铅酸蓄电池容量检测的设计本科毕业设计(编辑修改稿)

铅酸蓄电池容量检测的设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

组，使用时间越长，蓄电池个体之间的差异性和离散性越大，会出现两极分化。 (5)难以等效。 一般来说，不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。 退一步说，使用非线性元器件的组合，可以等效蓄电池的内部结构，也仅适用于特定的电池和特定的条件。 不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件 [1]。 容量测试技术解决的方向 基于蓄电池本身的性能和技术特点，必须保留 核对放电技术，它可以定量测试，是其他测试技术的基础。 其次，应该改进目前的电导法 (内阻法 )、电压测量法等快速测量法，使之提高测量精度，以满足现场维护工程师的要求。 采用恒流放电技术，使放电电流基本恒定，对电流和时间进行积分，也就是对放电电流进行求和运算，最终得到放出的容量值。 论文研究内容及创新点 主要研究利用单片机 AT89C51设计一个蓄电池容量测量系统。 铅酸蓄电池的容量检测方法很多，为了准确测量蓄电池的容量，本设计采用放电方法测试电池容量，并采取设计的恒流放电电路，而且单独测试电压和电流，保证了所 测试电压和电流的准确。 要求 实时显示电池容量 ， 实时显示电池电压 ，放电到 并 有报警提示 ，放电电流为 ，三位数码管显示，切换显示电压 /安时。 主要创新点是系统采用恒流放电，该电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。 该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。 本系统 硬件电路构成简单，主要功能均由软件编程实现，因而 体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。 石家庄铁道学院毕业设计 5 第 2 章 铅酸蓄电池 工作原理 所谓蓄电池即是贮存化学能量， 在 必要时放出电能的一种电气化 学设备。 构成铅蓄电池之主要成份如下 [2]： 阳极板 (过氧化铅 .PbO2) 活性物质 阴极板 (海绵状铅 .Pb) 活性物质 电解液 (稀硫酸 ) 硫酸 .H2SO4 + 水 .H2O 电池外壳 隔离板 其它 (液口栓 .盖子等 ) 铅蓄电池内的阳极 (PbO2)及阴极 (Pb)浸到电解液 (稀硫酸 )中，两极间会产生 2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： (阳极 ) (电解液 ) (阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应 ) (过氧化铅 ) (硫酸 ) (海绵状铅 ) (阳极 ) (电解液 ) (阴极 ) PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应 ) (硫酸铅 ) (水 ) (硫酸铅 ) 放电中的化学变化 蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应 ，生成新化合物 (硫酸铅 )。 经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。 所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液 中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 充电中的化学变化 由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸 ，石家庄铁道学院毕业设计 6 铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加 ,亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。 蓄电池的容量 电 动车用蓄电池的容量以下列条件表示之： ◎ 电解液比值 ℃ ◎ 放电电流 5小时的电流 ◎ 放电终止电压 ◎ 放电中的电解液温度 30177。 2℃ 放电中电压下降 放电中端子电压比放电前之无负载电压 (开路电压 )低，理由如下： (1)V=EIR V端子电压 (V) I放电电流 (A) E开路电压 (V) R内部阻抗 (Ω ) (2)放电时，电解液比重下降，电压也降低。 (3)放电时，电池内部阻抗即随之增强， 完全充电时若为 1倍，则当完全放电时，即会增强 23倍。 