電動車用蓄電池之作用原理與構造

www.sail-shipping.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-10-18

所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備。構成鉛蓄電池之主要成份如下：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 電池外殼隔離板其它(液口栓、蓋(Guy)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，兩極間會產生2V的電力，這是根據鉛蓄電池原理，經由充放電，則陰陽極及電解液即會發生如下的變化： PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應) 1、放電中的化學變化蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應，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。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。 2、充電中的化學變化由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸，鉛及過氧化鉛，因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應以純水補充之。二、電動車用蓄電池的構造電動車用蓄電池，必須具備以下條件： ◎高性能 ◎耐震、耐沖擊(Impuise) ◎壽命長 ◎保養容易由于玻璃纖維管式鉛蓄電池是累積多次實驗結果而制成，故具有多項優點。 1、極板根據蓄電池容量選擇適當規格極板及數量組合而成。于充放電時,兩極活性物質隨著體積的變化而反復膨脹與收縮。兩極活性物質中，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，會徐徐脫落，此即為鉛蓄電池壽命受到限制的原因。若使蓄電池使用期限延長，能耐震并耐沖擊(Impuise)，則陽極板的改良即成當務之急。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，使其發生變化，產生活性化物質，由于活性化物質不會脫落，與電解液接觸亦良好，是一種非常好的極板材料。使用具有這種極板的蓄電池是電動車較好的選擇。編織式軟管以9microm(μ)的玻璃纖維編成管袋狀，彈性好，可耐膨脹或收縮，而且對電解液的滲透度也非常良好，此軟管乃是最佳產品，長久以來，實用績效良好。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，待其干燥后所形成之活性物質。這種方式一直被采用在鉛蓄電池的陰極板上，同時亦使用在汽車、小貨車的蓄電池陽極板上。 2、隔離板能防止陰、陽極板間產生短路，但不會妨礙兩極間離子的流通。而且經長時間使用，也不會劣化或釋放雜質。鉛蓄電池一般都使用膠質隔離板。 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使用材質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(Guy)亦使用相同材質，以熱熔接著。 4、電解液電解液比重以20℃的值為標準，電動車用的蓄電池完全充電時電解液標準比重為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補充純水，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示之： ◎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，電壓也降低。 (3)放電時，電池內部阻抗即隨之增強，完全充電時若為1倍，則當完全放電時，即會增強2～3倍。用于起重時電瓶電壓之所以比用于行走時的電壓低，是由于起重用油壓馬達比行走用驅動馬達功率大，因此放電流大，則上式的I.R亦變大。 2、蓄電池之容量表示在容量試驗中，放電率與容量的關系如下： 5HR....1.7V/cell 3HR....1.65V/cell 1HR....1.55V/cell 嚴禁到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，進而縮短蓄電池壽命。因此，電池電壓若已達1.75v/cell(24cell的42v，12cell的21v)，則應停止使用，馬上充電。 3、蓄電池溫度與容量當蓄電池溫度降低，則其容量亦會因以下理由而顯著減少。 (A)電解液不易擴散，兩極活性物質的化學反應速率變慢。 (B)電解液之阻抗增加，電瓶電壓下降，蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而減少。因此，蓄電池冬季比夏季的使用時間短。特別是使用于冷凍庫的蓄電池由于放電量大，而使一天的實際使用時間顯著減短。若欲延長使用時間，則在冬季或是進入冷凍庫前，應先提高其溫度。 4、放電量與壽命每日反復充放電以供使用時，則電池壽命將會因放電量的深淺，而受到影響。 5、放電量與比重蓄電池的電解液比重幾乎與放電量成比例。因此，根據蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重，即可推算出蓄電池的放電量。測定鉛蓄電池電解液比重是得知放電量的最佳方式。因此，定期性的測定使用后的比重，以避免過度放電，測比重的同時，亦測電解液的溫度，以20℃所換算出的比重，切勿使其降到80%放電量的數值以下。 6、放電狀態與內部阻抗內部阻抗會因放電量增加而加大，尤其放電終點時，阻抗最大，主要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，務必馬上充電，若任其持續放電狀態，則硫酸鉛形成安定的白色結晶后(即硫化現象)，即使充電，極板的活性物資亦無法恢復原狀，而將縮短電瓶的使用年限。 7、放電中的溫度當電池過度放電，內部阻抗即顯著增加，因此蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高，會提高充電完成時溫度，因此，將放電終了時的溫度控制在40℃以下為最理想。四、充電的管理 1、蓄電池的充電特性蓄電池充電的端子電壓如下式表示： 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、蓄電池溫度與壽命蓄電池溫度（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，而縮短電池壽命，相對的，電池溫度太低時，會使電池蓄電容量減少，容易過度放電，進而使電池壽命縮短。此種關系也會因電池型式、極板材質而有變化。故應遵守下列之使用條件：通常蓄電池的電解液溫度應維持在15～55℃為理想使用狀態，不得已的情況下，也不可超過放電時-15～55℃，充電時0～60℃的范圍。實際使用時，由于充電時溫度會上升，因此，放電終了時電解液溫度以維持在40℃以下為最理想。 3、充電量與壽命蓄電池所須充電量為放電量的110～120%。放電量與蓄電池壽命有密切關系，假設充電量為放電量120%時的電池，使用壽命為1200回（４年），則當電池的充電量達放電量之150%時，則可推算該電池的壽命為： 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，將使充電終點的溫度上升，結果溫度上升造成耐用年限縮短。此外，充電不足即又重復放電使用，則會嚴重影響電池壽命。 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，則會發生爆炸。充電場所必須通風良好，注意遠離火源，避免觸電。五、電解液之管理 1、比重測定測量比重時，須使用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒，從浮標的刻度即可測知比重。鉛蓄電池的電解液比重會隨溫度改變而變化，電解液比重以攝氏20度時的比重為標準，因此比重計上的讀數，必須換算為攝氏20度時的標準比重。當溫度變化攝氏一度時，則比重即變化0.0007，因此，在測量比重的同時，必須測量溫度，測溫時，請使用棒狀酒精溫度計。該溫度t℃時所測之比重為St，則以下式換算標準溫度20℃時的比重S20。 S20=St+0.0007(t-20) S20...為換算成20℃時的比重 St....為t℃時所測的比重 t.....為測得電解液之實際攝氏溫度例如：20℃時比重為1.280，在10℃時變成1.287;30℃時，變成1.273。 2、純水的補充重復放電時，電解液面會緩緩下降，因此定期檢視電解液液位，隨時補充純水，以維持適當的液位，若因忽略補水，而露出極板，則會傷害極板。蓄電池用純水的標準按日本蓄電池工業會SBA4001的規定如下表： 3、電解液中的不純物與電池壽命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，加速縮短電池壽命，同時也會加速自我放電，此外，銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導致自我放電量增加。蓄電池補充液位時，一定要使用純水，用水沖洗電瓶時，一定要將電池帽蓋(Guy)緊以避免沖洗用水流入電瓶內。 4、補水過多所造成的弊端補水時若超過最高液面則充電時就會發生滿溢，而使稀硫酸成份流失，腐蝕電瓶箱，電解液比重偏低造成蓄電容量不足等。