串聯(lián)蓄電池組抽頭供電問題的研究

1.引言

應(yīng)急指揮通信車裝載多種類的通信設(shè)備，如短波、超短波、集群車臺，這些負(fù)載多為12V電源供電。為了滿足這類設(shè)備動中通的要求，設(shè)計(jì)人員有時會直接使用汽車的蓄電池給設(shè)備供電。如果原車蓄電池為單節(jié)12V電壓，可直接取電;若原車由兩節(jié)24V電池組提供啟動電壓，在工程實(shí)施過程中，一般采用中間抽頭，取后節(jié)電池提供設(shè)備電源。

2.實(shí)例簡述

某機(jī)動指揮通信系統(tǒng)裝載有常規(guī)的集群電臺，機(jī)動車發(fā)動機(jī)啟動電池為兩節(jié)電池串聯(lián)，電壓為直流24V,設(shè)計(jì)人員為了實(shí)現(xiàn)車輛行進(jìn)中的集群通信，對兩節(jié)電池組中間抽頭，采用了后節(jié)電池給集群電臺提供電源。系統(tǒng)供電拓?fù)鋱D如圖1所示。

該機(jī)動車使用了一段時間后，汽車不能點(diǎn)火啟動，經(jīng)檢查，前節(jié)電池開路電壓12.6V,后節(jié)電池電壓只有11V,使用過程中，汽車發(fā)動機(jī)是一直運(yùn)轉(zhuǎn)的，原車發(fā)電機(jī)對兩節(jié)電池一直充電，為什么后節(jié)電池電壓過低?為了查出原因，下面對鉛酸蓄電池的充放電和極化過程進(jìn)行深入分析。

3.鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)簡單介紹

鉛酸蓄電池一般由六個單元格組成，每個單元格由陽極板、陰極板、隔板和稀硫酸電解液組成;單元格串聯(lián)輸出12.6V電壓，耐酸、耐熱、耐震的硬橡膠或塑料殼體作為電池的外結(jié)構(gòu)。

極板以鉛銻合金為骨架，涂一層松軟的鉛膏，化學(xué)處理后，陽極外層生成活性物質(zhì)過氧化鉛(PbO2)，陰極外層生成活性物質(zhì)鉛(Pb)。隔板有玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板以及塑料維隔板，其作用使正負(fù)極板絕緣，而電解液中的帶電離子可以自由通過。

4.鉛酸蓄電池的放電過程

鉛酸蓄電池放電是一個比較復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程。

陰極反應(yīng)：陰極板外層的活性物質(zhì)鉛在稀硫酸中發(fā)生氧化作用。反應(yīng)方程式如下：

由于反應(yīng)時極板產(chǎn)生的2價鉛，排斥溶液中的氫離子，陰極附近盡管有多余的氫離子，但不會從本極板上吸收電子，析出氫氣;由于反應(yīng)的產(chǎn)物不能從反應(yīng)點(diǎn)移出，從而阻止了反應(yīng)持續(xù)不斷的進(jìn)行，所以電池開路時，陰極反應(yīng)是動態(tài)平衡的可逆反應(yīng)。

陽極反應(yīng)：在沒有外電荷作用下，少量氧化鉛與水發(fā)生作用，其過程也是動態(tài)平衡的可逆反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下：

當(dāng)電池開路時，陽極只有少量帶正電的4價鉛，同時附近的溶液中含有氫氧根離子，而陰極有多余的自由電子，兩極板以及電解液形成雙電層，產(chǎn)生電勢差，如圖2所示。蓄電池由六個單元格串聯(lián)，于是形成了蓄電池開路電壓，即蓄電池的電源電動勢ES.

當(dāng)用導(dǎo)線和負(fù)載將兩極板連接時，在電場的作用下，陰極多余的自由電子向陽極定向移動，形成外部電流，陽極鉛離子捕獲2個自由電子，被還原后與硫酸反應(yīng)生成難溶解的硫酸鉛，可逆反應(yīng)式-2的動態(tài)平衡被破壞，持續(xù)向正向進(jìn)行。同時，陰極附近的氫離子與陽極附近的氫氧根離子相互吸引，形成內(nèi)部電流，相互作用后生成水;由于陰極反應(yīng)產(chǎn)物(多余的自由電子)消耗到陽極反應(yīng)，可逆反應(yīng)式-1動態(tài)平衡也被破壞，反應(yīng)式-1將持續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)方程式如下：

從反應(yīng)式-4可知，隨著放電反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，溶液中的硫酸分子將逐漸減少，當(dāng)硫酸的濃度少到一定的程度后，極板被硫酸鉛覆蓋，蓄電池電動勢降低，蓄電池需要充電。

5.鉛酸蓄電池的充電和極化

5.1 充電過程

當(dāng)外加充電器的電壓大于蓄電池的開路電壓時，兩極板之間的電荷將會發(fā)生反方向移動，即在充電器的作用下，電子從陽極強(qiáng)制遷移到陰極;同時，溶液中的氫離子在充電器產(chǎn)生的電場力的作用下，壓迫到陰極，參加陰極反應(yīng)，可逆反應(yīng)方程式將反方向持續(xù)進(jìn)行，如圖3所示。

陽極反應(yīng)方程式：

充電反應(yīng)總方程顯示：隨著充電反應(yīng)持續(xù)深入進(jìn)行，溶液中的硫酸濃度提高，蓄電池的電量變大。[!--empirenews.page--]

5.2 極化過程

充電過程中極板發(fā)生三種極化過程：

歐姆極化、電化學(xué)極化、濃度差極化。

歐姆極化：充電過程中電子從陽極經(jīng)過外部導(dǎo)線移動到陰極;同時，溶液中也存在正負(fù)離子定向移動，溶液中的離子需要克服極板、電解液、電池隔板的阻力，這種阻力形成蓄電池的歐姆極化內(nèi)阻。歐姆極化電壓符合歐姆定律：UΩ=I*RΩ，充電過程蓄電池電極的發(fā)熱量符合焦耳定律：

Q=I2RΩt.

