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铅酸蓄电池结构详解
一、蓄电池的功用 蓄电池种类较多，根据电解液不同，有酸性和碱性之分。由于铅酸蓄电池内阻小，电压稳定，在短时间内能供给较大的起动电流，而且结构简单，价格较低，所以在汽车拖拉机上被广泛采用。
蓄电池为一可逆直流电源，在汽车拖拉机上与发电机并联，它的主要作用是： （1）发动机起动时，蓄电池向起动机和点火装置供电。起动发动机时，蓄电池必须在短时间内（5~10s）给起动机提供强大的起动电流（汽油机为200~600A。柴油机有的高达1000A）。
（2）在发电机不发电或电压较低发动机处于低速时，蓄电池向点火系及其它用电设备供电，同时向交流发电机供给他激励磁电流。
（3）当用电设备同时接入较多，发电机超载时，蓄电池协助发电机共同向用电设备供电。
（4）当蓄电池存电不足，而发电机负载又较少时，可将发电机的电能转变为化学能储存起来，即充电。
（5）蓄电池还有稳定电网电压的作用。当发动机运转时，交流发电机向整个系统提供电流。蓄电池起稳定电器系统电压的作用。蓄电池相当于一个较大的电容器，可吸收发电机的瞬时过电压，保护电子元件不被损坏。延长其使用寿命。
二、蓄电池的构造
车用12V蓄电池均由6个单格电池串联而成，每个单格的标称电压为2V，串联成12V的电源，向汽车拖拉机用电设备供电。
蓄电池主要由极板、电解液、格板、电极、壳体等部分组成。 1．极板
极板分为正极板和负极板两种。蓄电池的充电过程是依靠极板上的活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。正极板上的活性物质是深棕色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是海绵状、青灰色的纯铅（Pb）。 正、负极板的活性物质分别填充在铅锑合金铸成的栅架上，加入锑的目的是提高栅架的机械强度和浇铸性能。但锑有一定的副作用，锑易从正极板栅架中解析出来而引起蓄电池的自行放电和栅架的膨胀、溃烂，从而影响蓄电池的使用寿命。
负极板的厚度为1.8mm，正极板为2.2mm，为了提高蓄电池的容量，国外大多采用厚度为1.1~1.5mm的薄型极板。另外，为了提高蓄电池的容量，将多片正、负极板并联，组成正、负极板组。在每单格电池中，负极板的数量总比正极板多一片，正极板都处于负极板之间，使其两侧放电均匀，否则因正极板机械强度差，单面工作会使两侧活性物质体积变化不一致，造成极板弯曲。 2．隔板
为了减少蓄电池的内阻和体积，正、负极板应尽量靠近但彼此又不能接触而短路，所以在相邻正负极板间加有绝缘隔板。隔板应具有多孔性，以便电解液渗透，而且应具有良好的耐酸性和抗碱性。
隔板材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料以及浸树脂纸质等。近年来，还有将微孔塑料隔板做成袋状，紧包在正极板的外部，防止活性物质脱落。
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3．壳体
蓄电池的外壳是用来盛放电解液和极板组的，外壳应耐酸、耐热、耐震，以前多用硬橡胶制成。现在国内已开始生产聚丙稀塑料外壳。这种壳体不但耐酸、耐热、耐震，而且强度高，壳体壁较薄（一般为3.5mm，而硬橡胶壳体壁厚为10mm），重量轻，外型美观，透明。
壳体底部的凸筋是用来支持极板组的，并可使脱落的活性物质掉入凹槽中，以免正、负极板短路，若采用袋式隔板，则可取消凸筋以降低壳体高度。 4．电解液
电解液的作用是使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应，它由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成。电解液的相对密度一般为1.24~1.30（15℃） 5．联条
车用12V蓄电池的6个单格电池之间的连接方法有两种，一种是用装在盖子上面的铅质联条串联起来，连条露在蓄电池盖表面，这是一种传统的连接方式，不仅浪费铅材料，而且内阻较大，故这种连接方式正在逐渐被淘汰。第二种是采用穿壁式连接方式。
蓄电池各单格电池串联后，两端单格的正负极桩分穿出蓄电池盖，形成蓄电池极桩。正极桩标“+”号或涂红色，负极桩标“-”号或涂蓝色、绿色等。 6．加液孔盖
加液孔盖可防止电解液溅出。加液孔盖上有通气孔，便于排出蓄电池内的H2和O2，以免发生事故，如在孔盖上安装氧过滤器，还可以避免水蒸汽的溢出，减少水的消耗。
三、蓄电池的型号
蓄电池的型号按我国机械工业部JB2599—85起动用蓄电池标准规定，其型号编制和含义由5个部分组成：
1 2 3 4 5 1表示串联单格数，用阿拉伯数字表示。如：6表示有6个单格，12V的蓄电池。 2表示蓄电池类型，用汉语拼音的第一个字母表示，如Q为起动型。
3表示蓄电池特征，蓄电池的特征为附加说明，在同类用途的产品中具有某种特征需要在型号中加以区别时采用，特征也以汉语拼音字母表示（表1-1），如“A”表示干式负荷电极板。如果产品同时具有两种特征，原则上按表1-1的顺序将两个代号并列标示。而干封蓄电池一般略去不写。
4表示20h放电率额定容量，用阿拉伯数字表示，单位为A?h。
