電池工作原理和特點

電動自行車電瓶是一種電能與化學能互相轉換的可逆裝置，也就是說，將電能儲存起來（充電），將化學能變為電能釋放出來（放電）。

電動自行車電瓶由正極板、負極板、玻璃纖維隔板、電解液和電解槽所組成，充電后正極的活性物質為二氧化鉛，負極板活性物質為海綿狀鉛，放電后兩極板的活性物質都轉變為硫酸鉛，充電后由恢復為原來物質。化學反應方程式如下：

充電

PbO2 + 2H2SO4 + Pb           

正極    電解液    負極

放電

PbSO4 + 2H2O +  PbSO4                      

正極     電解液     負極

從化學反應的方程式中可以看出，在放電過程中消耗了硫酸，生成了水，因此電解液的濃度越來越小，而充電過程則相反。

電動自行車采用了負極活性物質過量的設計。當蓄電池充電的時候，正極充足100%后，負極尚未充到90%，這樣蓄電池內只有正極產生的氧，不存在負極產生的難以復合的氫氣。為了解決水的消耗問題，和必須為氧的復合創造條件。采用貧電解液設計加上超細玻璃纖維隔膜板膜，解決了氧的傳輸問題，使氧復合反應得以進行，完成了氧的再化合，蓄電池實現了密封和免維護。氧的再化合過程如下：

（正極）PbSO4—— PbO—— O2

（負極）PbSO4—— Pb——(O2）

電池的失效模式及對策

A、電池的正極板軟化

①電池的正極板是由板柵和活性物質組成的，其中活性物質的有效成分就是氧化鉛。放電的時候氧化鉛轉換為硫酸鉛，充電的時候硫酸鉛轉換為氧化鉛。

②氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的，其中α氧化鉛主要起支撐作用；β氧化鉛主要起荷電作用。為了減少α氧化鉛參與放電，一般控制放電深度為40％為好。電池放電深度越深，α氧化鉛損失也越多，正極板軟化也越嚴重，導致電池容量下降越快，形成惡性循環。電池經常大電流放電同樣會引起極板軟化。所以電動車控制器要實行限流保護,正是基于此原因。

B、電池的負極板硫化

1、電池放電以后，負極板的鉛轉換為硫酸鉛，如果不及時充電或者充電電壓較低，有部分硫酸鉛晶體就會逐步聚積而形成粗大的硫酸鉛結晶，采用普通的充電方式是無法恢復的所以稱為“不可逆硫酸鹽化”，簡稱硫化。

2、在冬季環境溫度比較低的時候，電池的浮充電壓應該相應的提高，否則電池欠充電就會產生，電池硫化也就產生了。

3、失水的電池相當于電解液的硫酸濃度變高，也形成了加速電池硫化的條件。

4、電池一旦出現硫化，靠單純的浮充和均充是無法解決的，必須采取其它措施。目前消除密封電池硫化的方法有化學法和采用小電流脈沖去硫化。化學法雖然會較快的消除負極板硫化，但是其副作用——增加電池自放電。這樣會形成新的失效模式。

C、電池的失水及熱失控

1、電池充電達到單體電池2.35V（25℃）以后，就會進入正極板大量析氧狀態，雖然對于密封電池來說，負極板具備了氧復合能力。但如果充電電流過大，負極板的氧復合反應跟不上析氧的速度，氣體會頂開排氣閥而形成失水。充電電壓達到2.42V（25℃），電池的負極板會析氫，而氫氣不能夠被正極板吸收，只能夠增加電池氣室的氣壓，最后會被排出氣室而形成失水。定期對電池補水是非常必要的,但對水的質量和對操作者技術的要求很嚴格。

2、電池的熱失控

電池充電電壓達折合單格2.4V，這個電壓超過了電池正極板大量析氧的電壓，特別是在高溫環境中，大量析氧電壓會下降，這樣產生的析氧量會大幅度的增加。而正極板產生的氧氣在負極板會被吸收，吸收氧氣是明顯的放熱反應，電池的溫度會升高。而且氧復合反應也要產生電流，增加的電流導致充電器不能轉綠燈，一直維持在高壓階段。如果電池已經出現過量失水，玻璃纖維隔板的無酸孔隙大大增加，會加速負極板吸收氧氣，產生的熱量會更多，電池溫升也更高。而電池的溫升也會加速正極板析氧，形成惡性循環——熱失控。在熱失控狀態下，析氧量增加，電池內的氣壓增加，當達到塑料電池外殼的玻璃點溫度的時候，電池開始鼓脹變型，這種變型除了影響電池內部的機械結構以外，還會形成電池漏氣，而導致更加嚴重的失水漏酸。盡管電池熱失控現象發生的不多，但是一旦發生熱失控，電池的壽命會迅速提前結束。

D、電池的不均衡

1、電池在制造工藝中必然存在的微小差距。比如電池開閥壓的區別，會導致電池失水不同。還有組裝壓力和極板重量不均衡等。

2、失水多的電池相當于電池的硫酸比重上升，導致電池開路電壓增加，也是該單體電池的充電電壓相當于其它電池電壓高，而在串聯電池組中的其它電池分配的電壓就會下降，形成其它電池的欠充電。欠充電的電池內阻會增加，放電的時候電池電壓會更低，充電電壓跟不上，導致電池電壓高的更高，低的更低。電池正極板軟化的差異隨著充放電也會被擴大。

3、當電池正極板發生軟化的時候，脫落的活性物質會堵塞一部分微孔，正極板上單位面積的電流密度會增加，導致充放電活性物質的膨脹收縮更加厲害，正極板軟化被加速，這樣就形成的容量落后的電池更加落后。

4、電池的負極板發生硫化，放電的電流密度也會增加，相當于增加了放電深度，硫酸鉛結晶會比較集中在放電部位，形成較大的硫酸鉛結晶。硫酸鉛結晶體積越大，其吸附能力也相對增加，導致硫化更加嚴重。所以，電池容量的下降也會形成惡性循環。

5、對于電池組的不均衡，目前唯一的方式是采用定期地對單個電池的充電和放電。

E、脈沖修復消除硫化

對高電阻率的硫酸鉛結晶施加瞬間的高電壓，也可以擊穿大的結晶，如果這個高電壓足夠短，并且進行限流，在打穿絕緣層的條件下，充電電流不大，也不至于形成大量析氣。如這樣，實現了無損消除硫化。

F、電池的容量表示及檢測

常用電動車電池額容量表示方法為12v10Ah（2hr）

其含義為：電池額定電壓為12v，容量為10Ah，2hr表示2小時放電率

標準的容量檢測設備是12v恒流放電儀，常見的有5A恒流，10A恒流，以及可調恒流的。


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