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汽车电气技术（2）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）第二章汽车供电系统一、汽车供电系统及蓄电池的主要功用汽车供电系统的功用是向车载各用电设备提供电能，由蓄电池与发电机并联组成。蓄电池的主要功用是在起动发动机时向起动机及点火系统（汽油发动机）等提供电能。蓄电池还有以下这些功用：1)在发电机电压低或不发电（发动机怠速、停转）时，向车载用电设备供电。2)汽车上同时启用的用电设备功率超过了发电机的额定功率时，协助发电机供电。3)在其存电不足及发电机负载不多时，将发电机的电能转换为化学能储存起来。此外，蓄电池相当于一个大电容，可以吸收电路中的瞬变过电压，对汽车上的电气设备及电子元件起到保护作用。对汽车电子控制系统来说，蓄电池也是电子控制装置的不间断电源。当接通起动开关起动发动机时，蓄电池在3-5s内必须向起动机连续供给强大的电流（汽油发动机汽车一般为200-600A；柴油发动机汽车一般为800A以上）。由此可见，蓄电池的主要功用是起动发动机。根据蓄电池的工作特点，对汽车用蓄电池的主要要求是：容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。能满足发动机起动需要的蓄电池称之为起动型蓄电池，汽车上使用的就是起动型蓄电池。二、蓄电池的构造及工作原理１、汽车起动用铅酸蓄电池分类：（１）干式荷电蓄电池是指极板在干燥状态下，能在较长时间（一般为２年）内保存制造过程中所得电量的蓄电池，简称干荷电蓄电池。（２）免维护蓄电池是指蓄电池在有效使用期（一般为４年）内无需进行添加蒸馏水等维护工作的蓄电池，也称为无需维护蓄电池。2、蓄电池的构造1-正极板2-负极板3-肋条4-隔板5-护板6-封料7-负极柱8-加液孔盖9-连条10-正极柱11-极柱衬套12-蓄电池容器1-正极板2-负极板4-隔板（1）极板与极板组a）负极板组b）正极板组c）极板组嵌合情况1-汇流条2-负极板3-正极板4-极柱正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是纯铅（Pb），它们均由铅膏（铅粉、稀硫酸及少量添加剂的混合物）填充在用铅锑合金铸成的栅架上，经化成工艺（在蓄电池生产工艺中，对极板进行充电的过程称为“化成”，一般充电18-20h）处理而成的。在充足电的状态下，正极板呈深棕色，负极板呈深灰色。将一片正极板和一片负极板浸入电解液中，便可得到2V左右的电压。为了增大蓄电池的容量，将多片正极板和负极板各自用横板焊接并联起来，组成正极板组和负极板组。将正负极板相互嵌合（中间用隔板隔开）的极板组置于存有电解液的容器中，就构成了单格电池，单格电池的标称电压为2V。因此，一个12V的蓄电池由6个单格电池串联而成。12V电系汽车选用一只电池，24V电系汽车选用两只电池。目前，国内外都已采用厚1.1-1.5mm的薄型极板（正极板比负极板稍厚）。薄型极板对提高蓄电池的比能量（即单位质量所提供的容量）和起动性能都十分有利。12V蓄电池极板组的结构1-极柱2-电池槽3-间壁4-沉淀池壁5-汇流条6-极板组（2）隔板塑料隔板袋式隔板正、负极板应尽可能靠近，以减小蓄电池内阻和尺寸。隔板的功用是将正、负极板隔开，防止相邻正负极板接触而短路。隔板应具有多孔性，以便电解液渗透，还应具有良好的耐酸性和抗氧化性。微孔橡胶和微孔塑料隔板耐酸、耐高温性能好，寿命长，且成本低，因此目前广泛使用。安装隔板时，带槽一面应面向正极板，且沟槽必须与壳体底部垂直。因为正极板在充、放电过程中的化学反应剧烈，沟槽能使电解液上下直通，也能使气泡沿槽上升，还能使脱落的活性物质沿槽下沉。免维护蓄电池普遍采用了聚氯乙烯袋式隔板，正极板被隔板袋包住，脱落的活性物质保留在袋内，不仅可以防止极板短路，而且可以取消壳体底部凸起的肋条，使极板上部容积增大，从而增大电解液的储存量。（3）电解液电解液的作用是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应。