电动车用蓄电池之作用原理与构造

关键词： 电动车用蓄电池之作用原理与构造                                          

所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。构成铅蓄电池之主要成份如下：

阳极板(过氧化铅.PbO2)---> 活性物质
阴极板(海绵状铅.Pb) ---> 活性物质
电解液(稀硫酸) ---> 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O
电池外壳 
隔离板 
其它(液口栓.盖子等)

一、铅蓄电池之原理与动作

    铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： 
(阳极) (电解液) (阴极) 
PbO2  +  2H2SO4  +  Pb  --->  PbSO4 + 2H2O + PbSO4   (放电反应) 
(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) 
　
(阳极) (电解液) (阴极)
PbSO4  +  2H2O   +  PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb  (充电反应) 
(硫酸铅) (水) (硫酸铅) 
　
1. 放电中的化学变化 
    蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物『硫酸铅』。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 

2. 充电中的化学变化 
    由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。 

二、电动车用蓄电池的构造

电动车用蓄电池,必须具备以下条件: 
◎ 高性能 
◎ 耐震.耐冲击 
◎ 寿命长 
◎ 保养容易 
由于玻璃纤维管式铅蓄电池是累积多次实验结果而制成，故具有多项优点。

1.极板 
    根据蓄电池容量选择适当规格极板及数量组合而成。于充放电时,两极活性物质随着体积的变化而反复膨胀与收缩。两极活性物质中，阴极板之海绵状铅的结合力较强，而阳极板之过氧化铅的结合力弱，因而在充放电之际，会徐徐脱落，此即为铅蓄电池寿命受到限制的原因。期使蓄电池使用期限延长，能耐震并耐冲击，则阳极板的改良即成当急要务。

• 玻璃纤维管式的阳极板: 此乃以玻璃纤维制的软管接在铅合金制的栉状格子(蕊金)上，在软管和蕊金间充填铅粉之后，将软管密封，使其发生变化，产生活性化物质，由于活性化物质不会脱落，与电解液接触亦良好,是一种非常好的极板材料。使用具有这种极板的蓄电池是电动车唯一的选择。编织式软管乃以9microm(μ)的玻璃纤维编成管袋状，弹性好，可耐膨胀或收缩，而且对电解液的渗透度也非常良好，此软管乃是最佳产品，长久以来，实用绩效良好。

• 糊状式极板: 就是将稀硫酸炼制之糊状铅粉涂覆在铅合金制的格子上，俟其 干燥后所形成之活性物质。这种方式一直被采用在铅蓄电池的阴极板上，同时亦使用在汽车，小货车的蓄电池阳极板上。

2.隔离板 
    能防止阴、阳极板间产生短路，但不会妨碍两极间离子的流通。而且经长时间使用，也不会劣化，或释放杂质。铅蓄电池一般都使用胶质隔离板。 

3.电池外壳 
    耐酸性强，兼具机械性强度。电动车用的蓄电池外壳乃使用材质强韧之合成树脂经特殊处理制成，其机械性强度特别强，上盖亦使用相同材质，以热熔接着。 

4.电解液 
    电解液比重以20℃的值为标准，电动车用的蓄电池完全充电时之电解液标准比重为1.280。

5.液口栓 
    液口栓的功能为排出充电时所产生的气体及补充纯水，测定比重。

三、蓄电池的容量

电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之： 
◎ 电解液比值　　　　　　1.280/20℃ 
◎ 放电电流　　　　　　　5小时的电流 
◎ 放电终止电压　　　　　1.70V/Cell 
◎ 放电中的电解液温度　　30±2℃

1.放电中电压下降 
放电中端子电压比放电前之无负载电压（开路电压）低，理由如下： 
(1)V=E-I.R 
V：端子电压(V)　　 I：放电电流(A) 
E：开路电压(V)　　　R：内部阻抗(Ω) 
(2)放电时，电解液比重下降，电压也降低。 
(3)放电时，电池内部阻抗即随之增强，完全充电时若为１倍，则当完全放电时，即会增强２～３倍。 
用于起重时之电瓶电压之所以比用于行走时的电压低，乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大，因此放电流大，则上式的I.R亦变大。 

2.蓄电池之容量表示 
在容量试验中，放电率与容量的关系如下： 
5HR....1.7V/cell 
3HR....1.65V/cell 
1HR....1.55V/cell 
严禁到达上述电压时还继续继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高,则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。 
因此，堆高机无负重扬升时的电池电压若已达1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v)，则应停止使用，马上充电。 

3.蓄电池温度与容量 
当蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少。 
(A)电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。 
(B)电解液之阻抗增加，电瓶电压下降,蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。 
因此: 
(1)冬季比夏季的使用时间短。 
(2)特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。 
若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应先提高其温度。 

4.放电量与寿命 
每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。 

5.放电量与比重 
蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。 
测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此，定期性的测定使用后的比重，以避免过度放电，测比重的同时，亦侧电解液的温度，以20度C所换算出的比重，切勿使其降到80%放电量的数值以下。 

