蓄电池性能检查及更换

1.2　蓄电池性能检查及更换

1.2.1　电源系统组成与作用

（1）电源系统的组成

汽车电源系统主要由蓄电池、发电机、调节器（有的装在发电机内）、放电警告灯（或称充电指示灯）、点火开关等组成，如图1.5所示。

（2）电源系统的作用

简单而言，汽车电源系统的作用就是向汽车上的用电设备供电。

在汽车上，蓄电池和发电机是并联连接配合供电的。它们配合供电的情况如下：

①启动发动机时，由蓄电池向起动机、点火系、仪表等主要用电设备供电。

②发动机启动后，发动机低速运转，发电机电压低于蓄电池电压时，由蓄电池向汽车上的用电设备供电。

③发动机正常运行，发电机电压高于蓄电池电压时，由发电机向汽车上除起动机以外的所有用电设备供电，同时向蓄电池充电。

④当同时工作的用电设备过多，用电量过大，超过发电机供电能力时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。

蓄电池、发电机与汽车用电设备都是并联的。在发动机正常工作时，用电设备主要由发电机供电，同时发电机还向蓄电池充电，所以发电机在汽车上是主要的供电电源；而启动时，主要由蓄电池向起动机提供强大的启动电流，所以将蓄电池称汽车的启动电源；放电警告灯用来指示蓄电池的充放电状况；调节器的作用是使发电机在转速变化时，能保持其输出电压恒定。

1.2.2　电源系统的电流流向

当点火开关处于ON位置时，电流从蓄电池流向发电机的励磁绕组供电。这是因为发电机是通过导体切割磁力线来发电的，但汽车发电机产生磁力线的磁体不是永久磁体，而是电磁体，它要通过内部线圈通以电流来产生磁场。因此，在启动发动机时，发电机准备发电之前必须由蓄电池向发电机励磁绕组供电。

当点火开关处于ACC或LOCK位置时，电源系统中电流的流向如图1.6所示。

图1.6　点火开关处于ACC或LOCK位置时的电流流向

当点火开关处于ON位置，但发动机不运行时，电源系统中电流的流向如图1.7所示。

图1.7　当点火开关处于ON位置，但发动机不运行时的电流流向

当点火开关处于ON位置，且发动机运行时，电源系统中电流的流向如图1.8所示。

图1.8　当点火开关处于ON位置，且发动机运行时的电流流向

1.2.3　蓄电池的结构及原理

蓄电池既是一种储存电能的装置，又是一个化学电源，它输出的电流是直流电。一旦连接外部负载（称放电）或接通充电电路（称充电），它便开始了能量转换过程。在放电过程中，蓄电池中的化学能转变成电能；在充电过程中，电能被转变成化学能。

图1.9　蓄电池及其在车上的安装位置

（1）蓄电池的用途

蓄电池的作用如下：

①在启动发动机期间，它为启动系统、点火系统、电子燃油喷射系统和仪表等汽车的其他电气设备供电；

②当发动机停止运转或低怠速运转的时候，由它给工程机械用电设备供电；

③当用电需求超过发电机供电能力时，蓄电池也参加供电；

④蓄电池起到了整车电气系统的电压稳定器的作用，能够缓和电气系统中的冲击电压，保护汽车上的电子设备；

⑤在发电机正常工作时，蓄电池将发电机发出多余的电能存储起来——充电。

（2）普通型蓄电池的结构

蓄电池通常由正极板、负极板、隔板、电解液、电池盖板、联条、加液孔塞和电池外壳组成，如图1.10，1.11所示。蓄电池一般分隔为3个或6个单格，每个单格电池的标称电压为2V，将3个或6个单格电池串联后制成一只6V或12V蓄电池总成。目前，装在汽油发动机的汽车上使用的是有6个单格电池组成的12V蓄电池，装在柴油发动机的汽车上使用的是由12个单格电池组成的24V蓄电池。

图1.10　蓄电池的结构图

图1.11　蓄电池的剖示图

蓄电池的正极板上是二氧化铅，负极板上是海绵状纯铅，它们是参与化学反应的活性物质。

在蓄电池中，与活性物质反应的电解质是由化学纯净硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成的，称电解液。水的质量密度为1g/cm³，硫酸的质量密度为1.84g/cm³，两者以不同的比例混合后形成不同密度的电解液。