电解液由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成，其相对密度一般为1.24-1.30。电解液纯度是影响蓄电池电气性能和使用寿命的重要因素。由于工业用硫酸和普通水中含铜、铁等杂质较多，会加速蓄电池自放电，所以不能用于蓄电池。（4）壳体壳体用于盛放电解液和极板组，蓄电池壳体由电池槽和电池盖两部分组成，壳内用间壁分成3个或6个互不相通的单格，底部的突棱用以搁置极板组，突棱间的凹槽则可积存从极板上脱落下的活性物质，以避免沉积的活性物质连接正、负极板而造成短路。对于采用袋式隔板的免维护蓄电池，因为脱落的活性物质存积在袋内，所以没有设制突棱。蓄电池各单格电池之间采用铅质连条串联连接。干荷电与免维护蓄电池普遍采用穿壁式点焊联接，所用连条尺寸很小，并设制在壳体内部。穿壁式连接结构1-间壁2-穿壁式连条3-蓄电池盖蓄电池壳体应耐酸、耐热、耐振动、耐冲击等。目前使用的干荷电与免维护蓄电池普遍采用聚丙烯透明塑料壳体，电池槽与电池盖之间采用热压工艺粘合为整体结构，不仅耐酸、耐热、耐振动冲击，而且壳壁薄而轻（厚约2mm），易于热封合，外形美观，成本低廉，生产效率高。单格电池的加液孔盖都设有一通气小孔，用于在蓄电池充电时及时排出因电解水而产生的氢气和氧气，以防止气体集聚而使其内部压力升高，造成胀裂容器甚至产生爆炸事故。如在孔盖上安装氧过滤器，还可以减少水蒸气的溢出，减少水的消耗。+=+=++=+++=+（5）蓄电池技术状态指示器目前，装备全密封型免维护蓄电池的轿车越来越多，这种蓄电池盖上没有加液孔，不能用普通密度计测量电解液的相对密度。为此，免维护蓄电池盖上设有一个蓄电池技术状态指示器来说明蓄电池的技术状况。a）指示器结构b）存电充足c）充电不足d）电解液不足1-透明塑料管2-指示器底座蓄电池技术状态指示器又称为内装式密度计，由透明塑料管、底座和颜色、密度不同的蓝、红两只小球组成，通过螺纹安装在蓄电池盖上。两只小球安放在塑料管与底座之间的中心孔中，红色球在上、蓝色球在下。可随电解液相对密度变化而上下浮动。当蓄电池电量充足、电解液相对密度大于1.22时，两只小球向上浮动到极限位置。从指示器顶部进行观察：当中心呈红色圆点、周围呈蓝色圆环，表示蓄电池技术状态良好。当电解液液面过低时，两只小球都将下移到极限位置，其观察结果为：中心呈无色透明圆点、周围呈红色圆环，表示电解液不足，说明蓄电池不能继续使用，必须更换蓄电池。如果这种指示器安装在于荷电蓄电池上，则表示必须添加蒸馏水。3、蓄电池的工作原理根据双极硫酸盐化理论，蓄电池中参与化学反应的物质，正极板是二氧化铅(PbO2)，负极板上是海绵状铅(Pb)，电解液是硫酸水溶液(H2SO4)。当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的二氧化铅和负极板上的铅都将转变成硫酸铅(PbSO4)，电解液中的硫酸成分减少，相对密度下降。当蓄电池接通直流电源充电时，正、负极板上的硫酸铅又将分别恢复成原来的二氧化铅和纯铅，电解液中的硫酸成分增加，相对密度增大。若不考虑蓄电池化学反应的中间过程，其充、放电时总的化学反应方程式为（二氧化铅）（硫酸）（纯铅）（硫酸铅）（水）（硫酸铅）正极电解液负极正极电解液负极4、蓄电池的型号根据机械工业部标准JB2599-1985《起动型铅蓄电池标准》规定，国产蓄电池型号的含义如下：I.串联单格电池数，指一个整体壳体内所包含的单格电池数，用阿拉伯数字表示。II.蓄电池类型，根据蓄电池的主要用途划分，用汉语拼音字母表示，起动型蓄电池用字母Q表示。III.额定容量，用阿拉伯数字表示，其单位为A-h。Ⅰ串联单格电池数Ⅱ蓄电池类型蓄电池特征Ⅲ蓄电池额定容量有的蓄电池在额定容量后用一字母表示其特征性能：G表示薄型极板，高起动率；S表示塑料外壳；D表示低温起动性能好。表2-1蓄电池产品特征代号特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征特征代号蓄电池特征A干荷电J胶体电解液D带电式H湿荷电M密闭式Y液密式W免维护B半密闭式Q气密式S少维护F防酸式I激活式蓄电池的特征为附加说明，在同类用途的产品中具有某种特征需要在型号中加以区别时采用，特征以拼音字母表示。