第2章_蓄电池__汽车电气设备

汽车电气设备配套教材信息教材名称：汽车电气设备（第2版）教材主编：凌永成教材定价：38RMB出版社：北京大学出版社出版时间/版次：2010年3月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-16916-2教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第2章蓄电池汽车电源系统用于向汽车用电设备提供低压直流电能，以保证汽车在行驶中和停车时的用电需要。蓄电池和发电机共同构成汽车电源系统。此外，汽车电源系统还包括电压调节器（用于动态调节交流发电机的输出电压）、电流表或其他充电状态指示装置（电压表或充电指示灯）、钥匙开关等，连接关系如图2-1所示。图2-1交流发电机、调节器、蓄电池的连接电路2.1蓄电池的作用与分类2.1.1蓄电池的作用蓄电池（Battery，俗称电瓶。图2-2）是一种可逆的直流电源，有放电和充电两种工作状态。在放电状态下，蓄电池可将化学能转变为电能；在充电状态下，蓄电池可将电能转变为化学能。图2-2蓄电池在汽车上，蓄电池和发电机并联连接（图2-3），两者协同工作，共同为汽车电气设备供电。在发电机正常工作时，全车用电设备均由发电机供电，与此同时，蓄电池将发电机多余的电能转变为化学能储存起来（即蓄电池处于充电状态）。图2-3蓄电池与汽车电气设备并联电路蓄电池的具体作用如下：（1）发动机起动时，蓄电池向起动机和点火系统以及燃油喷射系统供电。（2）发动机低速运转、发电机电压较低时，蓄电池向用电设备和交流发电机磁场绕组供电。（3）发电机出现故障不发电时，蓄电池向用电设备供电。（4）发电机过载时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。（5）发动机熄火停机时，蓄电池向电子时钟、汽车电子控制单元（ECU/ECM，亦称计算机、微机、电脑）、音响设备以及汽车防盗系统供电。此外，蓄电池还有一些辅助功能。因为蓄电池相当于一只大容量的电容器，所以不仅能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。2.1.2对蓄电池的要求起动发动机时，蓄电池必须能在短时间（5～10s）内向起动机连续提供强大的起动电流：汽油发动机一般需要200～600A；柴油发动机一般需要500～1000A，甚至更大。所以，对汽车用蓄电池的基本要求是容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。起动型铅酸蓄电池的突出特点是内阻小、起动性能好、电压稳定，此外还有成本低、原料丰富等优点，所以在汽车上广泛应用。2.1.3蓄电池的分类汽车用蓄电池有铅酸蓄电池（Lead-acidBattery）和碱性蓄电池（AlkalineSecondarybattery）两大类。汽车用铅酸蓄电池又分为普通型、干荷电型、湿荷电型、免维护型和胶体型等。蓄电池在汽车上的安装位置根据车型和结构而定，原则上离起动机越近越好。大多数轿车的蓄电池装在发动机舱内（图2-4），也有装在行李箱内（图2-5），甚至装在后排乘客座椅下方的；货车蓄电池的安装位置以空载时质量平衡为原则，一般装在车架前部的左侧或右侧；客车的蓄电池多装在车厢内。图2-4蓄电池装在发动机舱内图2-5奥迪A4轿车蓄电池装在行李箱内备胎下面蓄电池都是用特制的金属框架和防振垫固定的（图2-6）。图2-6蓄电池的固定方式图蓄电池的固定方式2.2铅酸蓄电池的构造与型号2.2.1铅酸蓄电池的构造现代汽车用铅酸蓄电池由六只单格电池串联而成，每只单格电池的电压约为2Ⅴ，串联后蓄电池电压为12Ⅴ。铅酸蓄电池的结构如图2-7所示，其构件主要有极板、隔板、电解液、外壳、联条、接线柱等。图2-7铅酸蓄电池的结构1—隔壁；2—凸筋；3—负极板；4—隔板；5—正极板；6—电池壳；7—防护板；8—负接线柱；9—通气孔；10—联条；11—加液螺塞；12—正接线柱；13—单格电池盖1.极板极板（Plate）是蓄电池的核心构件，由栅架和活性物质组成，形状如图2-8所示。