1.2 电动自行车蓄电池的工作原理及性能

1.2.1 电动自行车蓄电池的作用和工作原理

蓄电池是电动自行车的能源载体，为整车所有电气部件的工作提供电源，是实现电动自行车“电动行车”功能的首要条件，也是影响电动自行车性能的关键部件，图1-18所示为电动自行车蓄电池的功能示意图。

1. 铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池在充电时，将电能转化成化学能存储在电池内。骑行电动自行车时，蓄电池内部将化学能转换成电能为电动自行车供电。如图1-19所示，铅酸蓄电池将电压输送到控制器中，由控制器统一对车辆的各电气部件提供电能，例如电动机、车灯、仪表盘等部分都需要电能。

（1） 铅酸蓄电池的内部连接方式

铅酸蓄电池内部有多个电池槽，以48V铅酸蓄电池为例，它内部有6个电池槽（单格电池），每个电池槽电压为2V，电池槽内有两组极板。图1-20所示为铅酸蓄电池的内部的链接方式示意图，从图中可以看出，电池槽之间的极板以正、负极串联的方式连接在一起，从而构成48V蓄电池的内部回路。

（2） 铅酸蓄电池的放电原理

铅酸蓄电池放电的过程，就是化学上所讲的化学能转化为电能的过程，图1-21所示为铅酸蓄电池的放电原理示意图。

当蓄电池外接电路需要蓄电池输出电压时，即进行放电。在电流的作用下，电解液内部处于电离状态，正极板上的二氧化铅与负极板上的纯铅就会与电解液中的硫酸发生化学反应，从而生成硫酸铅、水及电能，其化学反应方程式为：PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+2H2O。

生成的硫酸铅将分别附着在正、负极板的板面上，而生成的水则重新回到电解液中。随着放电的进行，电解液浓度逐渐下降，正、负极板上的硫酸铅逐渐积累，当这个过程发展到一定的程度时，放电极化现象越来越重，正极板的电势越来越趋向于负，负极电势越来越趋向于正，电解液中硫酸的密度越来越低，电池的电压低到终止电压（电动自行车表现为欠压）时，放电就会终止。

【资料链接】

铅酸蓄电池若过度放电，细小的硫酸铅将结成较大的结晶体，增大极板电阻，影响充电时的还原。周而复始，便会影响蓄电池的使用寿命。

（3） 铅酸蓄电池的充电原理

铅酸蓄电池充电的过程正好与放电过程相反，也就是将电能转化为化学能的过程，图1-22所示为铅酸蓄电池充电原理示意图。

利用直流输出电源进行充电，直流电会将硫酸铅恢复为原来的活性物质，即纯铅和二氧化铅。其化学反应方程式为：2PbSO4+2H2O =PbO2+2H2SO4+Pb。

当外部供给电压时，附着在正、负极板上的硫酸铅逐步溶解，其与电解液中的水相互作用，使电解液中硫酸浓度不断提高。当这个过程进行到一定程度，充电极化现象越来越重，正、负极板先后分别析出氧和氢，充电电流越来越多的产生水解，电解液中硫酸密度越来越高，正极板电势趋向极正，负极板电势趋向极负，电池电压不断升高，最终恢复到充满电的状态。

【资料链接】

铅酸蓄电池充电到最后阶段时，充电电流几乎都用在水的电解上，产生氢和氧，电解液也会随之减少一小部分。长时间使用的蓄电池，其内部电解液会减少很多。对于长时间使用的蓄电池，添加适量的蒸馏水即可解决蓄电池电量下降的问题。

2. 锂离子蓄电池的工作原理

图1-23所示为锂离子蓄电池的放电原理示意图。锂离子蓄电池的正极通常是由锂的活性化合物组成的，负极则是特殊分子结构的碳。放电时，锂离子则从负极板的层结构的碳中析出，经过隔膜板，重新和正极板上的化合物结合，锂离子的移动便产生了电流。

充电时，锂离子移动方向正好相反，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释放出锂离子，锂离子经过隔膜板后，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。待负极存储了足够多的锂离子时，充电便结束，图1-24所示为锂离子蓄电池的充电原理示意图。

