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新闻主题	柴油发电机蓄电池的作用

 

摘要：每台柴油发电机必须配有启动电瓶，由于它主要作用是用于启动柴油发电机组的动力能源，提供电流一般为200～600A，所以称为启动蓄电池。其原理是进入开机状态后，蓄电池里的电能就会和柴油机的电动起动机导通，起动机旋转，带动柴油机，使柴油机启动并正常运转。柴油机常用蓄电池的电压有12V和24V两种，其中，12V蓄电池用于小型柴油机的启动；多缸柴油机通常采用24V蓄电池，通常用两只12V蓄电池串联起来使用。

 

一、启动蓄电池结构

 

      普通铅蓄电池具有价格低廉、供电可靠和电压稳定等优点，因此，广泛应用于柴油发电机组的启动系统。但是普通铅蓄电池在使用过程中，需要经常添加电解液，而且还会产生腐蚀性气体，污染环境，损伤设备。阀控式铅蓄电池具有密封性好、无泄漏和无污染等特点，能够保证各种电气设备的安全，在使用过程中不需添加电解液，其使用越来越普遍。普通铅蓄电池与其他蓄电池一样，主要由电极（正负极板）、电解液、隔板、电池槽和其他一些零件如端子、连接条及排气栓等组成。

 1、电极

      电极又称极板，极板有正极板和负极板之分，由活性物质和板栅两部分构成的。正、负极的活性物质分别是棕褐色的二氧化铅（PbO₂）和灰色的海绵状铅（Pb）。极板依其结构可分为涂膏式和管式，如图1所示。

（1）极板的作用：

      极板在蓄电池中的作用，一是发生电化学反应，实现化学能与电能之间的相互转换；二是传导电流。

（2）板栅的作用：

     板栅在极板中的作用，一是作活性物质的载体，因为活性物质呈粉末状，必须有板栅作载体才能成形；二是实现极板传导电流的作用，即依靠其栅格将电极上产生的电流传送到外电路，或将外加电源传入的电流传递给极板上的活性物质。为了有效地保持住活性物质，常常将板栅造成具有截面积大小不同的横、竖筋条的栅栏状，使活性物质固定在栅栏中，并具有较大的接触面积。

      常用的板栅材料有铅锑合金、铅锑砷合金、铅锑砷锡合金、铅钙合金、铅钙锡合金、铅锶合金、铅锑镉合金、铅锑砷铜锡硫（硒）合金和镀铅铜等。普通铅蓄电池采用铅锑系列合金作板栅，其电池的自放电比较严重；而阀控式密封铅蓄电池采用无锑或低锑合金板栅，可减少电池的自放电，以减少电池内水分的损失。

      将若干片正或负极板在极耳部焊接成正或负极板组，以增大电池的容量，极板片数越多，电池容量越大。通常负极板组的极板片数比正极板组的要多一片。组装时，正负极板交错排列，使每片正极板都夹在两片负极板之间，如图2所示。其目的是使正极板两面都均匀地起电化学反应，产生相同的膨胀和收缩，减少极板弯曲的机会，以延长电池的寿命。

 

图1  发电机组蓄电池涂膏式与管式极板的板栅

图2  发电机组蓄电池正负极板交错排列

 

2、电解液

（1）电解液在电池中的作用

① 与电极活性物质表面形成界面双电层，建立起相应的电极电位；

② 参与电极上的电化学反应；

③ 起离子导电的作用。

      铅蓄电池的电解液是用纯度在化学纯以上的浓硫酸和纯水配制而成的稀硫酸溶液，其浓度用15℃时的密度来表示。铅蓄电池的电解液密度范围的选择，不仅与电池的结构和用途有关，而且与硫酸溶液的凝固点、电阻率等性质有关。

（2）硫酸溶液的特性

      纯的浓硫酸是无色透明的油状液体，15℃时的密度是1.8384kg/L，它能以任意比例溶于水中，与水混合时释放出大量的热，具有极强的吸水性和脱水性。铅蓄电池的电解液就是用纯的浓硫酸与纯水配制成的稀硫酸溶液。

① 硫酸溶液的凝固点。

      硫酸溶液的凝固点随其浓度的不同而不同，将15℃时密度各不相同的硫酸溶液冷却，可测得其凝固温度，并绘制成凝固点曲线如图3所示。由图可见，密度（15℃）为1.290kg/L的稀硫酸具有最低的凝固点，约为-72℃。启动用铅蓄电池在充足电时的电解液密度（15℃）为1.28～1.30kg/L，可以保证电解液即使在野外严寒气候下使用也不凝固。但是，当蓄电池放完电后，其电解液密度（15℃）可低于1.15kg/L，所以放完电的电池应避免在-10℃以下的低温中放置，并应立即对电池充电，以免电解液冻结。