栅架（图2-9）是用铅锑合金浇铸而成的，活性物质就涂覆在栅架上。加锑的目的是提高栅架的机械强度和改善浇铸性能。但是锑有副作用，会加速氢的析出而加快电解液消耗。锑还易从正极板栅架中解析出来而引起蓄电池自放电和栅架腐蚀，缩短蓄电池的使用寿命。图2-8极板图2-9栅架目前，国内外大都采用低锑合金栅架，含锑量为2％～3％。为降低蓄电池的内阻，改善蓄电池的起动性能，现代汽车蓄电池多采用放射形栅架。（a）切诺基吉普车蓄电池（b）上海桑塔纳轿车蓄电池放射形栅架放射形栅架图2-10放射形栅架结构极板上的工作物质称为活性物质，主要由铅粉、添加剂与一定密度的稀硫酸混合形成。为防止龟裂和脱落，铅膏中还掺有玻璃纤维等牵引附着物。极板分为正极板和负极板两种。将涂上铅膏后的生极板先经热风干燥，再放入稀硫酸中进行充电便得正、负极板（图2-11）。图2-11正极板（右）和负极板（左）正极板（positiveplate）上的活性物质为二氧化铅（PbO2），呈棕红色，负极板（negativeplate）上的活性物质为海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。目前国产蓄电池极板的厚度为1.8～2.4mm，国外大都采用1.1～1.5mm厚的薄型极板（正极板比负极板厚）。采用薄型极板可提高蓄电池的比容量和起动性能。图2-11正极板（右）和负极板（左）安装时各片正、负极板相互嵌合，中间插入隔板后装入蓄电池单格内便形成单格电池。如图2-12所示，在每个单格电池中负极板总比正极板多一片。因为正极板活性物质比较疏松，且正极板处的化学反应剧烈，反应前后活性物质体积变化较大，所以正极板夹在负极板之间，可使其两侧放电均匀，从而减轻正极板的翘曲和活性物质脱落。图2-12单格蓄电池极板组2.隔板为了减少蓄电池的内阻和尺寸，蓄电池的正、负极板应尽可能靠近。为了防止相邻正负极板彼此接触而短路，正、负极板之间要用隔板（separator）隔开。图2-13袋式（信封式）隔板有的厂家用微孔塑料袋做成袋式隔板（因其形似信封，故亦称信封式隔板，图2-13），套在正极板上，可以有效地防止活性物质脱落。3.电解液电解液（electrolyte，俗称电瓶水。图2-14）是用纯净硫酸和纯净蒸馏水（distilledwater）按一定比例配制而成的稀硫酸溶液。图2-14常见的成品蓄电池电解液电解液的密度对蓄电池的性能和寿命影响很大。为了提高蓄电池容量和降低电解液的冰点，希望电解液的密度大一些。但密度过大，会使流动性变差，反而会降低蓄电池的容量，而且还会加快隔板和极板的损坏，缩短蓄电池的使用寿命。气候条件蓄电池完全充足电时电解液的密度（25℃）／（g／cm3）冬季夏季冬季气温低于－40℃的地区1.301.26冬季气温在－40～－30℃的地区1.281.24冬季气温在－30～－20℃的地区1.271.24冬季气温在－20～0℃的地区1.261.23冬季气温在0℃以上的地区1.231.23表2-1不同地区和气候条件下电解液的密度4.外壳外壳（housing）用来盛装电解液和极板组，使蓄电池构成一个整体。外壳材料有硬橡胶和塑料两种。每个单格的盖板中间有加液孔，可以用来检查液面高度和测量电解液的密度，加液孔平时用加液螺塞拧紧。加液螺塞中心的通气孔（图2-15）应保持畅通，使蓄电池在电化学反应中放出的气体可随时逸出。图2-15蓄电池加液孔、加液螺塞及通气孔5.接线柱铅酸蓄电池首尾两极板组的横板上焊有接线柱（terminalpost，亦称极桩。），接线柱有圆锥形、L形和侧孔形三种，如图2-16所示。侧孔形圆锥形L形图2-16铅酸蓄电池接线柱外形如图2-17所示，正接线柱连接去起动机和电流表的电线，负接线柱连接去车身或车架的搭铁电线。图2-17大众速腾轿车蓄电池接线柱（极桩）为了便于区分，正接线柱附近标有“＋”或“P”记号（图2-18），负接线柱附近标有“－”或“N”记号（图2-19），有些蓄电池正接线柱上涂有红色油漆。图2-18正接线柱旁边标有“＋”记号图2-19负接线柱附近标有“－”记号6.联条联条（cellconnector）的作用是将单格蓄电池串联起来，提高整个蓄电池的端电压。