汽車(chē)用鉛酸蓄電池的容量預(yù)估研究

杭州明　邴智剛　王新華　陳立新　許恒

摘要 ：鉛酸蓄電池容量的預(yù)測(cè)一直是鉛酸蓄電池研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于普通汽車(chē)用鉛酸蓄電池一般采用的密度法或內(nèi)阻法等方法用于單次循環(huán)中剩余容量的預(yù)測(cè)，而本文則研究了這兩種常用的預(yù)測(cè)方法與循環(huán)容量的關(guān)系，試圖尋找更優(yōu)的容量預(yù)測(cè)方法，以提高電池的循環(huán)使用壽命。

關(guān)鍵詞 ：鉛酸蓄電池 容量 密度 內(nèi)阻

1、引言

鉛酸蓄電池以其具有大電流放電性能、電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、安全性高和可再生利用、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)勢(shì)，因此，鉛酸蓄電池被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、通訊、電力、鐵路、礦山、港口、國(guó)防、計(jì)算機(jī)、科研等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域。從應(yīng)用領(lǐng)域的角度來(lái)看，主要可分為：①汽車(chē)電池（包括汽車(chē)、摩托車(chē)、拖拉機(jī)、船舶、內(nèi)燃機(jī)等點(diǎn)火、起動(dòng)、照明用）；②動(dòng)力電池（包括電動(dòng)助力車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)、電動(dòng)道路車(chē)等[1]。

電池容量和壽命是電池性能的重要指標(biāo)，而電池容量的預(yù)測(cè)一直是電池研究領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)，也是提高電池壽命的一個(gè)關(guān)鍵。目前，單次循環(huán)中鉛酸蓄電池剩余容量的預(yù)測(cè)方法主要有以下幾種。

（1）放電試驗(yàn)法是大家公認(rèn)的最可靠的剩余容量估計(jì)方法。按某一放電倍率的電流將電池進(jìn)行連續(xù)放電至規(guī)定的剩余容量零點(diǎn)，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余容量。該方法適用于所有電池。但是，該方法有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：①需要大量時(shí)間和人力； ②電池正在進(jìn)行的工作不得不中斷，無(wú)法實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè)[2]。

（2）開(kāi)路電壓法。因?yàn)殂U酸蓄電池的剩余容量與它的開(kāi)路電壓有一定的正比關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)開(kāi)路電壓能夠直接預(yù)測(cè)剩余容量的大小。但是，該方法的缺點(diǎn)是電池必須離線，且隨著電池老化、剩余容量下降時(shí)，開(kāi)路電壓變化不明顯，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余容量[3]。

（3）內(nèi)阻法

在蓄電池的老化進(jìn)程中，極板的硫酸化、活性物質(zhì)的脫落、電解液的干洞等

隨時(shí)間推移而加劇。這些變化會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量的減少，同時(shí)使蓄電池歐姆電阻

呈逐漸增加的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，蓄電池歐姆內(nèi)阻可作為表示其容量和完好性的有

效指標(biāo)，在蓄電池的老化過(guò)程中，其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時(shí)端電壓的提高，直到內(nèi)阻上升了60%以上端電壓才有明顯的增大，而端電壓的增大正是電解液干潤(rùn)的表現(xiàn)。因此，蓄電池的內(nèi)阻具有很好的預(yù)測(cè)性，可以利用測(cè)量蓄電池內(nèi)阻來(lái)評(píng)估和預(yù)測(cè)蓄電池的性能[3]。但在放電的初期內(nèi)阻隨放電率的變化并不明顯，即在電池放電的前期，應(yīng)用內(nèi)阻法不準(zhǔn)確[4]。

（4）電解液密度法。鉛蓄電池的充、放電是靠蓄電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的可逆反應(yīng)來(lái)完成的。放電時(shí)，負(fù)極板上海綿狀的鉛和正極板上的二氧化鉛都逐漸轉(zhuǎn)變成硫酸鉛，同時(shí)消耗一部分硫酸，增加了一部分水，電解液的濃度減小，密度降低。充電時(shí)，隨著電流的通過(guò)，負(fù)極板上的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成深灰色的海綿狀的鉛，正極板上的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有硫酸生成，電解液中硫酸的成分增加，水分減少，電解液濃度增加，密度升高。故可以用測(cè)量密度的方法來(lái)判斷電池的充、放電程度 [4]。但對(duì)于密封鉛酸蓄電池，這種蓄電池檢測(cè)溶液密度十分困難。另一方面在于充電時(shí)產(chǎn)生冒氣現(xiàn)象，即水分解成氧氣和氫氣從正負(fù)極冒出，這樣使得鉛酸蓄電池溶液水分減少，密度增加，從而影響這種方法的準(zhǔn)確性[3]。

