电动自行车蓄电池结构与原理详解

蓄电池是电动自行车的能源载体，是电动自行车的核心部件电动自行车对蓄电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格低目前进行开发、研制、生产的用于电动自行车上的蓄电池品种已很多，诸如燃料电池、锂蓄电池、镍氢蓄电池、阀控式密封铅酸电池和太阳电池等。前两种蓄电池虽具有重量轻、寿命长的优势但除了价格太贵外，蓄电池本身尚处于研制阶段，还不具备向市提供成熟商品的条件。在后两种蓄电池中又以阀控式密封铅酸蓄池价格最低，生产上最成熟，安全性最高。

1.铅酸蓄电池的结构

电动自行车用密封铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液电池槽、连接条、铅零件、接线端子、安全阀等组成，如图2-1所示。

图2-1 铅酸蓄电池的外观和内部结构

一只蓄电池一般由3个单格（6V电池）或6个单格（12V电池）组合而成。每个单格由若干片正极板与若干片负极板（负极板比正极板多一片）间隔重叠而成，中间用超细玻璃纤维隔板隔离。数片正极板用铅合金焊接在一起组成正极组，负极板用铅合金焊接在一起组成负极组，正、负极组装于蓄电池槽内组成单体蓄电池。单体蓄电池之间用连接条从单格之间的蓄电池槽隔板顶端（或穿孔穿壁焊）串联在一起，蓄电池槽盖用密封胶粘结，首尾单格作引出端子，引出正、负极。

主要部件如下：

（1）正极板 正极板由板栅和活性物质组成。

正极板栅一般是由铅钙锡铝合金或低锑多元合金组成的，目前有的厂家开始使用稀土合金。板栅的作用有两方面，一是作为活性物质的载体；二是作为电流的传输导体。

正极活性物质是二氧化铅，放电时二氧化铅转变为硫酸铅，充电时硫酸铅又转变为二氧化铅。为保证蓄电池的放电容量，将活性物质做成多孔状，使活性物质有较大的反应表面积。

（2）负极板 负极板同样是由板栅和活性物质组成的。负极板栅多由铅钙合金或铅钙多元合金组成。负极活性物质是铅，负极活性物在充、放电循环过程中有收缩的趋势，特别是低温或超低温情况下表面收缩更为严重。为保证有良好的充、放电性能，往往在负极活性物质中加入一些膨胀添加剂，如腐植酸、木素磺酸钠、硫酸钡等。负极活性物质也制作成多孔状，以提高其化学反应的表面积。正、负极板是蓄电池的“心脏”，是直接参加电化学反应的部分，可以把电能转化为化学能储存起来；当外部系统需要时又可以把化学能转变成电能释放出来。

（3）隔板 除了正极板和负极板以外，隔板被喻为“第三电极”，是蓄电池的重要部件之一。它的一个作用是隔离正、负极板，防止短路。另一个作用是作为电解液的载体，吸收大量电解液，起到离子良好扩散（离子导电）的作用。电动自行车用蓄电池要求有较高的比能量，结构紧凑，因此隔板一般较薄，并要求紧装配时不短路，有较大的吸酸量。由于隔板的好坏直接影响蓄电池的可靠性和寿命特性，因此还要求隔板具有耐酸性、耐氧化腐蚀、较小的孔径、较小的电阻和较高的孔率，故一般采用孔率90%以上，孔径20mm左右，电阻0.0001～0.0005Ω，而且具有较好的抗拉强度的AGM隔板作为阀电解液的载体。阀电解液是蓄电池的重要组成部分，其主要作用：一是参与电化学反应，因此是蓄电池活性物质之一；二是起导电作用，蓄电池使用时通过电解液中的离子迁移，起到导电作用，使电化学反应得以顺利进行。电解液主要由纯水与硫酸组成，配以一些添加剂混合而成，其H₂SO₄的质量分数一般在30%～45%之间。

（4）覆盖件 蓄电池的覆盖件是蓄电池的容器，由ABS工程塑料制成，具有较好的耐酸性和绝缘性，有较强的机械强度，能承受一定的压力和温度变化而不变形。

（5）安全阀 安全阀是蓄电池的关键件之一，它位于蓄电池顶部。安全阀的种类如图2-2所示。

图2-2 安全阀的种类

它的作用有四个：

1）安全作用，即在蓄电池使用过程中，当内部产生的气体气压达到安全阀的开阀压时，将开阀释放压力，以防止蓄电池变形、破裂。

2）密封作用，当蓄电池内压低于安全阀的闭阀压时安全阀关闭，防止内部气体酸雾往外泄漏，同时也防止空气进入蓄电池造成不良影响。

3）保证蓄电池有一定内压，促进蓄电池内氢氧化合，减少失水。

4）防爆作用，某些安全阀装有防酸、防爆片。

如果安全阀的开阀压力较低，蓄电池内部一有压力就排气，会造成蓄电池水分过早流失，蓄电池失效。因此阀控式蓄电池的开、闭阀压力的控制直接关系到蓄电池的使用寿命。

2.铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池是在充电时把电能转化成为化学能储存起来，在放电时再把化学能转变成电能释放出来的一种装置。