5表示特殊性能，用汉语拼音第一个字母表示，如G——表示薄型极板，高起动率；S——表示塑料外壳；D——表示低温起动性能好。
例如：东风EQl40汽车用6—Q—105型起动蓄电池，即是由6个单格电池串联，额定电压为12V，额定容量为105Ah的干封式起动型蓄电池。解放CAl41汽车用6—QA—100型蓄电池，即是由6个单格电池串联，额定电压为12V，额定容量为100Ah的干荷式起动型蓄电池。 表1-1 铅酸蓄电池特征代号
特征代号 蓄电池特征 特征代号 蓄电池特征 特征代号 蓄电池特征 A
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干荷电 J 胶体电解液 D 带液式
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H W
湿荷电 免维护
M B
密闭式 半密闭式
Y Q
液密式 气密式
S 少维护 F 防酸式 I 激活式
四、蓄电池的工作原理
蓄电池的充电过程和放电过程是一种可逆的化学反应，充放电过程中蓄电池内的导电是靠正、负离子的反向运动来实现的。 1．放电过程
当极板浸入电解液时，在负极板，有少量铅溶入电解液生成Pb2+，从而在负极板上留下两个电子2e，使负极板带负电，此时负极板具有0.1V的负电位。 在正极板处，少量PbO2溶入电解液，与水反应生成Pb（OH）4再分离成四价铅离子和氢氧根离子。
一部分Pb4+沉附在正极板上，使极板呈正电位，约为＋2.0V。故当外路未接通时，蓄电池的静止电动势E0约为： E0＝2.0 -（–0.1）＝2.1V
若接通外电路，在电动势的作用下，使电路产生电流If，在正极板处Pb4+ 和负极板来的电子结合，生成二价铅离子Pb+ +，Pb+ +再与电解液中的
SO42- 结合，生成PbSO4而沉附在正极板上，使得正极板电位降低，则正极板上的总反应式为：
在负极板处Pb2+与SO42-结合，生成PbSO4而沉附在负极板上。
如果外电路不中断，正、负极板上的PbO2和Pb将不断地转化为PbSO4。电解液中的H2SO4将不断的减小，而H2O增多，电解液相对密度下降。理论上讲，放电过程将进行到极板上的活性物质全部变为PbSO4为止。但由于电解液不能渗透到活性物质的最内层中去，在使用中，所谓放电完了的蓄电池，也只有20％~30％的活性物质变成了PbSO4。故采用薄型板，增加多孔率，有促于提高活性物质的利用率。 2．充电过程
充电时，蓄电池接直流电源，因直流电源端电压高于蓄电池电动势，故电流从正极流入，负极流出。这时，正、负极板发生的反应与放电过程相反，如 正极板处有少量PbSO4溶于电解液变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源力作用下失去两个电子变成Pb4+，它又和电解液中OH－结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉附在正极板上，而SO42-与电解液中的H+结合成H2SO4，
负极板上有少量PbSO4溶入电解液中，变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源作用下获得两个电子变成Pb，沉附在附报板上，SO42-则和电解液中H+结合变成H2SO4，。可见充电过程中消耗了水，生成了硫酸，故充电时电解液的相对密度是上升的，而放电时电解液相对密度是下降的。 五、蓄电池的工作特性
蓄电池的工作特性主要包括静止电动势、内阻、充放电特性和容量等。 1．静止电动势和内阻
在静止状态下（是指不充电不放电的情况），蓄电池正、负极板的电位差（即开路电压）称为蓄电池的静止电动势E0，其大小取决于电解液的相对密度和温度。在相对密度为1.050~1.300范围内，单格电池的静止电动势E0可用如下经验公式来近似计算：
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E0 =0.84 ＋γ15℃
式中，γ15℃为电解液在15℃时的相对密度。
实测所得电解液相对密度应按下式换算成15℃时的相对密度： γ15℃ = γt＋β（t－15） 式中，γt—实际测得的相对密度；t—实际测得的温度；β—相对密度温度系数，β=0.00075，即电解液温度升高1℃，相对密度下降0.00075。 蓄电池电解液的相对密度在充电时增高，放电时下降，一般在1.12~1.38之间波动，因此蓄电池的静止电动势也相应的变化在1.97~2.15V之间。
蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液、铅质联条等的内阻。充电后，极板电阻变小；放电后，由于生成的PbSO4增多，极板电阻增大。隔板电阻因所用材料而异，木质隔板电阻比其他隔板电阻大。
电解液的电阻随相对密度、温度而变化，电阻随温度的降低而增大，另外，当相对密度为1.2（15℃），因电解液离解最好，电阻最小。总之，蓄电池的内阻比较小，能获得较大的输出电流，适合起动的需要。 2．充电特性
蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压UC、电动势E和电解液相对密度γ15℃随时间变化的规律。