② 硫酸溶液的电阻率。

      作为铅蓄电池的电解液，应具有良好的导电性能，使蓄电池的内阻较小。硫酸溶液的导电特性，可用电阻率来衡量。而其电阻率的大小，随温度和密度的不同而有所不同，如表1所列。

表1    各种密度的硫酸溶液的电阻率

     由图4可见，当硫酸溶液的密度（15℃）在1.15～1.30kg/L之间时，电阻较小，其导电性能良好，所以，铅蓄电池都采用此密度范围内的电解液。当其密度（15℃）为1.200kg/L时，电阻率最小。由于固定用防酸隔爆式铅蓄电池的电解液量较多，为了减小电池的内阻，可采用密度（15℃）接近于1.200kg/L的电解液，所以选用密度（15℃）为1.200～1.220kg/L的电解液。

 

图3  发电机组蓄电池硫酸溶液的凝固特性

图4  蓄电池硫酸溶液的电阻率

 

③ 硫酸溶液的收缩性。

      浓硫酸与水配制成稀硫酸时，配成的稀硫酸的体积比原浓硫酸和水的体积之和要小。这是由于硫酸分子和水分子的体积相差很大。其收缩量随配制的稀硫酸的密度大小而异，当稀硫酸的密度（15℃）小于1.600kg/L时，收缩量随密度的增加而增加；当稀硫酸的密度（15℃）高于1.600kg/L时，收缩量随密度的增加反而减小。如表2所示。 

表2    硫酸的收缩量

 

④ 硫酸溶液的黏度。

      硫酸溶液的黏度与温度和浓度有关，温度越低、浓度越高，则其黏度越大。浓度较高的硫酸溶液，虽然可以提供较多的离子，但由于黏度的增加，反而影响离子的扩散，所以铅蓄电池的电解液浓度并非越高越好，过高反而降低电池容量。同样，温度太低，电解液的黏度太大，影响电解液向活性物质微孔内扩散，使放电容量降低。硫酸溶液在各种温度下的黏度如表3所示。

表3   硫酸溶液的黏度随温度和浓度的变化

 

注：表中各列数据分别为不同浓度（10％、20％、30％、40％、50％）硫酸溶液随温度变化的黏度值，单位为10^-3Pa·s。

（2）电解液的纯度与浓度

① 电解液的纯度。

     普通铅蓄电池在启用时，都必须由使用者配制合适浓度（用密度表示）的电解液。阀控式密封铅蓄电池的电解液在生产过程中已经加入电池当中，使用者购回电池后可直接将其投入使用，而不必灌注电解液和初次充电。普通铅蓄电池用的硫酸电解液，必须使用规定纯度的浓硫酸和纯水来配制。因为使用含有杂质的电解液，不但会引起自放电，而且会引起极板腐蚀，使电池的放电容量下降，并缩短其使用寿命。

      化学试剂的纯度按其所含杂质量的多少，分为工业纯、化学纯、分析纯和光谱纯等。工业纯的硫酸杂质含量较高，从外观看呈现一定的颜色，不能用于配制铅蓄电池的电解液。用于配制铅蓄电池电解液的浓硫酸的纯度，至少应达到化学纯。配制电解液用的水必须用蒸馏水或纯水。在实际工作中常用其电阻率来表示纯度，铅蓄电池用水的电阻率要求＞100kΩ·cm（即体积为1cm³的水的电阻值应大于100kΩ）。

② 电解液的浓度。

      铅蓄电池电解液浓度通常用15℃时的密度来表示。对于不同用途的蓄电池，电解液的密度也各不相同。对于防酸隔爆式铅蓄电池来说，其体积和重量无严格限制，可以容纳较多的电解液，使放电时密度变化较小，因此可以采用较稀而且电阻率最低的电解液。不同用途的铅蓄电池所用电解液的密度（充足电后应达到的密度）范围列于表4中。

表4    铅蓄电池电解液密度

3、隔板（膜）

      隔板（膜）的作用是防止正、负极因直接接触而短路，同时要允许电解液中的离子顺利通过。组装时将隔板（膜）置于正负极板之间。用作隔板（膜）的材料必须满足以下要求。

① 化学性能稳定

      隔板（膜）材料必须有良好的耐酸性和抗氧化性，因为隔板（膜）始终浸泡在具有相当浓度的硫酸溶液中，与正极相接触的一侧，还要受到正极活性物质以及充电时产生的氧气的氧化。