1.2.2 电动自行车蓄电池的性能参数

1. 蓄电池的规格型号

更换蓄电池时，需要根据损坏蓄电池上标识的产品规格型号来选择新蓄电池进行更换，因此，了解蓄电池的规格型号是很重要的。如图1-25所示为铅酸蓄电池的型号含义。

在该型号中，第一部分表示单体蓄电池数量，6 表示该电池由 6 个单格电池组成，额定电压为12.6V（单格电池电压为2.1V）。

第二部分表示蓄电池适用类型，DZ为电动助力型。

第三部分表示蓄电池形式，M为密封式，MJ为胶体式。

第四部分表示蓄电池容量，10表示电容量为10 Ah（安时）。

第五部分表示容量测量标准，2HR表示国际标准，即根据2小时率测量电容量。

铅酸蓄电池常见型号规格，见表1-1所列。

【要点说明】

现在的国际标准规定，要用0.5C的电流对电池容量进行测试。例如，10 Ah的电池，就是用10×0.5=5 A的电流进行放电测试，2小时放完。而有些企业用的是0.2C、0.1C、0.05C 标准，这样测出来的容量要比国际标准高很多，然而电池实际容量其实很低，在购买蓄电池时一定要注意。

2. 蓄电池的规格参数

蓄电池的基本规格参数主要有蓄电池的容量、标称电压值、内阻、放电终止电压和充电终止电压等。

（1） 蓄电池容量

电池容量就是蓄电池中可以使用的电量，它以放电电流（A）和放电时间（h）的乘积表示（Ah）。电池容量是把充足电的蓄电池，以一定的电流放电到规定的停止电压，用放电电流乘以所用时间得出的。通过该数据，在相同的条件下，放电时间越长的电流其容量越大。目前，电动自行车的蓄电池容量一般是10 Ah，以5 A电流可放电2 h。

另外，单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示，例如，用 2A电流对10 Ah电池充电，充电速率就是0.2 C；用2 A电流对1 Ah电池充电，充电速率就是2 C。图1-26所示为铅酸蓄电池外壳上的容量标识。

（2） 标称电压值

标称电压值是指蓄电池正负极之间的电势差，该值由蓄电池内部极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单体蓄电池的输出电压略有变化，此外，蓄电池的输出电压与蓄电池的剩余电量也有一定关系。

通常，单格铅酸电池的标称电压值约为2.1V；单体镍镉电池的标称电压约为1.3V；单体镍氢电池的标称电压为1.2V；单体锂离子蓄电池的标称电压为3.6V。

那么，如果将6个单格铅酸蓄电池串联后组合成一个单体铅酸蓄电池就得到12.6V的电压，三个这样的单体电池组便构成了我们常见的37.8V电动自行车用蓄电池（即常见的36V蓄电池）；同样，四个12.6V的蓄电池组便构成了一个50.4V的电动自行车用蓄电池（即常见的48V蓄电池）。图1-27所示为铅酸蓄电池外壳上的标称电压标识。

（3） 电池内阻

如果蓄电池的开路电压为U0，当用电流I放电时其两端电压为U 则电池内阻为r=（U0-U）/I。该内阻是一个常数，它不但受到电池工作状态和环境的影响，还受到测试方法和测试持续时间的影响。

（4） 放电终止电压

放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关。

放电时的电压与放电电流和蓄电池的内阻有关。放电电流越大，电压下降越快。放电电流的多少规定了相应的停止放电电压，避免放电电压过低，损害蓄电池。

不同类型的蓄电池放电终止电压也不相同，上述的铅酸单体蓄电池放电终止电压为1.75V；镍镉单体蓄电池放电终止电压根据放电速率不同为0.9～1.1V范围内；镍氢蓄单体电池放电终止电压为1V；锂离子单体蓄电池的放电终止电压为2.75～3V，了解了这些参数信息对安全使用和有效维护及检修蓄电池时都十分必要。

【要点说明】

应用到电动自行车的蓄电池为单体蓄电池的串联组合，其放电终止电压则由串联单体蓄电池的不同而有所不同，我们最常见的铅酸蓄电池中，36V蓄电池内部为3个12V的电池组的组合，一个12V蓄电池组的放电终止电压为10.5V，那么，整个36V蓄电池的放电终止电压为31.5V，在检测和修复中，应根据其放电终止电压值进行，否则可能引起过放电导致蓄电池损坏无法修复。

（5） 充电终止电压

充电终止电压是指蓄电池充电时允许的最高电压。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。

铅酸单体蓄电池充电终止电压为2.45V；镍镉单体蓄电池充电终止电压根1.4～1.55V；镍氢蓄单体电池充电终止电压为1.5V；锂离子单体蓄电池的充电终止电压为4.2V，了解了这些参数信息对安全使用和有效维护及检修蓄电池时都十分必要。

此外，放电循环寿命也通常作为衡量蓄电池性能好坏的重要参数。放电循环寿命是指蓄电池进行充电、放电时蓄电池容量减小到额定容量70 %的循环次数。循环寿命越多，则电池寿命越长，一般电动自行车的循环寿命应不少于350次，根据骑行时间、里程等计算，电动自行车的蓄电池可使用1～2年。

铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池各种参数的比较见表1-2所列。