鉛酸蓄電池容量檢測的設計本科(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 用時間越長，蓄電池個體之間的差異性和離散性越大，會出現兩極分化。 (5)難以等效。一般來說，不能使用線性元器件或者其任意的組合來等效蓄電池的內部結構。退一步說，使用非線性元器件的組合，可以等效蓄電池的內部結構，也僅適用于特定的電池和特定的條件。不能適用于各種規格的電池以及同一個電池在不同的使用條件 [1]。 容量測試技術解決的方向 基于蓄電池本身的性能和技術特點，必須保留核對放電技術，它可以定量測試，是其他測試技術的基礎。其次，應該改進目前的電導法 (內阻法 )、電壓測量法等快速測量法，使 之提高測量精度，以滿足現場維護工程師的要求。采用恒流放電技術，使放電電流基本恒定，對電流和時間進行積分，也就是對放電電流進行求和運算，最終得到放出的容量值。 論文研究內容及創新點 主要研究利用單片機 AT89C51設計一個蓄電池容量測量系統。鉛酸蓄電池的容量檢測方法很多，為了準確測量蓄電池的容量，本設計采用放電方法測試電池容量，并采取設計的恒流放電電路，而且單獨測試電壓和電流，保證了所測試電壓和電流的準確。要求 實時顯示電池容量 ， 實時顯示電池電壓 ，放電到 并 有報警提示 ，放電電流為 ，三位數碼管顯示，切換顯示電壓 /安時。 主要創新點是系統采用恒流放電，該電路由集成運算放大器構成，結構簡單，調整方便。該恒流放電電路，保證了放電電流的基本恒定，從而保證了容量檢測的準確。本系統 硬件電路構成簡單，主要功能均由軟件編程實現，因而 體積小、可靠性高、測量顯示方便、直觀、價格低廉。 石家莊鐵道學院畢業設計 5 第 2 章 鉛酸蓄電池 工作原理 所謂蓄電池即是貯存化學能量， 在 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 [2]： 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 .蓋子等 ) 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： (陽極 ) (電解液 ) (陰極 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應 ) (過氧化鉛 ) (硫酸 ) (海綿狀鉛 ) (陽極 ) (電解液 ) (陰極 ) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應 ) (硫酸鉛 ) (水 ) (硫酸鉛 ) 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。 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 ，石家莊鐵道學院畢業設計 6 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。 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 ℃ ◎ 放電電流 5小時的電流 ◎ 放電終止電壓 ◎ 放電中的電解液溫度 30177。2℃ 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=EIR 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 23倍。 用于起重時電瓶電壓之所以比用于行走時的電壓低，乃是由于起重 用之油壓馬達比行走用之驅動馬達功率大，因此放電流大，則上式的 IR亦變大 [3]。 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....3HR....1HR....嚴禁到達上述電壓時還繼續放電，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，堆高機無負重揚升時的電池電壓若已達 (24cell的 42V,12cell的石家莊鐵道學院畢業設計 7 21V)，則應停止使用，馬上充電。 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 : (1)冬季比夏季的使用時間短。 (2)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。 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。 放電量與比重 蓄電池之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。 測定鉛蓄電池之電解液比重為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，亦側電解液的溫度，以 20℃ 所換算出的比重，切勿使其降到 80%放電量的數值以下。 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 (此即文獻上所說的硫化現象 )， 即使充電 ， 極板的活性物 質 亦無法恢復原狀 ， 而將縮短電瓶的使用年限。 白色硫酸鉛化 蓄電池放電，則陰、陽極板同時產生硫酸鉛 (PbS04)，若任其持續放電，不予充電，則最后會形成安定的白色硫酸鉛結晶 (即使再充電，亦難再恢復原來的活性物質 )石家莊鐵道學院畢業設計 8 此狀態稱為白色硫化現象。 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。 影響鉛酸蓄電池容量的因素 鉛酸蓄電池的容量是指在一定的放電條件下，可以從電池中獲得的容量，一般用安時 (Ah)數表示，符號為 C。鉛酸蓄電池容量有理論容量、實際容量和額定容量之分。