電化學(xué)極化：充電器向極板輸送電荷速度大于極板上的電化學(xué)反應(yīng)速度，來不及參加反應(yīng)的電荷駐留在極板上，使得陽極板電勢向正向偏離，陰極板電勢向負(fù)向偏離。電化學(xué)極化電壓理論上為：U1=(RT/nF)*Ln(I/Io)。

濃度差極化：兩個極板的充電反應(yīng)都會產(chǎn)生硫酸，將導(dǎo)致極板附近的硫酸濃度升高，不能很快的擴(kuò)散，反應(yīng)產(chǎn)物來不及移除，抑制了反應(yīng)的速度，需要等到極板附近的硫酸分子擴(kuò)散開，反應(yīng)速度才能恢復(fù)。因此，充電過程中，充電器也需要克服濃度差極化電壓：U2=(RT/nF)*Ln(Id/(Id-I))。

根據(jù)對蓄電池的充電和極化過程的分析可以得出如下結(jié)論：充電時，充電器需要克服蓄電池極板開路電壓和極化電壓，充電電壓U=ES+ΔU.其中ΔU為歐姆極化電壓、電化學(xué)極化電壓以及濃度差極化電壓之和。

6.鉛酸蓄電池充電過程中極化電壓動態(tài)分析

充電時，蓄電池的極化電壓是動態(tài)變化的。如14V恒壓充電器對單個的11V蓄電池充電，如圖4所示，充電電壓器電壓U=ES+ΔU,充電初始時刻，極化電壓為3V,濃差極化電壓占主導(dǎo)。因?yàn)槌跏紩r刻，溶液中的硫酸濃度低，反應(yīng)速度快，在極板附近迅速產(chǎn)生高濃度的硫酸，高的濃差極化電壓;隨著充電持續(xù)進(jìn)行，蓄電池的電量變大，電池的電動勢ES增大，極化電壓ΔU逐漸減小，當(dāng)充電完成后，蓄電池電動勢ES為12.6V,極化電壓為1.4V,此時硫酸的濃度不再變化，極板的充電反應(yīng)也已經(jīng)完成，所以，不存在濃度差極化和電化學(xué)極化。

此時，極板的電化學(xué)反應(yīng)不是有效充電的電化學(xué)反應(yīng)，而是水的電解反應(yīng)，陽極析出O2,陰極析出H2,ΔU為溶液中離子定向移動歐姆電阻引起的電壓。電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

能斯特方程可以證明，蓄電池充電時，發(fā)生充電反應(yīng)極板的電位高于析氣電解反應(yīng)極板的電位。正是由于極化的作用，鉛酸蓄電池充電時，由于極板電位的偏移，本應(yīng)該是析氣的電解反應(yīng)，變成了帶極化作用的充電反應(yīng)。當(dāng)蓄電池電量充電完成，硫酸擴(kuò)散完成，極化作用消失，充電反應(yīng)變成析氣的電解反應(yīng)。

當(dāng)用一個U=26V的恒壓充電器對電量嚴(yán)重不均勻的兩節(jié)串聯(lián)電池組充電時，對放電量較大的蓄電池充電無效。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：第一節(jié)蓄電池的放電量10%,測得開路電壓ES1=12.4V;第二節(jié)蓄電池放電80%,測得開路電壓ES2=11.2V.實(shí)驗(yàn)測得兩節(jié)電池的極板電壓嚴(yán)重不均衡，第一節(jié)蓄電池分得充電器14.7V的電壓，而放電量80%的蓄電池得到充電電壓僅僅只有11.3V;如圖5所示。

這是因?yàn)閮晒?jié)電池串聯(lián)，充電電流相等;充電初始時刻，由于第一節(jié)蓄電池極板只有少量硫酸鉛覆蓋，所以充電的電化學(xué)反應(yīng)速度快，極板附近的硫酸濃度高，產(chǎn)生較高的濃差極化電壓ΔU1;而第二節(jié)電池極板被大量的硫酸鉛覆蓋，反映速度慢，產(chǎn)生較低的濃差極化電壓ΔU2;經(jīng)過多次正反饋，到達(dá)平衡狀態(tài)后，ΔU1≈U-(ES1+ES2)，ΔU2≈0,放電量大的蓄電池并沒有發(fā)生極化，其極板只是產(chǎn)生了析氣的電解反應(yīng)。

通過蓄電池充電過程中極化電壓動態(tài)分析，可以得出如下結(jié)論：恒壓充電器對兩節(jié)串聯(lián)蓄電池組充電時，如果兩節(jié)蓄電池放電量嚴(yán)重不均衡，放電量大的蓄電池充電無效。

7.結(jié)論

在機(jī)動指揮通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員對機(jī)動車兩節(jié)電池組中間抽頭，采用了后節(jié)蓄電池12V,提供集群電臺的電源，這樣的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致后節(jié)蓄電池放電量大，引起汽車引擎發(fā)電機(jī)無法對蓄電池組進(jìn)行有效的充電，最終導(dǎo)致蓄電池失效。

正確的設(shè)計(jì)方式：取消電池組中間抽頭設(shè)計(jì)，增加一臺24V轉(zhuǎn)12V的直流降壓變換器，然后再給12V負(fù)載供電，如圖6所示。