蓄电池电解液的质量密度一般为（1.24～1.30）g/cm³。使用中，密度的大小应根据地区、气候条件（一般是低气温选高密度；高气温选低密度。在不致结冰的情况下，尽量选较低密度的电解液）和制造厂要求而定。

（3）蓄电池的工作原理

蓄电池的工作原理实质上就是化学能与电能的相互转化（如图1.12，1.13所示）。当蓄电池将化学能转化为电能而向外供电时，称为放电过程；当蓄电池与外界直流电源相连，而将电能转化为化学能储存起来时，称为充电过程。

图1.12　蓄电池的充放电

图1.13　蓄电池的充放电过程

（4）蓄电池充电

充电过程（如图1.14所示）是蓄电池与外接直流电源连接后，将放电时生成的硫酸铅和水还原成活性物质和硫酸的过程。

PbO₂＋Pb＋2H₂SO₄＝2PbSO₄＋2H₂O

当蓄电池充足电时，正极板上的硫酸铅还原成活性物质——二氧化铅，负极板上的硫酸铅还原成活性物质——纯铅。电解液中，水消耗，还原成硫酸。蓄电池的电量恢复。

图1.14　蓄电池的充电

图1.15　蓄电池的放电

（5）蓄电池放电

放电过程（如图1.15所示）是蓄电池与用电设备电路接通时，正极板上的二氧化铅、负极板上的纯铅与电解液反应生成硫酸铅和水的过程。

在电解液（纯硫酸＋蒸馏水）作用下，发生如图1.15所示的化学反应。

蓄电池的充、放电过程中的化学反应是可逆的，总的反应式如下：

理论上，放电过程可以进行到极板上的全部活性物质都转变为硫酸铅为止。实际上，由于放电过程中生成的硫酸铅的体积较原活性物质的体积大，先生成的硫酸铅逐渐地堵塞了极板的孔隙，使电解液不能渗透到极板内层，在大部分活性物质没有来得及参加化学反应时放电化学反应就停止了。

汽车用蓄电池放完电时的电压是1.75V（单格电池电压）。如电压下降到1.75V以下的放电为过度放电，过度放电会在极板上生成粗结晶的硫酸铅（称极板硫化故障），它在充电时不易还原，使极板损坏。

1.2.4　蓄电池常见故障

（1）极板硫化

1）故障现象

①电池容量降低，用高率放电计检测，单格电压迅速下降；

②电解液的密度下降到低于规定的正常数值；

③蓄电池在开始充电及充电完毕时电压过高，可达2.7V以上；

④蓄电池在充电时过早地产生气泡，甚至一开始充电就有气泡；

⑤蓄电池在充电时电解液温度上升得过快，易超过45℃；

⑥蓄电池放电时电压下降过快（用低放电率放电），过早地降至终止电压；

⑦在极板上生成坚硬、不易溶解的白色大颗粒。

2）故障原因

①蓄电池在放电与半放电状态下长期放置，由于硫酸铅在昼夜温度差存在的情况下，不断在电解液中有溶解与结晶两个相反的过程交替发生，产生再结晶，经过多次再结晶，便在极板上形成粗大的不易溶解的硫酸铅晶体。

②蓄电池经常过量放电或小电流深放电，从而在极板细小孔隙的内层生成硫酸铅，平时充电不易恢复。

③电解液液面过低，极板上部的活性物质露在空气中被氧化，汽车行驶时电解液的波动使其接触氧化了的活性物质，生成粗晶粒的硫酸铅。

④蓄电池大电流放电时间过长、放完电后未及时充电，极板上的放电产物硫酸铅长期存在，也会通过再结晶形成粗大的颗粒。

⑤电解液不纯或其他原因导致蓄电池自行放电，均会产生硫酸铅，从而为硫酸铅再结晶提供物质基础。

3）故障排除

蓄电池出现轻度硫化故障，可用2～3A的小电流长时间充电，即过充电；或用全放、全充的充放电循环方法使活性物质还原。也可用去硫充电的方法消除。硫化严重的蓄电池，应予报废。

