汽車用鉛酸蓄電池的容量預估研究

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測一直是鉛酸蓄電池研究的熱點和難點，對于普通汽車用鉛酸蓄電池一般采用的密度法或內阻法等方法用于單次循環中剩余容量的預測，而本文則研究了這兩種常用的預測方法與循環容量的關系，試圖尋找更優的容量預測方法，以提高電池的循環使用壽命。

關鍵詞 ：鉛酸蓄電池 容量 密度 內阻

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、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、安全性高和可再生利用、價格低廉等一系列優勢，因此，鉛酸蓄電池被廣泛應用于交通運輸、通訊、電力、鐵路、礦山、港口、國防、計算機、科研等國民經濟的重要領域。從應用領域的角度來看，主要可分為：①汽車電池（包括汽車、摩托車、拖拉機、船舶、內燃機等點火、起動、照明用）；②動力電池（包括電動助力車、電動叉車、電動道路車等[1]。

電池容量和壽命是電池性能的重要指標，而電池容量的預測一直是電池研究領域的一個難點和熱點，也是提高電池壽命的一個關鍵。目前，單次循環中鉛酸蓄電池剩余容量的預測方法主要有以下幾種。

（1）放電試驗法是大家公認的最可靠的剩余容量估計方法。按某一放電倍率的電流將電池進行連續放電至規定的剩余容量零點，放電電流與時間的乘積即為剩余容量。該方法適用于所有電池。但是，該方法有兩個明顯的缺點：①需要大量時間和人力； ②電池正在進行的工作不得不中斷，無法實時在線預測[2]。

（2）開路電壓法。因為鉛酸蓄電池的剩余容量與它的開路電壓有一定的正比關系，通過檢測開路電壓能夠直接預測剩余容量的大小。但是，該方法的缺點是電池必須離線，且隨著電池老化、剩余容量下降時，開路電壓變化不明顯，無法準確預測剩余容量[3]。

（3）內阻法

在蓄電池的老化進程中，極板的硫酸化、活性物質的脫落、電解液的干洞等

隨時間推移而加劇。這些變化會導致蓄電池容量的減少，同時使蓄電池歐姆電阻

呈逐漸增加的趨勢。由此可見，蓄電池歐姆內阻可作為表示其容量和完好性的有

效指標，在蓄電池的老化過程中，其內阻的上升明顯早于充電時端電壓的提高，直到內阻上升了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的表現。因此，蓄電池的內阻具有很好的預測性，可以利用測量蓄電池內阻來評估和預測蓄電池的性能[3]。但在放電的初期內阻隨放電率的變化并不明顯，即在電池放電的前期，應用內阻法不準確[4]。

（4）電解液密度法。鉛蓄電池的充、放電是靠蓄電池內部化學物質的可逆反應來完成的。放電時，負極板上海綿狀的鉛和正極板上的二氧化鉛都逐漸轉變成硫酸鉛，同時消耗一部分硫酸，增加了一部分水，電解液的濃度減小，密度降低。充電時，隨著電流的通過，負極板上的硫酸鉛轉變成深灰色的海綿狀的鉛，正極板上的硫酸鉛轉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。故可以用測量密度的方法來判斷電池的充、放電程度 [4]。但對于密封鉛酸蓄電池，這種蓄電池檢測溶液密度十分困難。另一方面在于充電時產生冒氣現象，即水分解成氧氣和氫氣從正負極冒出，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確性[3]。

以上研究表明，電池剩余容量的預測方法在單一使用時，均存在優缺點，而且，對于循環過程中，電池循環容量的預測方法則報道較少，電池在循環使用過程中，由于不能正確估計蓄電池的容量而對蓄電池造成損害，使得蓄電池壽命減少。

2、實驗

本文選擇了12V/60Ah的汽車用鉛酸蓄電池進行了循環容量與電解液密度及電池內阻的變化關系的研究。

圖1（a）為放電容量的循環曲線，由圖可見，隨著循環次數的增加，電池的放量容量呈下降趨勢，并且下降分為三個階段，前5次循環容量下降速度很快，從第6次到第30次循環時，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次數的增加直線下降，到第100次循環時，電池容量僅為15.4Ah。

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

圖1（c）為循環次數與放電后電池內阻的關系曲線，由圖可見，隨著循環次數的增加，電池內阻總體呈增加趨勢，第二次循環時電池內阻從10.4mΩ降到7.9mΩ，當電池循環增加到4次時，電池內阻快速增加至21.7mΩ，當循環次數增加到34次時，電池內阻緩慢降至21mΩ，但在35次循環時，電池內阻驟降至16.1mΩ，當循環次數增加到100次時，電池內阻下降到了14.5mΩ。

由以上示圖及分析可見，電池容量與電解液密度及電池內阻數據在5次及30次左右循環的時候，數據上均有一個比較大的變化，并且在5次循環和30次循環之間，電池容量，電解液密度和電池內阻的數據變化相對都較小，此外，在40次循環時，電解液密度和電池內阻都出現了一個區域極值，這說明電解液密度，內阻數據與電池容量這三者存在一定的相關性，關于這三者之間的量化關系已在進一步研究中。

有研究指出，單次循環中電池內阻變化較大時，可以定性判定電池性能已經大幅下降[5]，這與本文的循環容量與內阻的變化關系一致。

3、結論

（1）鉛酸蓄電池的循環容量與電池電解液和電池內阻存在一定的關聯。

（2）循環測試中，鉛酸蓄電池的電池電解液和電池內阻的變化存在反比關系。

（3）鉛酸蓄電池的循環容量，電池電解液密度和電池內阻三者之間尚不存在嚴格的數學關系，這三者的定量關系還需進一步研究。

參考文獻：

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

[2]喬波強，侯振義，王佑民.蓄電池剩余容量預測技術現狀及發展.電源世界，2012，2：21-26.