用于起重时电瓶电压之所以比用于行走时的电压低，乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大，因此放电流大，则上式的 IR亦变大 [3]。 蓄电池之容量表示 在容量试验中，放电率与容量的关系如下： 5HR....3HR....1HR....严禁到达上述电压时还继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高 ， 则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。 因此，堆高机无负重扬升时的电 池电压若已达 (24cell的 42V,12cell的石家庄铁道学院毕业设计 7 21V)，则应停止使用，马上充电。 蓄电池温度与容量 当蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少。 (A)电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。 (B)电解液之阻抗增加，电瓶电压下降 ， 蓄电池的 5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。 因此 : (1)冬季比夏季的使用时间短。 (2)特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。 若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应 先提高其温度。 放电量与寿命 每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。 放电量与比重 蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。 因此，根据蓄电池完全放电时的比重及 10%放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。 测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。 因此，定期性的测定使用后的比重，以避免过度放电，测比重的同时，亦侧电解液的温度，以 20℃ 所换算出的比重，切勿使其降到 80%放电量的数值以下。 放电状态与内部阻抗 内部阻抗会因放电量 增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主 要 因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体 — 硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后 (此即文献上所说的硫化现象 )， 即使充电 ， 极板的活性物 质 亦无法恢复原状 ， 而将缩短电瓶的使用年限。 白色硫酸铅化 蓄电池放电，则阴、阳极板同时产生硫酸铅 (PbS04)，若任其持续放电，不予充电，则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶 (即使再充电，亦难再恢复原来的活性物质 )石家庄铁道学院毕业设计 8 此状态称为白色硫化现象。 放 电中的温度 当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。 放电时的温度高，会提高充电完成时温度，因此，将放电终了时的温度控制在 40℃ 以下为最理想。 影响铅酸蓄电池容量的因素 铅酸蓄电池的容量是指在一定的放电条件下，可以从电池中获得的容量，一般用安时 (Ah)数表示，符号为 C。 铅酸蓄电池容量有理论容量、实际容量和额定容量之分。 理论容量是假设电池中活性物质放电时能够全部参加反应，并结合电池的反应方程式和各成份的电化学当量数值，按照法拉第定律计算求得的；实际容量是指在一定的放电条件下电池实际 放出的电量，它总是低于理论容量；额定容量是设计和生产电池时，规定或保证电池在规定的放电条件下应该放出的最低限度的电量。 通常说影响铅酸蓄电池容量的因素，都是指对电池实际容量的影响。 因为一旦电池活性物质的总量确定下来，电池的理论容量就确定了，并且额定容量也是实际容量的一种反应。 因为但凡说额定容量，都要确定放电电流值，并且也通常约定了放电的终止电压。 而如果谈电池的实际放电容量，则包括的因素最为全面，不仅包含对理论容量的影响因素，甚至连对额定容量的影响因素也包含在内了，下面着重谈一下各种因素对铅酸蓄电池实际容量的影 响。 影响电池容量的因素很多，大致可以分为两类：一是生产工艺方面的因素，包括活性物质量、极板厚度、活性物质孔率、活性物质的真实表面积、极板的中心距、活性物质的组成；二是使用时的因素，包括放电的电流密度、放电的终止电压、电解液的温度和电解液的密度。 