去硫化充电的程序如下：

①首先倒出电池内的电解液，用蒸馏水冲洗两次后，再加入足够的蒸馏水；

②接通充电电路，将电流调到初充电第二阶段电流值进行充电。当密度升到1.15g/cm³时，倒出电解液，直到密度不再增加为止。

③以20h放电率放电至单格电池电压降低到1.75V时，再进行上述充电，充后又放电，如此充放电循环，直到输出容量达到额定容量的80%以上，即可投入使用。

（2）自行放电

蓄电池在无负载状态下，电量自行消失的现象称为自行放电，若每昼夜电量降低超过2%额定容量，说明蓄电池有自行放电故障。

1）故障现象

充足电的蓄电池放置不用，逐渐失去电量的现象。普通蓄电池由于本身结构的原因，会产生一定的自放电。如果使用中自放电在一定范围内，可视为正常现象，如果超出一定范围放电就应视为故障。一般自放电的允许范围在每昼夜在1%以内，如果每昼夜放电超过2%，就应视为故障。

2）故障原因

①电解液不纯，电解液中的杂质沉附于极板上产生局部放电。

②蓄电池溢出的电解液堆积在盖板上，使正负极桩形成回路。

③蓄电池长期放置不用，硫酸下沉，下部密度较上部大，极板上下部发生电位差引起自行放电等。

④极板活性物质脱落，下部沉淀物过多使极板短路。

3）故障排除

发生自行放电故障后，应倒出电解液，取出极板组，抽出隔板，再用蒸馏水冲洗极板和隔板，然后重新组装，加入新的电解液重新充电。

（3）蓄电池容量达不到规定要求

1）故障现象

①汽车启动时，起动机转速很快地减慢，转动无力；

②按喇叭声音弱、无力；

③开启大灯，灯光暗淡；

2）故障原因

①使用新蓄电池前未按要求进行初充电。

②发电机调节器电压调得过低，使蓄电池经常充电不足。

③经常长时间启动起动机，造成大电流放电，致使极板损坏。

④电解液的相对密度低于规定值，或在电解液渗漏后，只加注蒸馏水，未及时补充电解液，致使电解液的相对密度降低。

⑤电解液的相对密度过高或电解液液面过低，造成极板的硫化。

3）故障排除

①首先检查蓄电池的外部，看外壳是否良好，有无裂纹，表面是否清洁，极板上是否有腐蚀及污物。如有，则为蓄电池外部自放电故障，根据相应故障予以排除。

②检查蓄电池搭铁接线，极柱的连接夹子有无松动，蓄电池接线极柱与极板连接处有无断裂。如有，则为输出电阻过大，电压降低。

③测量蓄电池的电解液密度，如电解液密度低，说明充电不足或新蓄电池未按要求经过充、放电循环，使蓄电池未达到规定的容量。

④检查电解液液面高度，如果电解液液面高度不足，且在极板上有白色结晶物质存在，则可能存在极板硫化故障。

⑤蓄电池充电后检查电解液密度，如果出现两个相邻的电池中电解液的密度有明显差别，如在6个单格电池中，5个电池的电解液密度为1.16g/cm³，另一个电池的密度为1.08g/cm³，则说明该单格电池内部有短路，不能使用。

⑥必要时，检查发电机电压调节器的调节电压。

1.2.5　蓄电池技术状况的检查

蓄电池技术状况的检测包括电解液液面高度的检查、蓄电池端电压的检测、电解液密度的测量及蓄电池放电程度的检查。

图1.16　蓄电池电解液液面高度

（1）蓄电池电解液液面高度的检查

必须定期的检查电解液的高度，如有必要应添加蒸馏水。

蓄电池的壳体为透明或半透明材料制成的，在上面有正常液位范围标记（如图1.16所示）。电解液的液位必须在该范围之内，即保持足够高以没过各电解槽中的极板。

（2）蓄电池端电压的检测

1）用高率放电计测量单格电池的端电压（如图1.17所示）测量时，按以下步骤进行：

①放电叉的两触针紧压在蓄电池单格的正、负极桩上。

②测量5s，观察放电计的电压，记录电压值。

③分别测得6个单格的电压。此时，蓄电池是在大电流放电情况下的端电压，各单格的端电压应在1.5V以上，且能稳定5s。如果各单格的电压低于1.5V，但5s内尚能稳定者，则为放电过多，应及时进行充电恢复；单格电压低于1.5V，且5s内电压迅速下降，则表示有故障。某单格无电压指示，说明内部有短路、断路或严重硫化故障。

