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1、汽车蓄电池快速充电的研究1、相关定义1.1、铅酸蓄电池的工作原理及相关概念1.2.1铅酸蓄电池的工作原理1.2.1铅酸蓄电池的工作原理“双极硫酸盐化理论”[8]是由Gisdstone和Tribe在否定铅酸蓄电池的”氧化-还原”理论后提出的,这一理论现在已得到公认并广为应用,这是由于它得到了实验观测的充分证明。充、放电时进行观测发现,在放电过程中硫酸电解液的浓度在不断下降,而充电过程中硫酸电解液的浓度则在不断地提高,而且电解液2中硫酸含量的变化与通过的电量成正比,同时通过对放电后的产物进行分析鉴定,也证实了蓄电池两极的放电产物确实都
2、是硫酸铅,这和理论的预测是一致的。按照”双极硫酸盐化理论”,铅酸蓄电池在充、放电时的电池可用如下的化学反应方程式表示:负极反应:Pb+H2SO4?PbSO4+2H++2e(1-1)正极反应:PbO2+3H++HSO4?+2e?PbSO4+2H2O(1-2)电池反应:Pb+PbO2+2H++2HSO4??PbSO4+2H2O+PbSO4(1-3)反应方程式从右向左表示充电过程,而从左向右表示放电过程。它们互为可逆反应。从反应方程式(1-3)可以看出,铅酸蓄电池正极的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极的活性物质是海绵状铅(Pb),电
3、解液是硫酸(H2SO4)。放电时,正、负两极的活性物质都转变为硫酸铅(PbSO4),所以将这一理论称为”双极硫酸盐化理论”。从上述反应式可以看出,硫酸在电池中不仅传导电流,同时还参加电池反应,所以它又是反应物。放电过程中由于硫酸不断被消耗,而且电池反应还不断生成水(H2O),所以电池中的电解液浓度不断降低。充电过程与放电过程正好相反,正、负两极的硫酸铅分别反应生成二氧化铅和海绵状铅,同时不断生成硫酸,使电池中的电解液浓度回升[10-12]。在充电末期,PbSO4已基本还原为PbO2和Pb,这时部分充电电流将电解水,使正极冒出氧气,
4、负极冒出氢气,充电电流越大则冒气越多。正极电解水的反应式如下所示:2H2O→O2+4H++4e?(1-4)氧气通过隔板通道或顶部到达负极与活性物质铅(充电状态)及硫酸反应,使一部分活性物质转变成硫酸铅(放电状态)。2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O(1-5)负极被氧化成硫酸铅,经过充电又转变成海绵状铅,化学反应方程式如下:PbSO4+H++2e?→Pb+HSO4?(1-6)上述的化学反应式反应了铅酸蓄电池特有的内部氧循环反应机理,在这种充电过程中,电解液中几乎没有水的损失。31.2、铅酸蓄电池的相关概念1.电池容量
5、电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数,它是指在规定的条件下,完全充电的蓄电池能够提供的电量[9]。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量,因此,电池越大,它的容量越高。电池容量用C表示,其单位用Ah、mAh表示。2.充电终止电压和放电终止电压蓄电池充足电时,极板上的活性物质已达到保护状态,再继续充电,蓄电池的电压也不会上升,此时的电压称为充电终止电压[10]。放电终止电压[10]是指蓄电池可放电的最低电压,如果电压低于放电终止电压后继续放电,电池两段电压会迅速下降,形成过放电。这极易对电池造成永久性损害,影响蓄电池
6、的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。3.电池的内阻当电流流过蓄电池时,蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻,这个内阻与其它电源的内阻有所不同,它包含两个部分,即:R=R0+RN(1-7)其中R0为电极与电解液的内阻之和,该电阻遵守欧姆定律,是不变的量;RN是由于电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的,因此又称为极化电阻或假电阻,其值与流过电池的电流强度有关,电流越大,RN越大[9]。4.充电速率和放电速率为了对不同容量的电池加以比较,蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示,而是用电池的额定容量C和放电时间t的比来
7、表示[10],称为电池的充电速率或放电倍率。5.循环寿命循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环的次数,通常用来定义蓄电池的使用寿命。蓄电池的放电深度影响循环寿命,放电深度不同,电池的循环寿命[12]是不同的。在正常维护条件下,蓄电池浮充供电的时间,称为浮充寿命。6.蓄电池的极化所谓蓄电池的极化,是指电流通过蓄电池时,正负极板表面电位的偏移。蓄电池在充电过程中,除了电化学反应会使蓄电池的端电压升高外,蓄电池中产生4的极化电压(共有三种:电阻极化、离子浓差极化、电化学极化)也会使蓄电池的端电压升高。极化所产生的
8、过压、气泡、温升、能耗等对蓄电池都是极为不利的[11]。它不仅使电池发热,而且降低了电池的效率,同时也加速了电池的老化。7.蓄电池的老化电池的老化是指电池在开始使用的一段时间内,电池容量增加大约5%-10%,接下来的一段时间,电池的容量大约不变,然
