低温-40 ℃下铅酸蓄电池的放电特性

郑 昆，侯卫国,2，蒋华俭，戚继先，常俊雷

（1.工业和信息化部电子第五研究所 芜湖实验室，安徽 芜湖 241000；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引 言

铅酸蓄电池作为汽车用直流电源，主要有以下功能：启动发动机时，给启动机提供启动电流；为车内电器提供电源，是汽车不可或少的部分。目前，军用车辆（如军用卡车）进行环境鉴定试验，在环境温度-40 ℃下工作需启动发动机时出现大量的无法启动故障。经分析定位，大部分原因是车辆上的铅酸蓄电池无法满足使用要求[1]。因此，有必要对铅酸蓄电池在低温-40 ℃下的放电情况（如容量）进行研究。

1 铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池由极板（正极PbO2、负极Pb）、隔板、壳体、电解液（H2SO4、H2O）、铅连接条、极柱等组成，是将化学能直接转化成电能的一种装置[2-3]。铅酸蓄电池的工作原理如图1所示。

1.1 充电工作原理

铅酸蓄电池充电是将电能转化成化学能。在充电机的作用下，电流从充电机正极流出，经电池后流回充电机的负极。在蓄电池内部，负离子HSO4-、OH-离开负极向正极迁移，而带正电荷的离子H+离开正极向负极迁移。电池内部的电流与H+迁移方向一致。

图1 铅酸蓄电池工作原理图

铅酸蓄电池充电过程使得难溶解物质PbSO4不断还原成Pb、PbO2，同时发生水的电解，使得电解液的浓度增加，化学反应式如下：

1.2 放电工作原理

铅酸蓄电池充电是将化学能转化成电能。当负载接通后，电子从负极流出，经过负载后再流回电池正极，此时HSO4-、OH-、SO4-负离子从正极向负极迁移，H+正离子从负极向正极迁移。

铅酸蓄电池放电过程中，正极PbO2、负极Pb与电解液H2SO4发生反应，最终形成难溶物质PbSO4和水，使得电解液浓度降低，化学反应式如下[4-7]：

2 试验方案

影响铅酸蓄电池放电性能的因素有电解液浓度、正负极的活性等，故可通过观察铅酸蓄电池的放电内阻及电解液的密度（重量）变化评价蓄电池性能的变化。同时，放电容量是铅酸蓄电池重要的健康状态参数，是衡量其供电可靠性的重要指标。充足的放电容量是保证负载等设备正常启动运行的基本条件[6]。

2.1 样品及设备情况

本文研究的对象是目前使用较多的骆驼牌6-QWLZ-180（950）-L型铅酸蓄电池（额定容量为180 Ah）。试验过程采用艾德克斯IT6952A型电源、IT8812型电子负载对铅酸蓄电池进行充电、放电。DY2015A型汽车蓄电池检测仪用于测量铅酸蓄电池的内阻。

2.2 试验步骤

试验步骤参考GJB 2514A-2012《军用铅酸蓄电池通用规范》、GJB 516B-2009《军用汽车铅酸蓄电池通用规范》，具体如下：

（1）试验前分别对试验对象的2块铅酸蓄电池（编号分别为1#、2#）进行称重，并记录重量。

（2）将铅酸蓄电池放入温度箱，并按照要求与电源、电子负载连接，并在电池表面粘贴温度传感器。

（3）电池完全充电，即调整温度箱温度至25 ℃，待蓄电池温度稳定2 h后，蓄电池以2I20A（18 A）恒流充电至蓄电池电压为（14.4±0.1）V后，再继续充电5 h，使其达到完全充电，用蓄电池检测仪测试常温下电池内阻。

（4）低温放电，即电池完全充电后，调整温度箱温度至-40 ℃，使得电池在-40 ℃下搁置8～16h后，用蓄电池检测仪测试低温下电池内阻，然后在该环境下以0.1C（18 A）的电流连续放电至蓄电池电压为10.5 V时终止，记录放电时间，并以放电电流（18 A）乘以放电时间（h）计算放电容量值。

（5）重复步骤2～3，循环5次后对2块蓄电池分别称重，即每隔5次循环对蓄电池称重，记录重量差。

（6）电池充电、放电共计20次时，结束试验。

3 结果分析

因铅酸蓄电池放电过程是正极PbO2、负极Pb与电解液H2SO4发生反应，最终形成难溶物质PbSO4和水，在低温环境下离子运动速度变慢，化学反应活性降低，表征的现象是低温下的内阻比常温下内阻大，进而影响到放电容量。常温和低温下的电池内阻对比如图2所示，可知常温下的内阻变化不大，但低温下的内阻值整体比常温下的内阻大，且随着试验次数的增加，经过20次循环后，1#、2#电池低温下内阻均增加了3 mΩ左右，即相对于初始循环增加了64.4%。

图2 电池内阻情况

因工艺及电池结构等原因，铅酸蓄电池电池在使用过程中会出现电解液挥发现象，表征的现象是电池重量降低。由放电过程化学反应式得知，电解液浓度的降低影响正负极与电解液化学反应，使得反应不充分，进而影响到放电容量[8-11]。本试验方案中每5次循环对电池进行称重，统计重量变化如表1、表2所示。可知，随着试验次数的增加，蓄电池的重量逐步降低。经过20次循环，1#、2#电池重量减轻约4 kg，约为初始重量的10%。

表1 1#铅酸蓄电池重量变化情况

1#、2#电池的放电容量曲线如图3所示。可知，铅酸蓄电池的放电容量随着试验循环次数的增加而降低。标称容量180 Ah的铅酸蓄电池，在低温-40 ℃放电容量仅有约70 Ah。其中，在试验进行第4循环时，容量下降最明显。经过20次试验循环，容量为180 Ah的蓄电池放电容量仅有20 Ah左右，约为额定容量的11.1%。

表2 2#铅酸蓄电池重量变化情况

4 结 论

综上所述，在低温-40 ℃下，经过多次循环后，铅酸蓄电池的放电容量仅可达到额定容量的11.11%左右，放电容量在经历4次循环后降低最明显，且测试前后铅酸蓄电池内阻的增加和质量降低明显，严重影响了放电容量。因此，军用车辆及其他使用铅酸蓄电池的产品在-40 ℃温度下启动工作时，应尽量使用全新铅酸蓄电池并保证将其完全充满，同时铅酸蓄电池应改善制造工艺，减少使用过程中电解液的挥发，开发耐低温型电解液。

图3 蓄电池低温-40 ℃下放电容量曲线