第六节 蓄电池故障及排除
    蓄电池在使用中出现的故障，除材料和工艺方面的原因之外，大多数情况下都是由于使用维护不当而造成的。
    蓄电池外部故障常见的有壳体裂纹、极柱腐蚀或松动等；内部故障有极板硫化、活性物质脱落、正极板栅架腐蚀、内部短路、自行放电等。
    一、极板硫化
    极板上生成白色粗晶粒硫酸铅（霜状物）的现象称为硫酸铅硬化，简称硫化。主要是负极板硫化。
    极板硫化产生的粗晶粒硫酸铅导电性能很差，正常充电很难还原为二氧化铅和海绵状铅。由于晶粒粗、体积大，会堵塞活性物质的孔隙，阻碍电解液的渗透和扩散，因此蓄电池的内阻显著增大，起动时不能供给大电流，以至不能起动发动机。
    硫化蓄电池在充电或放电时都会出现异常现象。在放电时，由于内阻大，因此电压急剧下降，不能持续供给起动电流；在充电时，由于内阻大，因此充电电压显著升高，12V蓄电池的充电电压高达16.8V以上。硫化越严重，充电电压越高，实测表明：严重硫化蓄电池的充电电压高达30V以上，同时由于还原性差，因此密度上升很慢，而温度上升很快，且过早出现沸腾现象。极板硫化的主要原因是：
   （一）蓄电池长期充电不足或放电后不及时充电
    当温度变化时，硫酸铅发生再结晶是形成硫化的根本原因。在正常情况下放电时，极板上生成的硫酸铅晶粒较小，导电性能相对较好，充电时能够还原为二氧化铅和铅。但是，当长期处于放电状态时，极板上的硫酸铅将部分溶解，温度越高，溶解度越大；当温度降低时，溶解度随之减小，以致出现过饱和现象，这时部分硫酸铅就会从电解液中析出，并再次结晶生成更大晶粒的硫酸铅附着在极板表面而形成硫化。
   （二）蓄电池电解液液面过低
    当电解液液面过低时，在汽车行驶过程中，由于电解液上下波动，极板（主要是负极板）露出液面部分与空气接触而被强烈氧化，极板氧化部分与波动的电解液接触，就会逐渐形成粗晶粒硫酸铅硬化层而使极板上部产生硫化。
   （三）电解液相对密度过高、电液不纯和气温剧烈变化也将促进硫化
    因为电解液相对密度过高时，电池内部化学反应加快，活性物质变成硫酸铅的速度加快，所以容易形成硫化。
    由此可见，避免硫化的主要措施是保持蓄电池经常处于充足电状态。蓄电池在汽车上虽有充电系统为其充电，但只能保证基本充足，因此应当定期（2个月）取下送充电间彻底充足电；对于放完电的蓄电池，应及时进行充电：电解液液面高度应符合规定。对于己经硫化的蓄电池，如不严重，则可采用较小电流进行充电予以排除。
    二、活性物质大量脱落
    活性物质脱落主要是正极板上痴性物质脱落，是蓄电池过早损坏的主要原因之一。
    活性物质大量脱落的特征是：电解液中有沉淀物，充电时电解液浑浊，呈棕色液体；蓄电池输出容量显著减小。
    蓄电池在充电过程中，极板上活性物质的体积随时都在膨胀或收缩；蓄电池充足电时，极板孔隙中逸出大量气泡，在极板内部形成一定压力，从而导致活性物质容易脱落。因此，如果使用不当，就会造成活性物质大量脱落。
    导致活性物质大量脱落的原因是：极板质量差；充、放电电流过大；充电时间过长；低温大电流放电。大电流放电，特别是低温大电流放电时，极板易拱曲变形而导致活性物质脱落。因此，蓄电池充电电流不能过大。在实际充电中，当蓄电池基本充足电时，应将充电电流减小一半。
    三、自行放电
    充足电的蓄电池在无负载状态下，电量自行消失的现象称为自行放电或自放电。蓄电池自放电是不可避免的，这是由其构造因素决定的，因为栅架、活性物质和电解液等不可能绝对纯净。对于充足电的蓄电池，若一昼夜容量损失不超过0.7%，则属于正常自放电。若每昼夜容量降低超过2%，则为故障性自放电。
   （一）自行放电原因
    铅蓄电池的正常自放电是由于蓄电池本身因素所造成的一种不可避免的现象。主要原因有以下几个方面：
   （1）正负极板上活性物质自发溶解和还原成为硫酸铅。
    负极板铅的自溶反应为

