對(duì)放電容量等的影響等方面的說(shuō)明，來(lái)分析閥控鉛酸蓄電池的放電特性。

關(guān)鍵詞：蓄電池；放電特性；負(fù)極鈍化

目前，電動(dòng)車(chē)使用量最大的就是閥控密封式鉛酸蓄電池，此外還有鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、聚合物鋰電池、鋅空電池、燃料電池等。鉛酸蓄電池作為最主要的儲(chǔ)能設(shè)備，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也得到了顯著發(fā)展。廠家在不斷增加蓄電池容量的同時(shí)，對(duì)其基本特性——在各種放電制下放電時(shí)容量C（Ah）或放電時(shí)間t與電壓（V）變化的關(guān)系的研究也越來(lái)越重視。閥控鉛酸蓄電池的放電過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)非線性過(guò)程，對(duì)其放電過(guò)程的物理化學(xué)反應(yīng)的研究有利于改善其放電及使用性能。

一、鉛酸蓄電池放電原理

鉛酸蓄電池的放電和充電的電極反應(yīng)可以用雙極硫酸鹽理論來(lái)描述：

式中，aH2SO4為硫酸的活度；aH2O為水的活度；φ°為電極標(biāo)準(zhǔn)電位。因此，鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)除了與標(biāo)準(zhǔn)電位φ°有關(guān)外，還與硫酸的濃度和環(huán)境溫度有很大關(guān)系。

二、負(fù)極鈍化機(jī)理

鉛在硫酸溶液中的陽(yáng)極氧化，在一定條件下發(fā)生鈍化，結(jié)果導(dǎo)致輸出容量的降低，降低的程度依賴(lài)于放電時(shí)的溫度、硫酸的濃度以及放電的電流密度。

可以用圖1的簡(jiǎn)單模型表示放電鈍化機(jī)理，活性物質(zhì)PbO2以顆粒的形式存在，在低倍率放電時(shí)，顆粒內(nèi)部均勻生成晶核，這樣PbO2能夠較完全地轉(zhuǎn)化為PbSO4，而在高倍率下PbSO4覆蓋在PbO2顆粒表面，阻擋了顆粒內(nèi)部的PbO2轉(zhuǎn)化為PbSO4。

放電過(guò)程中因?yàn)橛薪Y(jié)晶的存在，在高電流密度放電時(shí)，就意味著在很短的時(shí)間內(nèi)有大量的鉛離子轉(zhuǎn)入溶液，而形成新的晶核需要有一個(gè)誘導(dǎo)時(shí)間，于是在這個(gè)短時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成較大的過(guò)飽和度，與電流密度相比，就能夠形成數(shù)量較多的和尺寸較小的結(jié)晶核，從而導(dǎo)致生成致密的硫酸鉛層而鈍化。

三、放電電流的影響

由于鈍化機(jī)理的作用，蓄電池的放電輸出電壓和容量受放電電流大小的影響。圖2和圖3分別為風(fēng)帆6-QW-54和風(fēng)帆6-QW-100在不同電流下的放電曲線。

可以看出，對(duì)于同樣的完全充電的電池，在相同的溫度下，采用不同倍率的放電電流，其放電輸出電壓幅值有很大的差別。

根據(jù)不同使用需要所設(shè)計(jì)的蓄電池的輸出曲線會(huì)有差別，起動(dòng)使用的蓄電池一般設(shè)計(jì)工作在低倍率，大多為0.05C，其輸出容量與電流的變化關(guān)系不大。

電動(dòng)車(chē)電源一般是中低倍率放電，其電池往往只維持3個(gè)小時(shí)甚至更短，電池工作在0.5C倍率附近，而且負(fù)載的功率范圍隨機(jī)性很大，由于高倍率下的以鈍化為主的電池內(nèi)部反應(yīng)的存在，使得高倍率下的輸出容量出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。

四、放電溫度的影響

VRLA蓄電池放電容量與溫度的關(guān)系密切。首先，溫度的影響在于促使鉛負(fù)極的鈍化；更重要的是電解液的電阻明顯增加，電解液的黏度增加，導(dǎo)致硫酸的擴(kuò)散速度或電解液在活性物質(zhì)孔隙中流動(dòng)能力下降，這時(shí)的液相傳質(zhì)過(guò)程成為電極反應(yīng)的主要限制因素。

我們可以用電池容量溫度系數(shù)的概念來(lái)表征溫度的影響。容量的溫度系數(shù)即溫度每下降1 ℃時(shí)，容量相對(duì)于25 ℃時(shí)下降的百分?jǐn)?shù)。溫度的影響在高速率放電制下尤為明顯。圖4是某種電池放電輸出容量與電池溫度的關(guān)系。在20 ℃以上能輸出100%的容量，而在低溫下輸出容量明顯下降。

本文通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池放電數(shù)據(jù)的分析，確定了放電電流和溫度對(duì)蓄電池放電容量的影響。從分析數(shù)據(jù)中可以看出，在5 ℃～40 ℃范圍內(nèi)，蓄電池具有良好的放電性能；而較小的放電倍率也利于蓄電池容量的釋放。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡信國(guó)，毛賢仙.閥控式密封鉛酸蓄電池的最新進(jìn)展.電源技術(shù)，2000，24（4）：230-237.

（作者單位 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系）