6.放电状态与内部阻抗 
内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体─硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后(此即文献上所说的硫化现象),即使充电,极板的活性物资亦无法恢复原状,而将缩短电瓶的使用年限。 
★白色硫酸铅化 
蓄电池放电，则阴、阳极板同时产生硫酸铅(PbS04)，若任其持续放电，不予充电，则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶(即使再充电，亦难再恢复原来的活性物质)此状态称为白色硫化现象。 

7.放电中的温度 
当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高，会提高充电完成时温度，因此，将放电终了时的温度控制在40℃以下为最理想。

四、充电的管理 

1.蓄电池的充电特性 
蓄电池充电的端子电压如下式表示 
V= E+I.R，在此 
E=电瓶电压(V)　I=充电电流(A)　R=内部阻抗(Ω) 

2.蓄电池温度与寿命 
蓄电池温度（电解液温度）升高，则阴阳极板上的活性物质即会劣化，并腐蚀阳极格子，而缩短电池寿命，相对的，电池温度太低时，会使电池蓄电容量减少，容易过度放电，进而使电池寿命缩短。此种关系也会因电池型式，极板材质而有变化。故应遵守下列之使用条件： 
通常蓄电池之电解液温度应维持在15~55℃为理想使用状态，不得已的情况下,也不可超过放电时-15~55℃,充电时0~60℃的范围。实际使用时，由于充电时温度会上升，因此，放电终了时之电解液温度以维持在40℃以下为最理想。 

3.充电量与寿命 
蓄电池所须之充电量为放电量的110~120%.放电量与蓄电池寿命具密切关系,假设充电量为放电量120%时的电池，使用寿命为1200回（４年），则当电池的充电量达放电量之150%时，则可推算该电池的寿命为： 
1200回×120/150=960回(3．2年) 
又，此150%的充电,迫使水被分解产生气体，电解液遽减，将使充电终点的温度上升,结果温度上升造成耐用年限缩短。此外，充电不足即又重复放电使用，则会严重影响电池寿命。 
◎ 堆高机举重时，若电池温度保持在10~40℃之间，其充电量亦维持在110~120%者，最能延长电池寿命，此时充电完成之比重，其20℃换算值约为1．28。 

4.气体的产生与通风换气 
充电中产生的气体为氧与氢的混合气，氢气具爆炸性，若空气中氢气达3.8%以上，且又近火源，则会发生爆炸。充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。

五、电解液之管理 

1.比重测定 
测量比重时，须使用吸取式比重计将电解液缓缓吸入外筒，从浮标之刻度即可测知比重。 
铅蓄电池之电解液比重会随温度改变而变化，电解液比重乃以摄氏20度时的比重为标准，因此比重计上的读数，必须换算为摄氏20度时之标准比重。当温度变化摄氏一度时，则比重即变化0.0007，因此，在测量比重的同时，必须测量温度，测温时，请使用棒状酒精温度计。 
该温度t℃时所测之比重为St，则以下式换算标准温度20℃时之比重S20，

S20=St+0.0007(t-20) 
S20...为换算成20℃时的比重 
St....为t℃时所测之比重 
　 t.....为测得电解液之实际摄氏温度 
例如：20℃时比重为1.280者，在10℃时变成1.287;30℃时，变成1.273。

2.纯水之补充 
重复放电时，电解液面会缓缓下降，因此定期检视电解液液位，随时补充纯水，以维持适当之液位，若因忽略补水，而露出极板，则会伤害极板。蓄电池用纯水的标准按日本蓄电池工业会SBA4001的规定如下：

3.电解液中的不纯物与电池寿命 
电解液中若含有硝酸、盐酸、亚硫酸、盐素、有机物等，则会腐蚀极板，加速缩短电池寿命，同时也会加速自我放电，此外，铜、镍、铁、锰亦会伤害电池导致自我放电量增加。 
蓄电池补充液位时，一定要使用纯水，用水冲洗电瓶时，一定要将电池帽盖紧以避免冲洗用水流入电瓶内。 

4.补水过多所造成的弊端 
补水时若超过最高液面（参照第4-1）则充电时就会发生满溢，而使稀硫酸成份流失，腐蚀电瓶箱,电解液比重偏低造成蓄电容量不足等。

六、其它 

1.自我放电 
蓄电池当其内部发生纯化学反应，或因不纯物污染造成电化学反应，或长久不用皆会耗电，此即称为自我放电。自我放电之耗电程度乃视蓄电池构造温度、比重、不纯物，使用过等而有所不同，一般在一天内会放掉0.5~1%，蓄电池在使用前的保存期间就会自我放电，消耗蓄电量。 
当蓄电池处于长期持续放电状态时，则一旦形成白色硫酸铅化，则即使再充电，也无法恢复其容量。库存期间务必每１个月就充电一次。 

2.电瓶寿命终期的判定 
蓄电池到寿命终期，其容量就会减少，至于其容量在数字上退减的程度为何？则可依容量试验测定之。 
放电前必须确定电池的比重与电压已达最高值，然后再持续充电１小时，才能完全充电。 
充电终期是将比重调整到1.28±0.01(20℃)液面亦维持在规定液面的标准。 
放电开始时期：充电完全放置１小时后。 
放电电流：5HR规格容量的1/5(5HR400AH时固定电流为80A) 
放电终止电压：平均1.7V/cell (24cell为40.8V，12cell 20.4V) 
容量：放电电流×到达终止电压之前的放电时间