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電動車用蓄電池之作用原理與構造

 wgb800 2006-08-16
                                     

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 + .H2O
電池外殼
隔離板

其它(液口栓.蓋子等)

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:
(
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) () (硫酸鉛
)
 

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

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。期使蓄電池使用期限延長,能耐震并耐沖擊,則陽極板的改良即成當急要務。

  • 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唯一的選擇。編織式軟管乃以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,俟其 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之電解液標準比重為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。

用于起重時之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,堆高機無負重揚升時的電池電壓若已達1.75v/cell(24cell42v,12cell21v),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
:
(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。


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20C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,極板的活性物資亦無法恢復原狀,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)此狀態稱為白色硫化現象。


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:
通常蓄電池之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,放電終了時之電解液溫度以維持在40℃以下為最理想。


3.
充電量與壽命

蓄電池所須之充電量為放電量的110~120%.放電量與蓄電池壽命具密切關系,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
×120/150=960(3.2
)
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。

堆高機舉重時,若電池溫度保持在10~40℃之間,其充電量亦維持在110~120%者,最能延長電池壽命,此時充電完成之比重,其20℃換算值約為1.28


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,從浮標之刻度即可測知比重。
鉛蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而變化,電解液比重乃以攝氏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度時之標準比重。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℃時之比重S20

S20=St+0.0007(t-20)
S20...
為換算成20℃時的比重
St....
t℃時所測之比重

  t.....為測得電解液之實際攝氏溫度

例如:20℃時比重為1.280者,在10℃時變成1.287;30℃時,變成1.273

2.純水之補充
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,以維持適當之液位,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:

項目

單位

規格

濁度

無色透明

液性

中性

導電度

μυ/cm

10以下

(C1)

%

0.0001以下

(Fe)

%

0.0001以下

硫酸根(SO4)

%

0.0001以下

強熱殘分

%

0.001以下

其它

%

0.005以下


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(參照第4-1)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。

六、其它

1.
自我放電
蓄電池當其內部發生純化學反應,或因不純物污染造成電化學反應,或長久不用皆會耗電,此即稱為自我放電。自我放電之耗電程度乃視蓄電池構造溫度、比重、不純物,使用過等而有所不同,一般在一天內會放掉0.5~1%,蓄電池在使用前的保存期間就會自我放電,消耗蓄電量。
當蓄電池處于長期持續放電狀態時,則一旦形成白色硫酸鉛化,則即使再充電,也無法恢復其容量。庫存期間務必每1個月就充電一次。


2.
電瓶壽命終期的判定

蓄電池到壽命終期,其容量就會減少,至于其容量在數字上退減的程度為何?則可依容量試驗測定之。

放電前必須確定電池的比重與電壓已達最高值,然后再持續充電1小時,才能完全充電。

充電終期是將比重調整到1.28±0.01(20℃)液面亦維持在規定液面的標準。

放電開始時期:充電完全放置1小時后。

放電電流:5HR規格容量的1/5(5HR400AH時固定電流為80A
)
放電終止電壓:平均1.7V/cell (24cell40.8V
12cell 20.4V)
容量:放電電流×到達終止電壓之前的放電時間

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