    正极板上二氧化铅的自发还原反应为

    当硫酸浓度较大时，化学反应速度将会加快。
   （2）极板上活性物质和栅架的材料不同，在电解液中会产生不同电位而形成局部电池导致内部电流，形成自放电。尤其是栅架中锑的存在，不仅易形成局部电池产生自放电，还会使负极板的氢过电位下降，加速海绵状铅的自动溶解反应而产生自放电。在正极板上，二氧化铅与栅架中的锑接触也会引起自放电。特别是在活性物质脱落、栅架外露时，栅架中锑的影响更大。
   （3）蓄电池长期放置不用，硫酸下沉，造成电解液上部和下部的浓度差异（上小下大），使同一块极板的上下部分形成电位差而造成自放电。
    造成故障性自放电的原因很多，主要有以下几个方面：
    1）电解液杂质含量过多，这些杂质在极板周围形成局部电池而产生自行放电。例如，当电解液中含铁量达1％时，一昼夜会将蓄电池全部放电。
    2）蓄电池内部短路引起自放电。例如，隔板或壳体隔壁破裂、极板活性物质大量脱落而沉于极板下部，都将使正负极板短路而引起自放电。
    3）蓄电池盖上洒有电解液时，会造成自放电，同时还会使极柱腐蚀。
   （二）自行放电预防
    避免蓄电池产生自放电故障必须注意以下几点：
   （1）配制电解液必须使用符合HG/T 2692-2007规定的蓄电池专用硫酸和符合JB/T 10053-2010规定的蒸馏水。
   （2）配制电解液所用器皿必须是耐酸材料制作的，配好的电解液应妥善保存，严防掉入脏物。
   （3）蓄电池加液孔螺塞要盖好，以免掉入杂质。
   （4）蓄电池表面经常保持清洁。如有酸泥等脏物，要用清水冲洗干净。
    对于自行放电严重的蓄电池，可将其完全放电或过度放电，使极板上的杂质进入电解液，然后将电解液倾出，最后灌入新电解液重新充电。
    四、极板短路
    极板短路故障的现象为开路电压较低（严重短路时，12V蓄电池的端电压只有10V），大电流放电时端电压迅速下降，甚至降低到零；充电过程中，电压与电解液相对密度上升缓慢，甚至保持很低的数值就不再上升，充电末期气泡很少，但电解液温度却迅速升高。
    极板短路的原因主要有：隔板质量不高或损坏使正负极板相接触而短路；活性物质在蓄电池底部沉积过多、金属导电物落入正负极板之间也将造成蓄电池内部极板短路。
对于短路的蓄电池必须拆开，查明原因并排除。

    第七节 蓄电池使用与维护
  蓄电池的电器性能和使用寿命不仅取决于蓄电池产品结构和质量，而且在很大程．度上取决于蓄电池的使用情况和使用过程中是否进行认真、细致的维护。因此，必须正确使用并做好使用中的维护工作，才能保证蓄电池特性的正常发挥并延长蓄电池的使用寿命。
    一、蓄电池的维护：
    为了使蓄电池经常处于完好状态，延长其使用寿命，对使用中的蓄电池需进行下列维护工作。
   （1）仔细检查蓄电池槽表面有无电解液逸出；经常清除蓄电池盖上的灰尘和泥土，擦去电池盖上的电解液；清除极柱和导线接头上的氧化物。
 （2）检查蓄电池安装（在车上）是否牢靠，导线接头与极柱的连接是否紧固。
   （3）检查加液孔盖或螺塞上的通气孔是否畅通。
   （4）定期检查和调整电解液的相对密度及液面高度。
   （5）经常检查蓄电池放电程度，超过规定时立即充电。