② 具有一定的机械强度

      极板活性物质因电化学反应会在铅和二氧化铅与硫酸铅之间发生变化，而硫酸铅的体积大于铅和二氧化铅，所以在充放电过程中极板的体积有所变化，若维护不好，极板会发生变形。由于隔板（膜）处于正负极板之间，而且与极板紧密接触，所以必须有一定的机械强度才不会因为破损而导致电池短路。

③ 不含有对极板和电解液有害的杂质

      隔板（膜）中有害的杂质可能会引起电池的自放电，提高隔板（膜）的质量是减少电池自放电的重要环节之一。

④ 微孔多而均匀

      隔板（膜）的微孔主要是保证硫酸电离出的H＋和SO2-能顺利地通过隔板（膜），并到达正负极与极板上的活性物质起电化学反应。隔板（膜）的微孔大小应能阻止脱落的活性物质通过，以免引起电池短路。

⑤ 电阻小

      隔板（膜）的电阻是构成电池内阻的一部分，为了减小电池的内阻，隔板（膜）的电阻必须要小。

      具有以上性能的材料就可以用于制作隔板（膜）。早期采用的木隔板具有多孔性和成本低的优点，但其机械强度低且耐酸性差，现已被淘汰；20世纪70年代至90年代初期，主要采用微孔橡胶隔板；之后相继出现了PP（聚丙烯）隔板、PE（聚乙烯）隔板和超细玻璃纤维隔膜及其他的复合隔膜。

4、电池槽及盖

      电池槽的作用是用来盛装电解液、极板、隔板（膜）和附件等。用于电池槽的材料必须具有耐腐蚀、耐振动和耐高低温等性能。用作电池槽的材料有多种，根据材料的不同可分为玻璃槽、衬铅木槽、硬橡胶槽和塑料槽等。早期的启动用铅蓄电池主要用硬橡胶槽，中小容量的固定用铅蓄电池多用玻璃槽，大容量的则用衬铅木槽。20世纪60年代以后，塑料工业发展迅速，启动用电池的电池槽逐渐用PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PPE（聚丙烯和聚乙烯共聚物）代替，固定用电池则用改性聚苯乙烯（AS）代替。

      电池槽的结构也根据电池的用途和特性而有所不同。比如普通铅蓄电池的电池槽结构有只装一只电池的单一槽和装多只电池的复合槽两种，前者用于单体电池（如固定用防酸隔爆式铅蓄电池），后者用于串联电池组（如启动用铅蓄电池）。电池盖上有正负极柱、排气装置、注液孔等。如启动用铅蓄电池的排气装置就设置在注液孔盖上；防酸隔爆式铅蓄电池的排气装置为防酸隔爆帽；阀控式密封铅蓄电池的排气装置是一单向排气阀。

5、附件

① 支承物

      普通铅蓄电池内的铅弹簧或塑料弹簧等支承物，起着防止极板在使用过程中发生弯曲变形的作用。

② 连接物

      连接物又称连接条，是用来将同一蓄电池内的同极性极板连接成极板组，或者将同型号电池连接成电池组的金属铅条，起连接和导电的作用。单体蓄电池间的连接条可以在蓄电池盖上面（如图5所示），也可以采用穿壁内连接方式连接电池（如图6所示），后者可使蓄电池外观整洁、美观。

③ 绝缘物

      在安装固定用铅蓄电池组的时候，为了防止电池漏电，在蓄电池和木架之间，以及木架和地面之间要放置绝缘物，一般为玻璃或瓷质（表面上釉）的绝缘垫脚。为使电池平稳，还需加软橡胶垫圈。这些绝缘物应经常清洗，保持清洁，不让酸液及灰尘附着，以免引起蓄电池漏电。

图5 铅蓄电池的构造（外部连接方式）

图6 发电机组铅蓄电池结构（穿壁内连接方式）

 

二、启动蓄电池的作用和原理

 

1、启动蓄电池的作用

（1）启动蓄电池在柴油发电机组中扮演着至关重要的角色，主要负责提供启动柴油机时所需的强大电流，帮助起动机顺利运作，从而启动柴油机，如图7所示。

（2）除了在柴油机启动时向启动马达提供必要的电力外（如图8所示），启动蓄电池还能替代充电发电机向用电设备供电，保证柴油发电机组电气系统的正常运行。

（3）启动蓄电池还能吸收机内电路中产生的瞬间高压，保护用电设备免受损害，并且，在发电机端电压高于蓄电池电压时，启动蓄电池能将一部分电能转化为化学能储存起来，为柴油发电机组提供持续的能量来源。