蓄电池生产工艺对电池容量的影响 活性物质量的多少是影响铅酸蓄电池容量的主要因素，一个电池活性物质的量确定以后，因为电解液硫酸的量通常是够用的，因此它的理论容量也就确定了，其他因素对容量的影响，就是对活性物质利用率的影响了。 这里需要 着重说明的是通常正极和负极的活性物质的理论容量是不一样的，并且在任何情况下，电池的实际容量都要以电池中容量相对较小电极的实际容量为准，这就要看不同放电条件分别对正负极实际容量的影响程度了。 一般情况下，在常温及放电电流不太大时，电池的实际容量都受正极容量的限制，在低温及放电电流比较大时，电池容量通常受负极容量控制。 但石家庄铁道学院毕业设计 9 是对于阀控密封型铅酸蓄电池，由于氧复合反应的要求，使电池在设计之初就要求电池的负极容量大于正极的容量。 当极板上活性物质总量确定以后，实际反应中，活性物质参加反应量的多少与极板 厚度密切相关。 一般说来，极板表面的活性物质能够直接和硫酸电解液接触起反应，而极板深处的活性物质就不然，以较大的电流放电时，由于表层生成的硫酸铅会堵塞活性物质的孔隙，致使极板深层的活性物质得不到电解液的及时补充而中断反应，导致极板越厚，深处极板上活性物质反应的利用率就越少。 这是因为在活性物质总量相同的前提下，要么增加极板片数，要么增加单极板的表面积。 这两种方式都相当于扩大了电解液扩散的表面积，如果把极板变薄，则相当于减小了扩散的厚度。 在这种情况下，不仅扩散速度加快，浓度极化减小，而且由于反应面积的增加，电化学 极化也减小。 伴随着放电过程表现出来的现象是，电池端电压下降的慢，电池的放电容量增加，而厚极板则是情况相反。 当然极板也不能太薄，这样不仅会影响电池的循环寿命，电池容量的增加也不会太明显。 有研究表明：尽管极板越薄，活性物质利用率越高，但是当极板厚度减薄到 2mm以下时，再减薄极板厚度，活性物质利用率也变化不大。 也就是说，在活性物质总量相同的前提下，薄极板的优点主要体现在大电流放电情况下。 所谓极板的孔率是指极板上活性物质中孔的总体积与铅膏的表观总体积之比的百分数。 孔率对放电容量的影响具有两重性 ，一方面孔率大了，扩散容易，容量提高；另一方面，孔率大了，活性物质总量就会减少，容量反而减少，并且孔率过大，还会缩短电池的寿命。 因此极板孔率应在极板生产时合理选择工艺过程，并且要严格控制过程保障能力，以生产出适合不同使用条件要求的最佳孔率的极板。 活性物质的孔率决定于铅膏的视比重及涂板时的压板操作，铅膏视比重小，压板时压力小，则孔率大，反之则孔率小。 一般正极板孔率控制在 55%左右，负极板控制在 60%左右。 需要注意的是，不仅要注意孔率，还要注意孔的大小及其分布。 这是因为活性物质放电后，体积要增加，孔太小时很容易 被堵塞而使活性物质不能被充分利用，孔太大时又会影响活性物质之间的连接，在阀控密封铅酸蓄电池中，还会因影响气体复合时的通道而影响气体的复合效率。 相同活性物质总量的极板放电容量不仅与上面提到的因素有关，而且还与极板的真实表面积有关。 所谓真实表面积，也就是能够与电解液直接接触的活性物质的表面积，它要比按照极板几何尺寸计算出来的面积大的多，一方面包括极板的片数，另一石家庄铁道学院毕业设计 10 方面还包括极板细孔的表面积。 因为对于含活性物质的极板来说，活性物质粒子越小，表面积就越大。 并且铅酸蓄电池活性物质的粒子都 很小，因此它们做出的极板的真实表面积要比极板的表观表面积大几百到几千倍。 真实表面积大，则扩散截面积与反应面积都增加，因此放电时浓度极化和电化学极化都减小，电池电压下降减慢，放电容量提高。 因此对于体积、重量一定的铅酸蓄电池来说，要想提高其放电容量，可以通过增大极板的真实表面积来得到。 此外，真实表面积还与孔的大小有关，把一个大孔分成几个小孔，尽管总孔体积不变，但是真实表面积却增大了。 但需要注意的是小孔易被堵塞，造成这一部分表面积不能发挥作用。 极板中心距是指两个同极性极板中心之间的距离。 极 板中心距的大小对电池的容量也有一定的影响，这个影响可以从两个方面来分析，一是要考虑电解液量对电池容量的影响；二是通过极板中心距的改变影响内阻，进而影响电池放电时放出电量的多少。 说到电解液量对电池容量的影响，就需要引入另一个和极板中心距密切相关的概念：极板面间距，它指的是一个电池中不同极性的相邻极板之间的距离。 大家都知道，极板中活性物质孔内的酸液量远远不够活性物质电化学反应的需要，据报道铅酸电池极板中的酸液量仅够活性物质总量的 10%参加电化学反应。 而在当今比较流行的阀控密封型铅酸蓄电池的设计原则中，不仅不允许 有游离态的电解液存在，还要求电池隔板中的酸液量不能够饱和，必须留下 5%～ 10%的孔来作为氧复合的通道。 并且铅酸蓄电池中电解液硫酸的利用率通常也只有 75%左右，这就要求电池在设计时，不仅要有足够活性物质反应的电解液量，而且又要极板的面间距尽可能的小，这样可以减小电池的内阻，放电容量同样也会上升。 蓄电池使用时的因素对电池容量的影响 对于同种规格和数量的极板制成的蓄电。