    二、蓄电池的使用
    根据蓄电池产生故障的原因和实践经验，蓄电池使用中应注意“三抓”和“五防”。
   （一）“三抓”内容
    1.抓及时补充充电
   （1）放完电的蓄电池应在24h内送到充电间充电。
   （2）装在汽车上使用的蓄电池，每两月应补充充电一次；带电解液存放的蓄电池，每月应补充充电一次。
   （3）蓄电池的放电程度，冬季不得超过25%，夏季不得超过50%。
    2．抓正确使用操作
   （1）正确使用起动机。每次起动时间不得超过3～5s；如果一次未能起动发动机，应休息15s以上再进行第二次起动；连续三次起动不成功时，应查明原因，排除故障后再进行起动。冬季冷车起动之前，应先给发动机加入热水，并将发动机空摇数转，以减小起动阻力和起动电流，减少蓄电池的亏损。
   （2）安装、搬运蓄电池应轻搬轻放，切不可随便敲敲打打或在地上拖曳。蓄电池在汽车上应固定牢靠，以防止汽车行驶时振动受损。
    3．抓清洁维护
   （1）经常清除蓄电池表面的灰尘和污物；送充电间充电之前，表面应擦拭干净。
（2）电解液洒到蓄电池表面时，应用抹布蘸10％浓度的苏打水或碱水擦洗，然后再用清洁抹布擦净。极柱和电线接头上出现氧化物时应予以清除。
   （3）经常疏通通气孔。
   （二）“五防”内容
   （1）防止过量充电或充电电流过大。
   （2）防止过度放电。
   （3）防止电解液液面过低。
   （4）防止电解液密度过高。
   （5）防止电解液内混入杂质。
   （三）蓄电池极柱极性识别
    充电时，须要将蓄电池的正极柱连接充电机的正极、负极柱连接充电机的负极。因此必须正确识别蓄电池极柱的极性。
    根据GB 5008.3-2005《起动用铅酸蓄电池端子的尺寸和标记》规定，在蓄电池正极端子（正极柱）上或正极端子周围的蓄电池盖上标有“＋”或“P”记号；在负极端子（负极柱）上或负极端子周围的蓄电池盖上标有“－”或“N”记号。如标记模糊不清，难以辨别，可用下列方法进行识别：
   （1）观察端子颜色进行识别。
    使用过的蓄电池，其正极端子呈深棕色，负极端子呈深灰色。
   （2）用直流电压表检测判别。
    将电压表接蓄电池的正负极柱，按表针偏摆方向判断其正、负。如表针正摆，则表正极所连端子为电池正极；若表针反摆，则表负极所连端子为电池正极。
   （3）用电解方法进行判别。
    将蓄电池两极接上导线，分别插入电解液中（注意切勿相碰），导线周围产生气泡较多者所连极柱为电池负极。
    三、新蓄电池的使用
    新蓄电池首次使用之前，需要选择电解液相对密度、配制和加注电解液。如果干荷电和免维护蓄电池的存储时间超过规定期限，还要进行初充电。
   （一）选择电解液相对密度
    电解液的相对密度对蓄电池的工作有很大的影响，相对密度增大，电解液冰点降低，冰冻的危险减小，并可增大蓄电池的容量。但相对密度过大时，由于电解液黏度增大，渗透困难，蓄电池容量反而降低，且相对密度过大又会使极板易于硫化，从而使蓄电池寿命大为缩短。因此，应根据不同的使用条件，选择不同的电解液相对密度。寒冷地区应使用相对密度较高的电解液，同一地区使用的蓄电池，冬季的电解液相对密度应较夏季高0.02～0.04。不同地区和气温条件下，电解液相对密度的选择可参考表3-4或蓄电池制造厂家的规定选定。

