汽车用铅酸蓄电池的容量预估研究

杭州明　邴智刚　王新华　陈立新　许恒

摘要 ：铅酸蓄电池容量的预测一直是铅酸蓄电池研究的热点和难点，对于普通汽车用铅酸蓄电池一般采用的密度法或内阻法等方法用于单次循环中剩余容量的预测，而本文则研究了这两种常用的预测方法与循环容量的关系，试图寻找更优的容量预测方法，以提高电池的循环使用寿命。

关键词 ：铅酸蓄电池 容量 密度 内阻

1、引言

铅酸蓄电池以其具有大电流放电性能、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和可再生利用、价格低廉等一系列优势，因此，铅酸蓄电池被广泛应用于交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济的重要领域。从应用领域的角度来看，主要可分为：①汽车电池（包括汽车、摩托车、拖拉机、船舶、内燃机等点火、起动、照明用）；②动力电池（包括电动助力车、电动叉车、电动道路车等[1]。

电池容量和寿命是电池性能的重要指标，而电池容量的预测一直是电池研究领域的一个难点和热点，也是提高电池寿命的一个关键。目前，单次循环中铅酸蓄电池剩余容量的预测方法主要有以下几种。

（1）放电试验法是大家公认的最可靠的剩余容量估计方法。按某一放电倍率的电流将电池进行连续放电至规定的剩余容量零点，放电电流与时间的乘积即为剩余容量。该方法适用于所有电池。但是，该方法有两个明显的缺点：①需要大量时间和人力； ②电池正在进行的工作不得不中断，无法实时在线预测[2]。

（2）开路电压法。因为铅酸蓄电池的剩余容量与它的开路电压有一定的正比关系，通过检测开路电压能够直接预测剩余容量的大小。但是，该方法的缺点是电池必须离线，且随着电池老化、剩余容量下降时，开路电压变化不明显，无法准确预测剩余容量[3]。

（3）内阻法

在蓄电池的老化进程中，极板的硫酸化、活性物质的脱落、电解液的干洞等

随时间推移而加剧。这些变化会导致蓄电池容量的减少，同时使蓄电池欧姆电阻

呈逐渐增加的趋势。由此可见，蓄电池欧姆内阻可作为表示其容量和完好性的有

效指标，在蓄电池的老化过程中，其内阻的上升明显早于充电时端电压的提高，直到内阻上升了60%以上端电压才有明显的增大，而端电压的增大正是电解液干润的表现。因此，蓄电池的内阻具有很好的预测性，可以利用测量蓄电池内阻来评估和预测蓄电池的性能[3]。但在放电的初期内阻随放电率的变化并不明显，即在电池放电的前期，应用内阻法不准确[4]。

（4）电解液密度法。铅蓄电池的充、放电是靠蓄电池内部化学物质的可逆反应来完成的。放电时，负极板上海绵状的铅和正极板上的二氧化铅都逐渐转变成硫酸铅，同时消耗一部分硫酸，增加了一部分水，电解液的浓度减小，密度降低。充电时，随着电流的通过，负极板上的硫酸铅转变成深灰色的海绵状的铅，正极板上的硫酸铅转变成黑褐色的二氧化铅，溶液中有硫酸生成，电解液中硫酸的成分增加，水分减少，电解液浓度增加，密度升高。故可以用测量密度的方法来判断电池的充、放电程度 [4]。但对于密封铅酸蓄电池，这种蓄电池检测溶液密度十分困难。另一方面在于充电时产生冒气现象，即水分解成氧气和氢气从正负极冒出，这样使得铅酸蓄电池溶液水分减少，密度增加，从而影响这种方法的准确性[3]。

以上研究表明，电池剩余容量的预测方法在单一使用时，均存在优缺点，而且，对于循环过程中，电池循环容量的预测方法则报道较少，电池在循环使用过程中，由于不能正确估计蓄电池的容量而对蓄电池造成损害，使得蓄电池寿命减少。

2、实验

本文选择了12V/60Ah的汽车用铅酸蓄电池进行了循环容量与电解液密度及电池内阻的变化关系的研究。

图1（a）为放电容量的循环曲线，由图可见，随着循环次数的增加，电池的放量容量呈下降趋势，并且下降分为三个阶段，前5次循环容量下降速度很快，从第6次到第30次循环时，电池的容量下降速度比较小，仅下降了1Ah， 随后电池的容量随着循环次数的增加直线下降，到第100次循环时，电池容量仅为15.4Ah。

图1（b）为循环次数与放电后电解液密度的关系曲线，由圖可见，随着循环次数的增加，电解液密度总体呈下降趋势，前五次循环，电解液密度急剧下降，从1.141g/cm3下降到了1.1g/cm3左右，当循环次数增加到30次循环时，电解液密度缓慢从1.1g/cm3增加到了1.11g/cm3，随后随着循环次数增加到40次，电解液密度也骤升至1.131g/cm3，当循环次数增加到100次时，电解液密度缓慢下降至1.12g/cm3。

图1（c）为循环次数与放电后电池内阻的关系曲线，由图可见，随着循环次数的增加，电池内阻总体呈增加趋势，第二次循环时电池内阻从10.4mΩ降到7.9mΩ，当电池循环增加到4次时，电池内阻快速增加至21.7mΩ，当循环次数增加到34次时，电池内阻缓慢降至21mΩ，但在35次循环时，电池内阻骤降至16.1mΩ，当循环次数增加到100次时，电池内阻下降到了14.5mΩ。

由以上示图及分析可见，电池容量与电解液密度及电池内阻数据在5次及30次左右循环的时候，数据上均有一个比较大的变化，并且在5次循环和30次循环之间，电池容量，电解液密度和电池内阻的数据变化相对都较小，此外，在40次循环时，电解液密度和电池内阻都出现了一个区域极值，这说明电解液密度，内阻数据与电池容量这三者存在一定的相关性，关于这三者之间的量化关系已在进一步研究中。

有研究指出，单次循环中电池内阻变化较大时，可以定性判定电池性能已经大幅下降[5]，这与本文的循环容量与内阻的变化关系一致。

3、结论

（1）铅酸蓄电池的循环容量与电池电解液和电池内阻存在一定的关联。

（2）循环测试中，铅酸蓄电池的电池电解液和电池内阻的变化存在反比关系。

（3）铅酸蓄电池的循环容量，电池电解液密度和电池内阻三者之间尚不存在严格的数学关系，这三者的定量关系还需进一步研究。

参考文献：

[1]安石妍.铅酸蓄电池发展现状与回收利用.黑龙江科技信息，2012，13：83.

[2]乔波强，侯振义，王佑民.蓄电池剩余容量预测技术现状及发展.电源世界，2012，2：21-26.