其化学反应方程式如下：

放电：PbO₂+2H₂SO₄+Pb→2PbSO₄+2H₂O

充电：2PbSO₄+2H₂O→PbO₂+2H₂SO₄+Pb

电动自行车蓄电池行业标准见表2-3。

表2-3 电动自行车蓄电池行业标准(www.xing528.com)

阀控式密封铅酸蓄电池的氧复合过程如下：

1）正极产生氧气通过AGM隔板穿透到负极，在负极表面发生氧化反应，生成氧化铅。

2）氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅。

3）硫酸铅通过充电又转化成铅。

上述过程实现了氢氧化合的过程，建立了循环过程，同时由于负极吸收氧气实际是一个“化学放电”过程，抑制了负极电位的增高（负增长），从而抑制了氢气的析出。充入的电量以热能的形式散发。以上是密封蓄电池实现密封的基本原理。

3.蓄电池

为了便于读者掌握，现将蓄电池的使用与维护结合起来讲。无论是酸性电解液还是碱性电解液的蓄电池，在使用中都有一些要求：

1）首先，酸性蓄电池与碱性蓄电池不能混用；即使是同类型蓄电池，内部结构不同、容量不同、电压不同，也不能混用。

2）铅酸蓄电池在使用后，不管放电深度如何，最好是立即充电，这样对蓄电池寿命有利。注意，正规充电阶段结束后，按照说明书规定应当有足够的浮充阶段，用涓流使蓄电池极板确实还原；涓流浮充一般为2h左右。还应注意，浮充阶段完成后，最好及时拔掉电源，同时解除电池与充电器的连接。

3）电动自行车用蓄电池都是阀控密封式，充电时必须使各单体蓄电池直立，即蓄电池的安全阀在正上方，便于产生气体时能聚集到安全阀周围顺利排出。

4）存放状态。如果铅酸蓄电池要停止一段时间不用，应当充足电存放，之后每月检查并补充充电一次。镉镍（CdNi）蓄电池要求不严，但存放应以放电状态较好，长期存放应先放电并擦洗干净，按说明书要求存放在规定条件下。

5）存放温度。蓄电池都应存放在通风干燥和保持低温的条件下，夏季温度也不应超过30℃。铅酸蓄电池在温度较高的条件下使用和存放是不利的，寿命会受到影响。

6）蓄电池不允许过充过放，否则会损伤蓄电池的寿命，必须按说明书规定执行。在电动自行车控制器欠电压保护功能发生作用后，不要试图恢复蓄电池的供电。

7）充电器必须与蓄电池配套，不是原配套充电器或充电电流电压与蓄电池不匹配，充电器与蓄电池不是同类或充电制式不同，则不能混用。

8）电动自行车选用的蓄电池必须是5时率放电制的（即C₅）。

9）CdNi蓄电池在使用一个时期后发现已产生记忆效应，应及时消除，但不要过于频繁，一般情况下，每月应当放电一次。CdNi蓄电池不像铅酸蓄电池必须每天及时充电，只要够用，两三天充一次也可以，但要注意不应过度放电。若使用得体，尽量放电到接近放电终止电压，一般是不会产生记忆效应的。

CdNi蓄电池的配套充电器都应具备记忆消除功能。

10）所有蓄电池都应注意严格防止短路，短路是对蓄电池的最大损坏。尤其是CdNi蓄电池内阻很小（只有几毫安），短路后电流很大，蓄电池急剧升温，易造成内部隔膜烧损、绝缘损坏而报废。

11）多块蓄电池组成的蓄电池组应在使用一定时期后进行均衡充电，必要时，可以将各蓄电池组分离，分别单独进行充电，使它们的状态尽量接近。

12）CdNi蓄电池在下列情况下应当补充充电：

①新蓄电池使用前。

②充电后搁置时间超过15天。

③偶然少量放出一定电量，骑行距离较短，用电量不大，在下次使用前应进行补充。补充充电允许采用恒压限流法，单体蓄电池控制在1.42V。

13）蓄电池的更新与换代。

虽然控制器中有降压斩波器控制电动机转速，但目前蓄电池的电压与电动机的额定电压基本一致，当原有蓄电池寿命终止时，就需要整体换新。更新蓄电池组要尽量采用原种类、原型号规格的，尤其是电压不能错。若用户想升级换代，增加容量、提高续驶能力，则自己动手不仅费力，弄不好把极性搞错，还会造成重大损失。

一般地，升级是对原型号的蓄电池增加容量，或使用更先进的蓄电池品种取代原来相对落后的品种进行换代。提醒用户注意，最重要的是电源接口，也就是连接插口的型号尺寸必须和控制器配套，尤其是极性绝对不可搞错。以后，新的产品会不断地出现，升级换代也会变得频繁。最好的办法还是请专卖店或专业技术维修人员帮助比较稳妥。