 

图7  柴油发电机启动系统示意图

图8  启动马达工作过程示意图

 

2、放电过程

      经长期的实践证明，“双极硫酸盐化理论”是最能说明铅蓄电池工作原理的学说。该理论可以描述为：铅蓄电池在放电时，正负极的活性物质均变成硫酸铅（PbSO4），充电后又恢复到原来的状态，即正极转变成二氧化铅（PbO2），负极转变成海绵状铅（Pb）。

      当铅蓄电池接上负载时，外电路便有电流通过。图9表明了放电过程中两极发生的电化学反应。有关的电化学反应为：

① 负极反应 ：Pb－2e＋SO2 4→PbSO₄；

② 正极反应：PbO₂＋2e＋4H^＋＋SO2 4→PbSO₄＋2H₂O；

③ 电池反应：Pb＋4H^＋＋2SO2— 4＋PbO₂→2PbSO₄＋2H₂O或 Pb＋2H₂SO₄＋PbO₂→PbSO₄＋2H₂O＋PbSO₄。

      从上述电池反应可以看出，铅蓄电池在放电过程中两极都生成了硫酸铅，随着放电的不断进行，硫酸逐渐被消耗，同时生成水，使电解液的浓度（密度）降低。因此，电解液密度的高低反映了铅蓄电池放电的程度。对富液式铅蓄电池来说，密度可以作为电池放电终了的标志之一。通常，当电解液密度下降到1.15～1.17kg/L左右时，应停止放电，否则蓄电池会因过量放电而遭到损坏。

3、充电过程

（1）电极反应

      当铅蓄电池接上充电器时，外电路便有充电电流通过。图10表明了充电过程中两极发生的电化学反应。有关的电极反应为：

① 负极反应：PbSO₄＋2e→Pb＋SO2— 4；

② 正极反应：PbSO₄－2e＋2H₂O→PbO₂＋4H^＋＋SO2— 4；

③ 电池反应：2PbSO₄＋2H₂O→Pb＋4H^＋＋2SO2— 4＋PbO₂或PbSO₄＋2H₂O＋PbSO₄→Pb＋2H₂SO₄＋PbO₂。

      从电极反应和电池反应可以看出，铅蓄电池的充电反应恰好是其放电反应的逆反应，即充电后极板上的活性物质和电解液的密度都恢复到原来的状态。所以，在充电过程中，电解液的密度会逐渐升高。对富液式铅蓄电池来说，可以通过电解液密度的大小来判断电池的荷电程度，也可以用其密度值作为充电终了的标志，例如启动用铅蓄电池充电终了的密度d15＝1.28～1.30kg/L，固定用防酸隔爆式铅蓄电池充电终了的密度d15＝1.20~1.22kg/L。

（2）充电后期分解水的反应

      铅蓄电池在充电过程中还伴随有电解水反应，其化学反应式如下：

① 负极：2H^＋＋2e ══H₂↑

② 正极：H₂O－2e══2H^＋＋1/20₂↑

③ 总反应： H₂O══H₂↑＋1/20₂↑

      这种反应在铅蓄电池充电初期是很微弱的，但当单体电池的端电压达到2.3V/只时，水的电解开始逐渐成为主要反应。这是因为端电压达2.3V/只时，正负极板上的活性物质已大部分恢复，硫酸铅的量逐渐减少，使充电电流用于活性物质恢复的部分越来越少，而用于电解水的部分越来越多。对于富液式铅蓄电池来说，此时可观察到有大量气泡逸出，并且冒气越来越激烈，因此可用充电末期电池冒气的程度作为充电终了的标志之一。但对于阀控式密封铅蓄电池来说，因其是密封结构，充电后期为恒压充电（恒定电压在2.3V/只左右），充电电流很小，而且正极析出的氧气能在负极被吸收，所以不能观察到冒气现象。

 

图9 发电机组放电过程中的电化学反应示意图

图10 发电机组充电过程中的电化学反应示意图

 

总结：

      以上所述内容就是柴油发电机所用的启动电池结构和工作原理。需要注意的是环境温度过高会使电池过充电产生气体，环境温度过低会使电池充电不足，一般要求发电机房环境温度在不能大于40℃，不能小于0℃；此外，新的蓄电池可能存在电量并非100%。因此更换新的蓄电池后，在安装后投入使用前，根据电池的开路电压判断电池的剩余容量，采用不同的方法对蓄电池进行补充充电。

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