   （二）配制电解液
    配制电解液应当根据HG/T 2692-2007规定的浓硫酸和JB/T 10053-2010标准规定的蒸馏水，按表3-5所示比例配制。

    由于电解液相对密度随温度变化而变化，因此应换算成25℃标准温度时的相对密度。配制电解液的注意事项：
   （1）配制电解液应当使用耐酸的玻璃、陶瓷、硬橡胶或铅质容器。
   （2）配制时必须先将蒸馏水放入容器，然后再将浓硫酸缓缓加入蒸馏水中，并用玻璃棒或塑料棒不断地搅拌，以便散热。绝对禁止将蒸馏水倒入浓硫酸中，以免发生爆溅，伤害人体和设备。
   （3）配制电解液时，操作人员必须配戴防护眼镜、橡皮手套、塑料围裙、高筒胶鞋，以防烧伤。

   （三）加注电解液
    配制电解液时因硫酸稀释发热，使电解液温度升高，因此配制好的电解液需待冷却至30℃以下，才能注入蓄电池内。注入电解液后，静置30min，将液面高度调整到高出隔板或护网15mm位置或与蓄电池壳体上的上液面线平齐后，干荷电与免维护蓄电池即可投入使用。如果需要充电，则按初充电工艺进行即可。

    四、蓄电池冬季使用
    蓄电池冬季使用注意事项：
   （1）蓄电池冬季必须经常保持充足状态，以免电解液密度过低而结冰。电解液密度与冻结温度的关系见表3-6。

   （2）冬季补充蒸馏水应在充电时进行，以使蒸馏水较快与电解液混合而不致结冰。
   （3）在起动冷态发动机之前应先预热，以便减小起动阻力矩。每次起动时间不得超过3-5s，再次起动应间隔15s以上。

    五、蓄电池储存
   （一）未灌电解液蓄电池储存
    新蓄电池的储存时间，不应超过产品使用说明书的规定，自出厂之日起计算，最长存储时间应不超过2年。储存室应当保持阴凉干燥（温度低于40℃、相对湿度低于80%）、通风应良好。蓄电池不能被阳光爆晒，距热源（如暖气设备）的最近距离为2m。蓄电池不要重叠搁置，也不要直接放在地上，应按行排放于木架上。储存期间加液孔螺塞应旋紧，通气孔应加以密封。
   （二）带液蓄电池储存
    先将蓄电池充足电，液面调整到正常高度，然后拧紧加液孔螺塞，密封通气孔，目的是减少蒸发，防止氧化，再存放于阴凉干燥的室内。在存放期间，每月应补充充电一次。
    六、蓄电池技术状态检验
    为了及时发现蓄电池在使用中产生的各种内在故障，汽车每行驶1000km或冬季行驶10～15天、夏季行驶5～6天，应当检查蓄电池电解液液面高度和放电程度。
   （一）检查电解液液面高度
    蓄电池电解液液面的高度应保持在壳体上标示的上、下液面线之间，液面线位置如图3-21所示。当壳体上没有液面线时，液面高度可用孔径为3～5mm的玻璃管进行测量，如图3-22所示。方法是将玻璃管垂直放入蓄电池加液孔内，直到与保护网或隔板上缘接触为止。然后用手指堵紧管口并将管取出，管内吸取的电解液高度即为液面高出隔板或保护网的高度，其值应为10～15mm。

    当电液量不足时，应补充蒸馏水。除确知液面降低是由电液溅出所致外，不允许补充硫酸溶液。这是因为电解液液面正常降低是由电解液中水的电解和蒸发所致。
   （二）检查蓄电池放电程度
    放电程度是反映蓄电池供电能力的重要指标。放电程度越大，则供电能力越小；反之，放电程度越小，则供电能力越大。
    蓄电池放电程度的大小，既可通过测量电解液的相对密度进行换算，也可通过检测蓄电池大负荷放电时的端电压进行判定。
    1．检测电解液相对密度
    电解液的相对密度可用吸式密度计或光学检测仪器检测。用吸式密度计检测电解液相对密度的方法如图3-23所示。检测方法：先用拇指适当压下橡皮囊后再将密度计的橡皮吸管插入电解液中，然后缓慢放松拇指，使电解液吸入玻璃管中，吸入玻璃管中电解液的多少以使浮子浮起为准。此时液面与浮子相交的刻度即为电解液的相对密度值。