联条一般由铅锑合金铸造而成，硬橡胶外壳蓄电池的联条位于电池上方，塑料外壳蓄电池则采用穿墙式联条，如图2-20所示。（a）外露式联条连接（b）内部穿墙式连接（c）跨越式连接图2-20单格电池的连接方式2.2.2铅酸蓄电池的型号与选用1.铅酸蓄电池的型号按机械行业标准JB2599－1985《铅酸蓄电池产品型号编制方法》的规定，铅酸蓄电池型号由三部分组成，其内容及排列如下：（1）串联单格电池数。串联单格电池数是指该电池总成所包含的单格电池数目，用一位阿拉伯数字表示。（2）电池类型。根据其主要用途划分，用一个汉语拼音字母表示，起动型铅酸蓄电池用“Q”表示，代号“Q”是“起”的第一个汉语拼音字母。（3）电池特征。电池特征为附加部分，用一个汉语拼音字母表示，仅在同类用途的产品有某种特征，而在型号中又必须加以区别时采用。当产品同时具有两种特征时，应按表2-2顺序将两个代号并列标志。序号1234567产品干荷电湿荷电免维护少维护激活式密闭式胶质电解液代号AHWSIMJ表2-2常见电池产品特征代号（4）额定容量。额定容量是指20h放电率额定容量，用阿拉伯数字表示，单位为A·h，在型号中可省略不写。有时在额定容量后面用一个字母表示特殊性能，如“G”表示高起动率，“S”表示塑料外壳，“D”表示低温起动性好。（5）铅酸蓄电池产品型号举例。6－Q－105：表示由6个单格串联，额定电压为12V，额定容量为105A·h的起动型蓄电池。6－QAW－100：表示由6个单格串联，额定电压为12V，额定容量为100A·h的起动型干荷电免维护蓄电池。6－QA－40S：表示由6个单格串联，额定电压为12Ⅴ，额定容量为40A·h的起动型干荷电塑料外壳蓄电池。2.蓄电池的选用和选用其他汽车外购件一样，要先选“型”，再选“号”。选用汽车蓄电池，首先要选起动型，然后再选电压和容量。主要根据起动机要求的电压和容量来选择蓄电池，一般应满足连续起动三次以上的要求。每车尽量选用一个蓄电池，实在不行，才选用两个蓄电池。若电压不够，则两个电池串联，每个蓄电池的电压为总电压的1／2，但是新旧蓄电池不可混用。2.3蓄电池的工作原理与特性2.3.1蓄电池的基本工作原理铅酸蓄电池在充、放电过程中的化学反应是可逆的，其电化学反应方程式可简化为：（2-1）铅酸蓄电池充、放电反应原理如图2-21所示。当接通外电路负载蓄电池放电时，正极板上的PbO2和负极板的Pb都变成了PbSO4，电解液中的硫酸减少，水增多，电解液密度下降。（a）放电（b）充电（c）过充电图2-21铅酸蓄电池反应原理在蓄电池处于过充电时，会引起水的电解。其反应式为：（2-2）2.3.2蓄电池的工作特性1.静止电动势蓄电池处于静止状态（不充电也不放电）时，正、负极板间的电位差（即开路电压）称为静止电动势。2.内阻电流流过铅酸蓄电池时所受到的阻力称为铅酸蓄电池的内阻。铅酸蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液和联条的电阻。在正常状态下，铅酸蓄电池的内阻很小，所以能够供给几百安培甚至上千安培的起动电流。电解液的电阻与其密度和温度有关。如6－Q－75型铅酸蓄电池在温度为+40℃时的内阻为0.01Ω，而在－20℃时内阻为0.019Ω，可见，内阻随温度降低而增大。电解液电阻与密度的关系如图2-22所示。由图可见，电解液密度为1.20g／cm3（15℃）时其电阻最小。同时，在该密度下，电解液的粘度也比较小。密度过高、过低时，电解液的电阻都会增大。因此，适当采用低密度电解液和提高电解液温度（如冬季对电池采取保温措施），对降低蓄电池内阻、提高起动性能十分有利。图2-22电解液电阻与密度的关系3.放电特性铅酸蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，铅酸蓄电池的端电压和电解液密度随放电时间而变化的规律。图2-23恒流放电特性曲线图2-23所示为6－QA－60型干荷电蓄电池以3A电流放电时的特性曲线图。放电终了的特征：①单格电池电压下降到放电终止电压（以20h放电率放电时终止电压为1.75Ⅴ）。②电解液密度下