以上研究表明，電池剩余容量的預(yù)測(cè)方法在單一使用時(shí)，均存在優(yōu)缺點(diǎn)，而且，對(duì)于循環(huán)過(guò)程中，電池循環(huán)容量的預(yù)測(cè)方法則報(bào)道較少，電池在循環(huán)使用過(guò)程中，由于不能正確估計(jì)蓄電池的容量而對(duì)蓄電池造成損害，使得蓄電池壽命減少。

2、實(shí)驗(yàn)

本文選擇了12V/60Ah的汽車(chē)用鉛酸蓄電池進(jìn)行了循環(huán)容量與電解液密度及電池內(nèi)阻的變化關(guān)系的研究。

圖1（a）為放電容量的循環(huán)曲線，由圖可見(jiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池的放量容量呈下降趨勢(shì)，并且下降分為三個(gè)階段，前5次循環(huán)容量下降速度很快，從第6次到第30次循環(huán)時(shí)，電池的容量下降速度比較小，僅下降了1Ah， 隨后電池的容量隨著循環(huán)次數(shù)的增加直線下降，到第100次循環(huán)時(shí)，電池容量?jī)H為15.4Ah。

圖1（b）為循環(huán)次數(shù)與放電后電解液密度的關(guān)系曲線，由圖可見(jiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電解液密度總體呈下降趨勢(shì)，前五次循環(huán)，電解液密度急劇下降，從1.141g/cm3下降到了1.1g/cm3左右，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到30次循環(huán)時(shí)，電解液密度緩慢從1.1g/cm3增加到了1.11g/cm3，隨后隨著循環(huán)次數(shù)增加到40次，電解液密度也驟升至1.131g/cm3，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到100次時(shí)，電解液密度緩慢下降至1.12g/cm3。

圖1（c）為循環(huán)次數(shù)與放電后電池內(nèi)阻的關(guān)系曲線，由圖可見(jiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)阻總體呈增加趨勢(shì)，第二次循環(huán)時(shí)電池內(nèi)阻從10.4mΩ降到7.9mΩ，當(dāng)電池循環(huán)增加到4次時(shí)，電池內(nèi)阻快速增加至21.7mΩ，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到34次時(shí)，電池內(nèi)阻緩慢降至21mΩ，但在35次循環(huán)時(shí)，電池內(nèi)阻驟降至16.1mΩ，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到100次時(shí)，電池內(nèi)阻下降到了14.5mΩ。

由以上示圖及分析可見(jiàn)，電池容量與電解液密度及電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)在5次及30次左右循環(huán)的時(shí)候，數(shù)據(jù)上均有一個(gè)比較大的變化，并且在5次循環(huán)和30次循環(huán)之間，電池容量，電解液密度和電池內(nèi)阻的數(shù)據(jù)變化相對(duì)都較小，此外，在40次循環(huán)時(shí)，電解液密度和電池內(nèi)阻都出現(xiàn)了一個(gè)區(qū)域極值，這說(shuō)明電解液密度，內(nèi)阻數(shù)據(jù)與電池容量這三者存在一定的相關(guān)性，關(guān)于這三者之間的量化關(guān)系已在進(jìn)一步研究中。

有研究指出，單次循環(huán)中電池內(nèi)阻變化較大時(shí)，可以定性判定電池性能已經(jīng)大幅下降[5]，這與本文的循環(huán)容量與內(nèi)阻的變化關(guān)系一致。

3、結(jié)論

（1）鉛酸蓄電池的循環(huán)容量與電池電解液和電池內(nèi)阻存在一定的關(guān)聯(lián)。

（2）循環(huán)測(cè)試中，鉛酸蓄電池的電池電解液和電池內(nèi)阻的變化存在反比關(guān)系。

（3）鉛酸蓄電池的循環(huán)容量，電池電解液密度和電池內(nèi)阻三者之間尚不存在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，這三者的定量關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]安石妍.鉛酸蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀與回收利用.黑龍江科技信息，2012，13：83.

[2]喬波強(qiáng)，侯振義，王佑民.蓄電池剩余容量預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展.電源世界，2012，2：21-26.