第二章 蓄电池
第一节 蓄电池的分类和结构
一、蓄电池的分类
蓄电池是一种化学电源，靠其内部的化学反应来储存电能或向用电设备供电。充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。目前燃油汽车上使用的蓄电池主要有两大类：铅酸蓄电池（以下简称铅蓄电池）和镍碱蓄电池。由于人们对燃油汽车排放要求的提高和能源危机的冲击，各国正在不断探索和研制电动汽车，其主要的动力源为新型高能蓄电池。表2-1列出了常见蓄电池的类型及特点。铅蓄电池由于结构简单、价格便宜、内阻小、可以短时间供给起动机强大的启动电流而被广泛采用。铅蓄电池又可以分为普通铅蓄电池、干荷电铅蓄电池、湿荷电铅蓄电池和免维护铅蓄电池。各种铅蓄电池的类型及特点见表2-2所示。对于传统的干荷电铅蓄电池（如汽车干荷电电池、摩托车干荷电电池等）在使用一段时间后要补充蒸馏水，使稀硫酸电解液保持1.28g/mL左右的密度；对于免维护铅蓄电池，其使用直到寿命终止都不再需要添加蒸馏水。
表2-1 常见蓄电池的类型及特点
表2-2 各种铅蓄电池的类型和特点
二、蓄电池的功用
汽车上装有蓄电池和发电机两个直流电源，这两个直流电源并联，全车的用电设备均为并联。蓄电池的功用如下。
①启动发动机时，蓄电池向启动系统和点火系统供电。
②当发动机低速运转，发电机电压低于蓄电池的充电电压时，由蓄电池向用电设备供电。
③当发动机中、高速运转，发电机电压高于蓄电池的充电电压时，蓄电池将发电机的剩余电能储存起来。
④当发电机过载时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。
⑤蓄电池还可以吸收电路中的瞬时过电压，保持汽车电器系统电压的稳定，保护电子元件。
汽车的电源电路如图2-1所示。
图2-1 汽车的电源电路
三、铅蓄电池的结构
铅蓄电池一般由6个单格电池串联而成，结构如图2-2所示。
图2-2 蓄电池的结构
1—负极柱；2—加液孔盖；3—正极柱；4—穿壁连接；5—汇流条；6—外壳；7—负极板；8—隔板；9—正极板
1.极板
极板是蓄电池的核心部分，蓄电池充、放电的化学反应主要是依靠极板上的活性物质与电解液进行的。极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质组成。
栅架的作用是固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好的导电性、耐蚀性和一定的机械强度。为了降低蓄电池的内阻，改善蓄电池的启动性能，有些铅蓄电池采用了放射形栅架。如图2-3所示为桑塔纳轿车蓄电池放射形栅架的结构。
图2-3 桑塔纳轿车蓄电池放射形栅架的结构
正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），呈深棕色；负极板上的活性物质是海绵状的纯铅（Pb），呈青灰色。将活性物质调成糊状填充在栅架的空隙里并进行干燥即形成极板，如图2-4所示。将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得2V左右的电动势。为了增大蓄电池的容量，常将多片正、负极板分别并联，组成正、负极板组，如图2-5所示。在每个单格电池中，正极板的片数要比负极板少一片，这样每片正极板都处于两片负极板之间，可以使正极板两侧放电均匀，避免因放电不均匀造成极板拱曲。
图2-4 活性物质在极板中的布置
图2-5 蓄电池单格结构
1—极板组总成；2—负极板；3—隔板；4—正极板；5—极板连条
2.隔板
隔板插放在正、负极板之间，以防止正、负极板互相接触造成短路。隔板应耐酸并具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。其中，木质隔板耐酸性较差，微孔橡胶隔板性能最好但成本较高，微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。
3.电解液
电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由纯硫酸（H2SO4）与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般为1.24～1.30g/cm3。
4.壳体
壳体用于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成，为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组。壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格，各单格之间用铅质连条串联起来，如图2-6所示。壳体上部使用相同材料的电池盖密封，电池盖上设有对应于每个单格电池的加液孔，用于添加电解液和蒸馏水，以及测量电解液密度、温度和液面高度。加液孔盖上的通风孔可使蓄电池化学反应中产生的气体顺利排出。
图2-6 蓄电池单格的连接
5.极柱
蓄电池各单格电池串联后，两端的正、负极柱穿出电池盖，用于连接外电路。正极柱标“+”号涂红色，负极柱标“-”号涂蓝色或绿色等。蓄电池的极柱用铅锑合金浇铸。
6.连条
连条用于连接蓄电池各单格。传统的连条安装在蓄电池外壳之外，不仅浪费材料、容易损坏，还导致蓄电池自放电，这种连接方式已被穿壁式连条所取代。当采用穿壁式连条连接单格电池时，所用连条尺寸很小，并且设在蓄电池内部。
四、免维护蓄电池的特点
现代的汽车目前几乎都采用了免维护蓄电池，尤其在传统轿车上几乎覆盖了百分之百。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，使电解液储存量增多。
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，如图2-7所示。
图2-7 可视孔的颜色和结构
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
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。