具有两种特征时，按下面顺序并列表示。例如：东风EQ2102型越野汽车用6-QW-180型蓄电池，表示由6个单格电池组成，额定电压为12V，额定容量为180A-h的起动型免维护蓄电池。三、蓄电池的工作特性及使用与维护1、蓄电池的工作特性（1）静止电动势静止电动势Ej是指蓄电池在静止状态下（不充电也不放电）正负极板之间的电位差（即开路电压）。静止电动势的大小取决于极板上活性物质溶解电离达到动态平衡时，在极板单位面积上沉附的Pb4+和e的数量，而这受电解液的密度和温度的直接影响。在电解液密度为1.050-1.300g/cm3的范围内，静止电动势Ej与电解液密度及温度的关系可由如下的经验公式表示Ej=0.84+25℃25℃=t+0.00075（t–25）式中25℃——温度为25℃时的电解液密度(g/cm3)；t——实际测得的电解液密度(g/cm3)；t——实际测得的电解液温度(℃)。（2）蓄电池内阻在相同条件下，蓄电池内阻越小，输出电流越大，带载能力越强。蓄电池内阻包括极板电阻、隔板电阻、电解液电阻和串联单格电池的连条电阻等。极板电阻在完全充电状态下是很小的，但随着蓄电池放电程度的增加，活性物质转变成导电性能极差的PbSO4覆盖在极板表面，极板的电阻会显著增加。隔板的电阻主要与隔板的材料、厚度及多孔性等因素有关。电解液的电阻与其温度和密度有关，温度低、电解液密度高时，会因电解液的粘度增大、渗透能力降低而使其电阻增大。电解液密度过高或过低时，还会因为H2SO4的离解度降低而增大电阻。电解液密度为1.208g/cm3(25℃)时，其离解度最高，其粘度也不大，故电阻最小。连条的电阻与单格的连接形式有关，穿壁式连条短，故其电阻较小。（3）蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性是指以恒流If放电时，蓄电池端电压Uf、电动势E和电解液密度随放电时间的变化规律。蓄电池放电终了可由两个参数判断：1）电解液密度下降至最小的许可值，约1.11g/cm3。2）单格电池电压下降至放电终止电压（以20h放电率放电，单格终止电压1.75V）。终止电压与放电电流的大小密切相关，放电电流越大，放电的时间就越短，允许放电的终止电压也越低。表2-2放电电流与终止电压的关系放电电流/A0.05C200.1C200.25C201C203C20连续放电时间20h10h3h30min5.5min单格电池终止电压／V1.751.701.651.551.5（4）蓄电池的充电特性蓄电池的充电特性是指以恒流Ic充电时，蓄电池端电压Uc、电动势E和电解液密度随充电时间的变化规律。Uc必须克服E和内阻电压降ICR0，才能在电路中形成电流，所以充电电压始终高于电动势。充足电的特征是：1）蓄电池的端电压上升至最大值（单格电池电压为2.7V），且2h内不再变化。2）电解液的密度上升至最大值，且2h内基本不变。3）电解液大量冒气泡，呈现“沸腾”。（5）蓄电池的容量蓄电池的容量C（单位A·h）是指在规定的放电条件下，蓄电池能够输出的电量。当恒流放电时，蓄电池的容量等于放电电流与放电时间之积。它与极板的构造、放电电流、电解液的温度和电解液的密度等因素有关。额定容量C20——根据GB/T5008.1-1991《起动用铅酸蓄电池技术要求》的规定，C20是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以20h放电率（If=0.05c）连续放电到单格电池电压降至1.75V［12V蓄电池端电压下降至(10.50+0.05)V，6V蓄电池下降至(5.25±0.02)V］，蓄电池所输出的电量。储备容量Cm——Cm是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以25A电流连续放电到单格电池电压降至1.75V所持续的时间（min），说明当汽车充电系统失效时，蓄电池尚能持续提供25A电流的能力。2、蓄电池的使用与维护（1）蓄电池的正确使用为了延长蓄电池的使用寿命，使用中应特别注意以下几点：①正确使用起动机。每次起动时间不得超过3-5s；如果一次未能起动发动机，应休息15s以上再进行第二次起动；连续三次起动不成功