2）用万用表测量蓄电池的端电压（如图1.18所示）

图1.17　放电计测量单格电池的端电压

图1.18　用万用表测量蓄电池的端电压

①将万用表置于直流10V挡；

②将万用表的正表笔接蓄电池单格的正极端，负表笔接负极端。

③读出指示电压值，2V为正常值。

④电压值低于1.7V，表明蓄电池已放电，需进行保养充电。

3）放电程度的检查方法

电解液密度与放电程度的关系为，电解液密度每下降0.01g/cm³相当于蓄电池放电6%。当判定蓄电池在夏季放电超过50%，冬季放电超过25%时，则蓄电池不宜再使用，应及时进行充电；否则，会使蓄电池早期损坏。蓄电池的放电程度可通过用密度计测量电解液密度来估算（如图1.19所示），也可用高率放电计测量单格电池电压来判定。

图1.19　放电程度的检查

1.2.6　汽车用其他电池

（1）干式荷电铅蓄电池

干式荷电铅蓄电池的组成与普通蓄电池相同，而其区别在于：

①制造过程中就使极板处于干燥的已充足电的状态，即已具备电荷。

②在规定的保存期（两年内），如需使用，只需要向电池内加注符合规定的电解液，静放15分钟，将电解液调整到规定高度，即可装用，无需进行初充电。

（2）免维护蓄电池

免维护蓄电池又称MF蓄电池。免维护是指在汽车合理使用期间，不需要对蓄电池进行加注蒸馏水、检测电解液液面高度、检测电解液密度等维护作业。免维护蓄电池的特点如下：

①栅架材料采用铅钙合金，既提高了栅架的机械强度，又减少了蓄电池的耗水量和自放电。

②采用了袋式微孔聚氯乙烯隔板，将正极板装在隔板袋内，既可避免正极板上的活性物质脱落，又能防止极板短路。因此，壳体底部不需要凸起的肋条，降低了极板组的高度，增大了极板上方的容积，使电解液贮存量增多。

③蓄电池内部安装有电解液密度计，可自动显示蓄电池的存电状态和电解液液面的高低。如果密度计的观察窗呈绿色，表明蓄电池存电充足，可正常使用；若显示深绿色或黑色，表明蓄电池存电不足，需补充充电；若显示浅黄色，表明蓄电池已接近报废。

④采用了新型安全通气装置和气体收集器，在孔盖内部设置了一个氧化铝过滤器，可阻止水蒸气和硫酸气体通过，同时又可以使氢气和氧气顺利逸出。通气塞中装有催化剂钯，可促使氢、氧离子重新结合成水回到蓄电池中。

大多数免维护蓄电池设有一个指示荷电状况的多孔形液体密度计，它会根据电解液密度的变化而改变颜色，可指示蓄电池充、存电状态和电解液液位的高度。如图1.20所示。

图1.20　免维护蓄电池内装式密度计

1—绿色（充电程度为65%或更高）；2—黑色（充电程度低于65%）；3—浅黄色（蓄电池有故障）；4—蓄电池盖；5—观察窗；6—光学的荷电状况指示器；7—绿色小球

1.2.7　电动汽车蓄电池的种类和特点

电动汽车用蓄电池的种类很多，例如铅酸电池、镉镍（Ni-Cd）电池、氢镍（Ni-MH）电池、硫（Na-S）电池、锂电池、锌-空电池、飞轮电池、燃料电池、太阳能电池等。

镉镍电池作为电动汽车动力源，有一个需要十分注意的问题：如果使用后没得到很好的回收，蓄电池中的重金属镉将会造成严重的环境污染。因此，尽管在近几年来，美国、欧洲和日本对镉镍蓄电池中的镉几乎达到了100%的回收和再生，但一些环境保护人士仍反对在电动汽车上使用这种电池。

氢镍电池和镉镍电池一样，也属于碱性电池，它的许多基本特性和镉镍电池相似，但氢镍电池不像镉镍电池那样存在重金属污染问题，它不含镉和铅之类的重金属，使用后回收不是主要问题，被称为“绿色电池”。

锂电池（这里主要指二次锂电池）具有比能量高等一系列优点，受到了美国、欧洲和日本的高度重视，并把电动汽车与燃油机汽车全面竞争的希望寄托于它的成功。