串聯(lián)蓄電池組抽頭供電問題的研究

　　摘要：本文以一個錯誤的設(shè)計方案為例，深入分析鉛酸蓄電池的充放電、極化以及極化電壓的動態(tài)變化，推導(dǎo)出對不均衡電量的串聯(lián)蓄電池組充電是無效的，并給出正確的設(shè)計方案。

　　1.引言

　　應(yīng)急指揮通信車裝載多種類的通信設(shè)備，如短波、超短波、集群車臺，這些負(fù)載多為12V電源供電。為了滿足這類設(shè)備動中通的要求，設(shè)計人員有時會直接使用汽車的蓄電池給設(shè)備供電。如果原車蓄電池為單節(jié)12V電壓，可直接取電；若原車由兩節(jié)24V電池組提供啟動電壓，在工程實施過程中，一般采用中間抽頭，取后節(jié)電池提供設(shè)備電源。

　　2.實例簡述

　　某機(jī)動指揮通信系統(tǒng)裝載有常規(guī)的集群電臺，機(jī)動車發(fā)動機(jī)啟動電池為兩節(jié)電池串聯(lián)，電壓為直流24V,設(shè)計人員為了實現(xiàn)車輛行進(jìn)中的集群通信，對兩節(jié)電池組中間抽頭，采用了后節(jié)電池給集群電臺提供電源。系統(tǒng)供電拓?fù)鋱D如圖1所示。

　　該機(jī)動車使用了一段時間后，汽車不能點火啟動，經(jīng)檢查，前節(jié)電池開路電壓12.6V,后節(jié)電池電壓只有11V,使用過程中，汽車發(fā)動機(jī)是一直運轉(zhuǎn)的，原車發(fā)電機(jī)對兩節(jié)電池一直充電，為什么后節(jié)電池電壓過低？為了查出原因，下面對鉛酸蓄電池的充放電和極化過程進(jìn)行深入分析。

　　3.鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)簡單介紹

　　鉛酸蓄電池一般由六個單元格組成，每個單元格由陽極板、陰極板、隔板和稀硫酸電解液組成；單元格串聯(lián)輸出12.6V電壓，耐酸、耐熱、耐震的硬橡膠或塑料殼體作為電池的外結(jié)構(gòu)。

　　極板以鉛銻合金為骨架，涂一層松軟的鉛膏，化學(xué)處理后，陽極外層生成活性物質(zhì)過氧化鉛（PbO2），陰極外層生成活性物質(zhì)鉛（Pb）。隔板有玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板以及塑料維隔板，其作用使正負(fù)極板絕緣，而電解液中的帶電離子可以自由通過。

　　4.鉛酸蓄電池的放電過程

　　鉛酸蓄電池放電是一個比較復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程。

　　陰極反應(yīng)：陰極板外層的活性物質(zhì)鉛在稀硫酸中發(fā)生氧化作用。反應(yīng)方程式如下：

　　由于反應(yīng)時極板產(chǎn)生的2價鉛，排斥溶液中的氫離子，陰極附近盡管有多余的氫離子，但不會從本極板上吸收電子，析出氫氣；由于反應(yīng)的產(chǎn)物不能從反應(yīng)點移出，從而阻止了反應(yīng)持續(xù)不斷的進(jìn)行，所以電池開路時，陰極反應(yīng)是動態(tài)平衡的可逆反應(yīng)。

　　陽極反應(yīng)：在沒有外電荷作用下，少量氧化鉛與水發(fā)生作用，其過程也是動態(tài)平衡的可逆反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下：

　　當(dāng)電池開路時，陽極只有少量帶正電的4價鉛，同時附近的溶液中含有氫氧根離子，而陰極有多余的自由電子，兩極板以及電解液形成雙電層，產(chǎn)生電勢差，如圖2所示。蓄電池由六個單元格串聯(lián)，于是形成了蓄電池開路電壓，即蓄電池的電源電動勢ES.

　　當(dāng)用導(dǎo)線和負(fù)載將兩極板連接時，在電場的作用下，陰極多余的自由電子向陽極定向移動，形成外部電流，陽極鉛離子捕獲2個自由電子，被還原后與硫酸反應(yīng)生成難溶解的硫酸鉛，可逆反應(yīng)式-2的動態(tài)平衡被破壞，持續(xù)向正向進(jìn)行。同時，陰極附近的氫離子與陽極附近的氫氧根離子相互吸引，形成內(nèi)部電流，相互作用后生成水；由于陰極反應(yīng)產(chǎn)物（多余的自由電子）消耗到陽極反應(yīng)，可逆反應(yīng)式-1動態(tài)平衡也被破壞，反應(yīng)式-1將持續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)方程式如下：