    测量电解相对密度时，必须同时测量电解液的温度，以便将不同温度时测得的相对密度值换算成标准温度（25℃）时的相对密度值。
    2．放电程度换算
    由蓄电池恒流放电特性可知，电解液的相对密度与放电时间成直线规律下降。因此蓄电池的放电程度可以通过检测电解液密度进行换算。
    蓄电池从充足电到放电终了，其电解液密度大约下降0.16。设蓄电池充足电时的电解液密度为PC，将其转换至25℃时的密度用PC25表示。蓄电池使用一段时间后，当温度为T℃时实测密度为PT，将其转换至25℃时的密度用PT25表示，则在相同温度下的密度差△P为
                                △P =PC25－PT25
    设放电程度为x，可得比例式：
                                0.16:100%=△P：x
则放电程度x为

    注意：利用蓄电池电解液密度换算其放电程度时，必须求出相同温度下的密度差。
   （三）检查蓄电池起动能力
    1．利用测试仪器检测起动能力
    汽车用蓄电池的主要功能是起动发动机，因此，通过对蓄电池进行模拟起动放电，能较为准确地判定蓄电池的起动能力。模拟起动放电检测可用某学院研制的QXJ-511系列蓄电池智能检测仪或日产汽车公司生产的BATTERY TESTER（蓄电池测试器）进行。用蓄电池测试器模拟起动放电的电路连接如图3-24所示，检测程序如下：

（1）将蓄电池充足电。
（2）将测试器的调节旋钮沿逆时针方向旋到底，使放电电路切断。
（3）将测试器电压检测夹和电流检测夹的正极夹子（带红色标记）连接蓄电池正极柱、负极夹子（带黑色标记）连接蓄电池负极柱。
   （4）沿顺时针方向转动测试器的调节旋钮，将放电电流调节到被测蓄电池额定容量值的3倍数值连续放电5s后，记录此时蓄电池的端电压值。由表3-7即可得知蓄电池的放电程度。对于起动能力良好的蓄电池，其放电电压应大于或等于9.6V。

    2．就车起动放电判断起动能力
    在汽车上连续几次使用起动机，若都能顺利起动发动机，说明蓄电池存电充足；若起动机旋转无力或不能旋转，说明蓄龟池放电过多或有故障。
    当夜间接通前照灯并使用起动机时，若起动机旋转有力、灯光稍许变暗，说明一蓄电池存电充足；若起动机旋转无力、灯光暗淡，说明蓄电池放电过多；若不能61别带动发动机旋转，且灯光暗淡、灯丝变红甚至熄灭，说明蓄电池严重亏电或有硫化故障。
   （四）利用充电判断蓄电池故障
    在对蓄电池进行充电过程中，利用充电时出现的现象，可以判断蓄电池有无故障。蓄电池充电时，若端电压和电解液密度等参数的变化规律符合充电特性，电解液温度也在正常范围内变化，说明蓄电池技术状态良好；反之，则有故障。
    1．严重硫化判断
    当按正常充电电流充电时，如果蓄电池严重硫化，一开始充电其充电电压就会高达16.8V以上，并大量冒气泡；充电过程中电解液温升很快，而密度基本不变。这是因为蓄电池严重硫化后，内阻显著增大，所以内部压降和电解液温度升高，需要的充电电压相应地升高。由于硫化后粗晶粒硫酸铅很难还原，因此电解液密度基本不变。充电电流大部分用于电解水，所以产生大量气泡。
    2．活性物质严重脱落判断
    活性物质严重脱落后，由于电解液中沉淀物较多，因此充电时电解液浑浊并呈棕色液体；充电终了现象提早出现；蓄电池输出容量显著减小。
    3．严重短路判断
    当蓄电池某只单池的极板严重短路后，在充电过程中，该单池的电液密度基本不变并无气泡产生，恰似一潭死水。这是因为其活性物质不参加电化学反应。