理論容量是假設電池中活性物質放電時能夠全部參加反應，并結合電池的反應方程式和各成份的電化學當量數值，按照法拉第定律計算求得的；實際容量是指在一定的放電條件下電池實際放出的電量，它總是低于理論容量；額定容量是設計和生產電池時，規定或保證電池在規定的放電條件下應該放出的最低限度的電量 。通常說影響鉛酸蓄電池容量的因素，都是指對電池實際容量的影響。因為一旦電池活性物質的總量確定下來，電池的理論容量就確定了，并且額定容量也是實際容量的一種反應。因為但凡說額定容量，都要確定放電電流值，并且也通常約定了放電的終止電壓。而如果談電池的實際放電容量，則包括的因素最為全面，不僅包含對理論容量的影響因素，甚至連對額定容量的影響因素也包含在內了，下面著重談一下各種因素對鉛酸蓄電池實際容量的影響。影響電池容量的因素很多，大致可以分為兩類：一是生產工藝方面的因素，包括活性物質量、極板厚度、活性物質孔率、活性物 質的真實表面積、極板的中心距、活性物質的組成；二是使用時的因素，包括放電的電流密度、放電的終止電壓、電解液的溫度和電解液的密度。 蓄電池生產工藝對電池容量的影響 活性物質量的多少是影響鉛酸蓄電池容量的主要因素，一個電池活性物質的量確定以后，因為電解液硫酸的量通常是夠用的，因此它的理論容量也就確定了，其他因素對容量的影響，就是對活性物質利用率的影響了。這里需要著重說明的是通常正極和負極的活性物質的理論容量是不一樣的，并且在任何情況下，電池的實際容量都要以電池中容量相對較小電 極的實際容量為準，這就要看不同放電條件分別對正負極實際容量的影響程度了。一般情況下，在常溫及放電電流不太大時，電池的實際容量都受正極容量的限制，在低溫及放電電流比較大時，電池容量通常受負極容量控制。但石家莊鐵道學院畢業設計 9 是對于閥控密封型鉛酸蓄電池，由于氧復合反應的要求，使電池在設計之初就要求電池的負極容量大于正極的容量。 當極板上活性物質總量確定以后，實際反應中，活性物質參加反應量的多少與極板厚度密切相關。一般說來，極板表面的活性物質能夠直接和硫酸電解液接觸起反應，而極板深處的活性物質就不然，以較大的電流放 電時，由于表層生成的硫酸鉛會堵塞活性物質的孔隙，致使極板深層的活性物質得不到電解液的及時補充而中斷反應，導致極板越厚，深處極板上活性物質反應的利用率就越少。這是因為在活性物質總量相同的前提下，要么增加極板片數，要么增加單極板的表面積。這兩種方式都相當于擴大了電解液擴散的表面積，如果把極板變薄，則相當于減小了擴散的厚度。在這種情況下，不僅擴散速度加快，濃度極化減小，而且由于反應面積的增加，電化學極化也減小。伴隨著放電過程表現出來的現象是，電池端電壓下降的慢，電池的放電容量增加，而厚極板則是情況相反。當然極板也 不能太薄，這樣不僅會影響電池的循環壽命，電池容量的增加也不會太明顯。有研究表明：盡管極板越薄，活性物質利用率越高，但是當極板厚度減薄到 2mm以下時，再減薄極板厚度，活性物質利用率也變化不大。也就是說，在活性物質總量相同的前提下，薄極板的優點主要體現在大電流放電情況下。 所謂極板的孔率是指極板上活性物質中孔的總體積與鉛膏的表觀總體積之比的百分數?？茁蕦Ψ烹娙萘康挠绊懢哂袃芍匦?，一方面孔率大了，擴散容易，容量提高；另一方面，孔率大了，活性物質總量就會減少，容量反而減少，并且孔率過大，還會縮短 電池的壽命。因此極板孔率應在極板生產時合理選擇工藝過程，并且要嚴格控制過程保障能力，以生產出適合不同使用條件要求的最佳孔率的極板?；钚晕镔|的孔率決定于鉛膏的視比重及涂板時的壓板操作，鉛膏視比重小，壓板時壓力小，則孔率大，反之則孔率小。一般正極板孔率控制在 55%左右，負極板控制在 60%左右。需要注意的是，不僅要注意孔率，還要注意孔的大小及其分布。這是因為活性物質放電后，體積要增加，孔太小時很容易被堵塞而使活性物質不能被充分利用，孔太大時又會影響活性物質之間的連接，在閥控密封鉛酸蓄電池中，還會因影響氣體復合時的 通道而影響氣體的復合效率。 相同活性物質總量的極板放電容量不僅與上面提到的因素有關，而且還與極板的真實表面積有關。所謂真實表面積，也就是能夠與電解液直接接觸的活性物質的表面積，它要比按照極板幾何尺寸計算出來的面積大的多，一方面包括極板的片數，另一石家莊鐵道學院畢業設計 10 方面還包括極板細孔的表面積。因為對于含活性物質的極板來說，活性物質粒子越小，表面積就越大。并且鉛酸蓄電池活性物質的粒子都很小，因此它們做出的極板的真實表面積要比極板的表觀表面積大幾百到幾千倍。真實表面積大，則擴散截面積與反應面積都增加， 因此放電時濃度極化和電化學極化都減小，電池電壓下降減慢，放電容量提高。因此對于體積、重量一定的鉛酸蓄電池來說，要想提高其放電容量，可以通過增大極板的真實表面積來得到。此外，真實表面積還與孔的大小有關，把一個大孔分成幾個小孔，盡管總孔體積不變，但是真實表面積卻增大了。但需要注意的是小孔易被堵塞，造成這一部分表面積不能發揮作用。 極板中心距是指兩個同極性極板中心之間的距離。極板中心距的大小對電池的容量也有一定的影響，這個影響可以從兩個方面來分析，一是要考慮電解液量對電池容量的影響；二是通過 極板中心距的改變影響內阻，進而影響電池放電時放出電量的多少。說到電解液量對電池容量的影響，就需要引入另一個和極板中心距密切相關的概念：極板面間距，它指的是一個電池中不同極性的相鄰極板之間的距離。大家都知道，極板中活性物質孔內的酸液量遠遠不夠活性物質電化學反應的需要，據報道鉛酸電池極板中的酸液量僅夠活性物質總量的 10%參加電化學反應。而在當今比較流行的閥控密封型鉛酸蓄電池的設計原則中，不僅不允許有游離態的電解液存在，還要求電池隔板中的酸液量不能夠飽和，必須留下 5%～ 10%的孔來作為氧復合的通道。并且鉛酸蓄電池 中電解液硫酸的利用率通常也只有 75%左右，這就要求電池在設計時，不僅要有足夠活性物質反應的電解液量，而且又要極板的面間距盡可能的小，這樣可以減小電池的內阻，放電容量同樣也會上升。 蓄電池使用時的因素對電池容量的影響 對于同種規格和數量的極板制成的蓄電池來說，放電電流