串聯(lián)蓄電池組抽頭供電問題的研究

5.2 極化過程

充電過程中極板發(fā)生三種極化過程：

歐姆極化、電化學(xué)極化、濃度差極化。

歐姆極化：充電過程中電子從陽極經(jīng)過外部導(dǎo)線移動到陰極;同時，溶液中也存在正負離子定向移動，溶液中的離子需要克服極板、電解液、電池隔板的阻力，這種阻力形成蓄電池的歐姆極化內(nèi)阻。歐姆極化電壓符合歐姆定律：UΩ=I*RΩ，充電過程蓄電池電極的發(fā)熱量符合焦耳定律：

Q=I2RΩt.

電化學(xué)極化：充電器向極板輸送電荷速度大于極板上的電化學(xué)反應(yīng)速度，來不及參加反應(yīng)的電荷駐留在極板上，使得陽極板電勢向正向偏離，陰極板電勢向負向偏離。電化學(xué)極化電壓理論上為：U1=(RT/nF)*Ln(I/Io)。

濃度差極化：兩個極板的充電反應(yīng)都會產(chǎn)生硫酸，將導(dǎo)致極板附近的硫酸濃度升高，不能很快的擴散，反應(yīng)產(chǎn)物來不及移除，抑制了反應(yīng)的速度，需要等到極板附近的硫酸分子擴散開，反應(yīng)速度才能恢復(fù)。因此，充電過程中，充電器也需要克服濃度差極化電壓：U2=(RT/nF)*Ln(Id/(Id-I))。

根據(jù)對蓄電池的充電和極化過程的分析可以得出如下結(jié)論：充電時，充電器需要克服蓄電池極板開路電壓和極化電壓，充電電壓U=ES+ΔU.其中ΔU為歐姆極化電壓、電化學(xué)極化電壓以及濃度差極化電壓之和。

6.鉛酸蓄電池充電過程中極化電壓動態(tài)分析

充電時，蓄電池的極化電壓是動態(tài)變化的。如14V恒壓充電器對單個的11V蓄電池充電，如圖4所示，充電電壓器電壓U=ES+ΔU,充電初始時刻，極化電壓為3V,濃差極化電壓占主導(dǎo)。因為初始時刻，溶液中的硫酸濃度低，反應(yīng)速度快，在極板附近迅速產(chǎn)生高濃度的硫酸，高的濃差極化電壓;隨著充電持續(xù)進行，蓄電池的電量變大，電池的電動勢ES增大，極化電壓ΔU逐漸減小，當(dāng)充電完成后，蓄電池電動勢ES為12.6V,極化電壓為1.4V,此時硫酸的濃度不再變化，極板的充電反應(yīng)也已經(jīng)完成，所以，不存在濃度差極化和電化學(xué)極化。

此時，極板的電化學(xué)反應(yīng)不是有效充電的電化學(xué)反應(yīng)，而是水的電解反應(yīng)，陽極析出O2,陰極析出H2,ΔU為溶液中離子定向移動歐姆電阻引起的電壓。電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

能斯特方程可以證明，蓄電池充電時，發(fā)生充電反應(yīng)極板的電位高于析氣電解反應(yīng)極板的電位。正是由于極化的作用，鉛酸蓄電池充電時，由于極板電位的偏移，本應(yīng)該是析氣的電解反應(yīng)，變成了帶極化作用的充電反應(yīng)。當(dāng)蓄電池電量充電完成，硫酸擴散完成，極化作用消失，充電反應(yīng)變成析氣的電解反應(yīng)。

當(dāng)用一個U=26V的恒壓充電器對電量嚴(yán)重不均勻的兩節(jié)串聯(lián)電池組充電時，對放電量較大的蓄電池充電無效。

實驗數(shù)據(jù)如下：第一節(jié)蓄電池的放電量10%,測得開路電壓ES1=12.4V;第二節(jié)蓄電池放電80%,測得開路電壓ES2=11.2V.實驗測得兩節(jié)電池的極板電壓嚴(yán)重不均衡，第一節(jié)蓄電池分得充電器14.7V的電壓，而放電量80%的蓄電池得到充電電壓僅僅只有11.3V;如圖5所示。

這是因為兩節(jié)電池串聯(lián)，充電電流相等;充電初始時刻，由于第一節(jié)蓄電池極板只有少量硫酸鉛覆蓋，所以充電的電化學(xué)反應(yīng)速度快，極板附近的硫酸濃度高，產(chǎn)生較高的濃差極化電壓ΔU1;而第二節(jié)電池極板被大量的硫酸鉛覆蓋，反映速度慢，產(chǎn)生較低的濃差極化電壓ΔU2;經(jīng)過多次正反饋，到達平衡狀態(tài)后，ΔU1≈U-(ES1+ES2)，ΔU2≈0,放電量大的蓄電池并沒有發(fā)生極化，其極板只是產(chǎn)生了析氣的電解反應(yīng)。

通過蓄電池充電過程中極化電壓動態(tài)分析，可以得出如下結(jié)論：恒壓充電器對兩節(jié)串聯(lián)蓄電池組充電時，如果兩節(jié)蓄電池放電量嚴(yán)重不均衡，放電量大的蓄電池充電無效。

7.結(jié)論

在機動指揮通信系統(tǒng)中，設(shè)計人員對機動車兩節(jié)電池組中間抽頭，采用了后節(jié)蓄電池12V,提供集群電臺的電源，這樣的設(shè)計將導(dǎo)致后節(jié)蓄電池放電量大，引起汽車引擎發(fā)電機無法對蓄電池組進行有效的充電，最終導(dǎo)致蓄電池失效。

正確的設(shè)計方式：取消電池組中間抽頭設(shè)計，增加一臺24V轉(zhuǎn)12V的直流降壓變換器，然后再給12V負載供電，如圖6所示。