    在实际工作中，蓄电池可能同时存在几种故障，充电中表现出的现象就比较复杂，必须仔细观察、认真分析才能得出正确结论。

    第八节新型电池结构特点
    20世纪70年代以来，由于受到内燃机污染和能源危机的冲击，世界各国都在大力开发研究新型电池。用电池代替发动机作为汽车的动力源，不但可以节约石油，而且可使汽车的传动系统大大简化，污染降低、噪声减小、操纵方便。
    目前，世界各国正在研制的新型高能电池种类繁多，研究重点是钠硫电池、燃料电池、锌一空气电池、铿合金二硫化铁电池等。

    一、钠硫电池
    钠硫电池的结构原理如图3-25所示。在钠硫电池中，阴极的反应物质是熔融的钠，阳极反应物质是带有一定导电物质的硫，电解质为β-氧化铝矾土的陶瓷管（NaA111O17），它既是绝缘体又能自由传导钠离子。其作用原理是，当外电路闭合时，阴极处不断产生钠离子并放出电子，即

    电子e通过外电路移向阳极，而钠离子Na＋通过β-氧化铝电解质与阳极的反应物质硫起作用，生成钠的硫化物，
即


    上述反应不断进行，电路中就能获得电流。这种电池的理论比能量高达664Wh/Kg，效率可达100%，即放电量等于充电量，且充电时间短、无污染、原材料丰富，因此各国对这种电池开发研制都很重视。缺点是硫化钠易燃烧，工作温度高达250～300℃，且寿命短，使用还有困难。

    二、燃料电池
    燃料电池由燃料（氢、煤气、天然气等）、氧化剂（氧气、空气、氯气）、电极（多孔烧结镍电极、多孔银电极等）和电解质KOH溶液等组成，是利用燃料的氧化反应将化学能直接转变为电能的一种电池。燃料电池与普通蓄电池的不同之处在于，只要不断地加入燃料和氧气，就会不断地产生电能，故称燃料电池。
    燃料电池的种类很多，有氢----氧、碳化氢、联氨等类，现以氢----氧燃料电池为例进行说明。
氧----氧燃料电池的燃料为氢气，氧气作氧化剂，其结构如图3-26所示。A是氧气腔，氧气由高压氧气筒供给，工作压力为666～1333Paa E是氢气腔，氢气由高压氢气筒供给；正极B是多孔性的氧电极（活性炭电极），用钻或铝作催化剂。负极D是多孔氢电极（活性炭电极），用铂或把作催化剂；C是饱含电解液的石棉填充物，电解液是30％的氢氧化钾KOH溶液，由液压泵使其循环。其化学反应过程如下：

电解液中KOH不断电离和化合形成相对平衡状态，即

    放电时，在负极D（氢电极）处，氢与氢氧根离子化合生成水，并放出电子。电子通过外电路送到正极。

    在正极B（氧电极）处，氧与水及外电路流来的电子起作用，生成氢氧根离子，进入电解液。

    电池总反应：

    在反应过程中，氢和氧不断地消耗并生成水，所以只要不断地供给氢和氧，反应就能继续进行，不断地产生电能向外电路供电。由于燃料电池的比能量已达到200～350Wh/kg，为铅蓄电池的4-7倍，且不需充电，只要不断供应燃料就可继续使用，因此适合作为汽车的动力源。但它需要贵重金属作催化剂，成本高，且燃料的贮藏和运输都有一定的难度，因此有待进一步解决。
    三、锌----空气电池
    锌----空气电池的比能量可达150～400Wh/kg，正极板是为一薄层空气电极，由金属网集电器、活性层等组成；负极板由纯锌组成；电解液为氢氧化钾水溶液。其工作电压为1.0～1.2V。放电时正极板上的反应为

    理论上空气的消耗量约为1m3／（kAh）。负极板锌的氧化过程可概括为

    充电时按上述过程反向进行。
    蓄电池的总反应式为

    锌----空气电池具有放电电压稳定、无污染等优点。但工作时用于清除空气中的二氧化碳、滤清、通风等需要消耗一定的能量，还要限制放电电流等缺点，尚需进一步研究解决。

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