Ic.充电电流 Uc.充电端电压 E.电动势 E0.静止电动势 R0.内阻 t.充电时间 ΔE.电位差 γ15℃.电解液在15℃时的相对密度 在充电过程中，电解液相对密度r15℃，静止动电势E0与充电时间成直线关系增长。端电压Uc也不断上升，并总大于电动势E0。
充电开始阶段，电动势和端电压迅速上升，然后缓慢上升到2.3~2.4V，开始产生气泡，接着电压急剧上升到2.7V，但不再上升，电解液呈现“沸腾”状态，这就是充电终了。如果此时切断电流，电压将迅速降低到静止电动势E0的数值。 端电压Uc如此变化的原因是：刚开始充电时，在极板孔隙表层中，首先形成硫酸，使孔隙中电解液相对密度增大，Uc和E0迅速上升，当继续充电至孔隙中产生硫酸的速度和向外扩散速度达到平衡时，Uc和E0随着整个容器内电解液相对密度缓慢上升。当端电压达到2.3~2.4V时，极板上可能参加变化的活性物质几乎全部恢复为PbO2和Pb，若继续通电，便使电解液中水分解，产生H2和O2，以气泡形式放出，形成“沸腾”现象。因为氢离子在极板与电子的结合不是瞬时的而是缓慢的，于是在靠近负极板处积存大量的正离子H+，使溶液和极板产生附加电位差（0.33V），因而端电压急剧升高到2.7V左右，此时应切断电路，停止充电，否则不但不能增加蓄电池的电量，反而会损坏极板。 由此可知，蓄电池充电终了的特征是：
（1）蓄电池内产生大量气泡，形成“沸腾”现象；
（2）电解液相对密度，端电压上升到最大值，且2~3h内不再增加。 3．放电特性
蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf、电动势E和电解液相对密度r15℃随时间而变化的规律。
放电过程中，电流恒定，单位时间内所消耗的硫酸量是一定的，所以电解液的相对密度r15℃沿直线下降，一般r15℃每下降0.028~0.030，则蓄电池放电约为额定容量的25％。因静止电动势E0与r15℃成正比，所以E0也是沿直线下降。 放电过程中，因为蓄电池内阻只上有压降，所以端电压Uf总是小于电动势E，放电刚开始时，端电压Uf从2.1V迅速下降，这是因为极板孔隙中硫酸迅速消耗，
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相对密度降低的缘故。当渗透到极板孔隙的硫酸和消耗的硫酸达到平衡时，端电压将随着整个容器电解液的相对密度降低而缓慢下降到1.85V，接着迅速下降到1.75V，此时应停止放电，若继续放电，端电压将急剧下降，损坏极板，这是因为放电接近终了时，极板的活性物质大部分已转变为PbSO4而积聚在孔隙中，将孔隙堵塞，容器中电解液渗入极板内层比较困难，使极板孔隙中电解液相对密度迅速下降，从而使端电压急剧下降。蓄电池放电终了的特征是： (1) 电解液相对密度降低到最小许可值（约1.11）； (2) 单格电池的端电压降至放电终止电压值1.75V。 容许的放电终止电压与放电电流强度有关，放电电流强度越大，则放完电的时间越短，而容许的放电终止电压越低，见表1-2。 表1-2 放电电流与终止电压
0.05 C20.1 C20.25 C2
放电电流（A） C20 3 C20
0 0 0 连续放电时间（h） 20
10
3
0.5（30min） 5min
单格电池终止电压（V） 1.75 1.70 1.65 1.55 1.5
注：表中C20为蓄电池的额定容量。
4．蓄电池的容量及影响因素 （1） 蓄电池的容量
蓄电池的容量是指在放电容许的范围内蓄电池输出的电量，它标志蓄电池对外供电的能力。蓄电池的容量与放电电流大小、电解液的温度有关，因此，蓄电池的标称容量是在一定的放电电流、一定的终止电压和一定的电解液温度下确定的。标称容量有两种：额定容量和储备容量。
1）额定容量C20 根据国标GB5008.1—91《起动型蓄电池技术条件》规定，额定容量是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃，以20h的放电率放电至单格电压降到1.75V（12V蓄电池端电压下降至10.50±0.05V）时所输出的电量。
2）储备容量Cm 根据国标GB5008.1—9《起动型蓄电池技术条件》规定，Cm是指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以25A电流连续放电到单格电池电压降至1.75V所持续的时间，其单位为min。蓄电池的储备容量说明当汽车拖拉机充电系失效时，蓄电池尚能持续提供25A电流的能力。表示蓄电池在发动机起动时的供电能力，一般有常温起动容量和低温起动容量两种。 （2） 蓄电池容量的影响因素
影响蓄电池容量的因素主要有：放电电流、电解液温度、电解液相对密度和极板构造等。 1）放电电流 放电电流越大，则极板表面活性物质的孔隙很快被生成的PbSO4所堵塞，使极板内层的活性物质不能参加化学反应，故蓄电池容量减小。 2）电解液的温度
温度降低，则容量减小，这是因为温度降低后，电解液的粘度增加，渗入极板内部困难，同时内阻增大，蓄电池端电压下降所致。蓄电池电解液温度对蓄电池容量的影响如图1-9b所示。 3）电解液的相对密度
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