铅酸蓄电池特性分析：完全指南

蓄电池充放电过程是化学能和电能相互转换的过程。下面对铅酸蓄电池在充、放电过程中所发生的化学反应进行说明。铅酸蓄电池接上负载放电时，外电路便有电流通过。放电过程中两极发生的电化学反应为

负板反应式为

正板反应式为

将正负电极反应相加，就可以得到铅酸蓄电池在放电过程中的总反应为

从上述电极反应和电池反应可以看出，Pb以极大速率溶解，在夺取界面电解液中的H₂SO₄的同时，向外电路供出电子。而PbO₂以极大速率吸收外电路的电子，并以低价态的Pb²⁺形式在电极表面形成PbSO₄。

铅酸蓄电池在充电时的反应正好是放电时的逆反应。蓄电池的端电压是蓄电池容量的一个重要标志，可以通过检测端电压来检测蓄电池的容量。所以这里主要介绍蓄电池充放电时端电压的变化。蓄电池在恒定电流作用下充放电过程中端电压的变化情况，如图7-1所示。

图7-1a表明铅酸蓄电池充电时电压是不断变化的。在充电初期，蓄电池的端电压升高很快（曲线中OA段），这是由于活性物质转化为PbO₂和Pb时，在极板活性物质微孔内形成的硫酸来不及向极板外扩散，引起电势增高。充电中期，由于活性物质微孔中硫酸增加的速度和向外扩散的速度渐趋平衡，故电压增高缓慢（AB段）。充电后期，极板上的PbSO₄已大部分变成PbO₂和Pb。此时电压升至2.5V以上，继续充电，则电压升高，导致电解水生成氢和氧，电极上出现气泡。继续再充，则此时充电电流绝大部分用于电解水，最后到达2.7V左右时，充电电流可以认为全部用来电解水，此时电池已充满电。停止充电后，则电压立即骤降至2.3V，最后慢慢降至2.06V左右的稳定状态。

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图7-1 铅酸蓄电池端电压变化曲线

铅酸蓄电池放电时端电压也是不断变化的，如图7-1b所示。开始时，端电压下降很快（OA段），这是由于极板微孔内形成的水分骤增，使其中硫酸浓度骤减引起的。放电中期，极板微孔中水分生成，与此同时极板外浓度较高的H₂SO₄渗入取得了动态平衡，故端电压下降较慢，形成AB段平台。放电电流越大，平台就越短，甚至没有平台；放电电流越小，平台就越长。放电末期极板上的活性物质已大部分转化为PbSO₄，阻挡外部硫酸的渗入，电压下降较快，放电应当停止。此时的电池电压称为放电终止电压。电池的放电电流越大，终止电压越低；反之，小电流放电时的终止电压就会比较高。

如图7-2为简单的铅酸蓄电池模型，模型中电容C是根据蓄电池的额定Ah数及在蓄电池充满电和全放电时的电压决定的。利用它能在几分钟内获得蓄电池的动态特性。不过只有在蓄电池不在充满电和全放电状态时，才具有好的仿真特性。1990年R.Giglioli、P.Menga等人提出了铅酸蓄电池充放电的四阶动态模型，即采用电阻、电容网络电路来模拟蓄电池的各种行为特征来对蓄电池的充放电行为进行描述。由于四阶模型过于复杂，各电路元件参数难于确定，2000年M.Ceraolo在此基础上提出更为简化的三阶动态模型。其等效电路图如图7-3所示。模型由主反应之路和寄生之路两部分组成，其中RC网络和电压源E_m构成主反应之路，电流I_P的走向为寄生支路。主反应支路考虑了电路内部的电极反应、能量散发和欧姆效应，寄生支路则主要考虑充电过程中的吸气反应，并以代数形式表示。

图7-2 简单的铅酸蓄电池模型

图7-3 蓄电池充放电的三阶模型等效电路