第二节 汽车蓄电池及其故障诊断
一、汽车蓄电池的作用、类型和结构
1.汽车蓄电池的作用
蓄电池既能将化学能转换为电能，也能把电能转换为化学能，是一种可逆的低压直流电源。汽车上装用蓄电池的作用如：
①发动机起动时，向起动机、仪表和点火系统供电。
②发动机低速运转时，发电机电压较低，蓄电池向用电设备和发电机磁场绕组供电。
③发动机中、高速运转时，把发电机供给用电设备后的剩余电能转换为化学能存储起来。
④发电机负载增多或过载时，与发电机一起向用电设备供电。
⑤稳定电源电压，保护电器部件。
2.汽车蓄电池的结构
在汽车上使用最广泛的是起动型铅酸蓄电池。
铅酸蓄电池由正负极板组、隔板、电解液、外壳等部分组成，如图1-2所示。正负极板是蓄电池的基本部件，数片正极板焊接在同一横板上构成正极板组，数片负极板焊接在另一横板上构成负极板组，正、负极板相互插在一起，使每片正极板都在两片负极板之间，并以隔板隔开。隔板用多孔性绝缘材料制成，以利于电解液渗透。负极板上所填充的活性物质（指能参加电化学反应的物质）为多孔性海绵状纯铅（Pb），正极板上填充有细小结晶二氧化铅（PbO2）。电解液由高纯度的硫酸（H2SO4）和蒸馏水按比例配制而成。铅酸蓄电池是在盛有稀硫酸的容器中插入两组铅制极板而构成的电能储存器。
图1-2 铅酸蓄电池的结构
1—塑料电池槽 2—塑料电池盖 3—正极柱 4—负极柱 5—加液孔螺塞 6—穿臂连条 7—汇流条 8—负极板 9—隔板 10—正极板
汽车用铅酸蓄电池由6个单格电池串联而成，每个单格电池的标称电压为2V。使用12V电系的汽车装用一只蓄电池，而使用24V电系的汽车则装用两只蓄电池。
3.蓄电池的基本工作原理
铅酸蓄电池的核心部分是极板和电解液。极板上的活性物质与电解液发生电化学反应建立电动势；在不同条件下，二者可发生完全相反的电化学反应，进行放电和充电过程。
极板上浸入电解液后，会有少量的活性物质溶解电离。二氧化铅溶解、电离后产生四价铅离子（Pb4+），并沉附于正极板，使正极板相对于电解液的电位高；而Pb溶解、电离后产生电子（e），存留于负极板，使负极板相对于电解液的电位低。因此，正负极板间产生电动势。
把用电设备接入蓄电池两极间使用电设备工作的过程称为放电。放电过程中，在电动势的作用下，负极板上的电子（e）经外电路和负载流向正极板，形成放电电流。放电过程中，正极板上的二氧化铅和负极板上的海绵状铅逐渐变为硫酸铅（PbSO4），电解液中的硫酸逐渐消耗，同时放电过程中又生成了水，因此电解液变稀、密度变小。
把直流电源的正、负极分别与蓄电池的正、负极相连，直流电流强制流过蓄电池的过程称为充电。当接通充电电源后，电源力使正极板的电子（e）经充电电路流向负极板，形成充电电流。充电过程中，正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅，负极板上的硫酸铅逐渐变为海绵状铅，电解液中的硫酸浓度不断增加。
充、放电过程的化学反应式如下：
4.汽车蓄电池的类型
（1）铅酸蓄电池 按性能可分为湿荷电蓄电池、干荷电蓄电池和免维护蓄电池三类。
①湿荷电蓄电池指加注电解液后才能保存充电过程中所得电量的蓄电池。
②干荷电蓄电池指在未加注电解液状态下，能在较长时间内保存制造过程中所得电量的蓄电池。
③免维护蓄电池指在有效使用期内无需添加蒸馏水等维护工作的蓄电池，简称MF蓄电池。
干荷电蓄电池加足电解液后，静放20～30min即可使用，不需初充电工序；免维护蓄电池除无需维护（主要指使用中不需补加蒸馏水）外，还具有自放电少、耐过充电性能好和使用寿命长的优点。因此，现代汽车普遍采用干荷电蓄电池和免维护蓄电池。
（2）碱性蓄电池 碱性蓄电池（如镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气蓄电池、铁镍蓄电池、铁空气蓄电池等）在能量密度、使用寿命等方面都要优于铅酸蓄电池，但由于其内阻较大，不适合用作起动电源。目前，碱性蓄电池只是在电动汽车上使用。
5.蓄电池的型号
国产蓄电池型号由三段五部分构成，每段之间以短线相连，如6-QA-80G。其排列及含义如下：①串联的单格电池数；②电池类型；③电池特征；④额定容量；⑤特殊特性。
串联的单格电池数，用阿拉伯数字表示。如：6表示有6个单格，工作电压为12V的蓄电池。
蓄电池类型以主要用途划分，用汉语拼音字母表示。如：Q表示用作起动电源的起动型蓄电池；D表示电动车用蓄电池；M表示摩托车用蓄电池；N表示内燃机车用蓄电池；B表示航标用蓄电池。
蓄电池的特征为附加说明，用以说明该蓄电池在同类用途的产品中具有某种特征需要加以区别。蓄电池的特征也以汉语拼音字母表示（表1-1）。如果产品同时具有两种特征，则将两个代号并列标示。
表1-1 铅酸蓄电池特征代号
额定容量用阿拉伯数字表示，其单位为A·h（安培·小时）。
蓄电池的特征性能用在额定容量后的拼音字母表示。如“G”表示薄型极板，高起动率；“S”表示塑料外壳；“D”表示低温起动性能好。
二、蓄电池的容量及影响因素
1.蓄电池的容量
蓄电池的容量C（A·h）指在规定的放电条件下，完全充足电的蓄电池所能提供的电量，等于放电电流If与持续放电时间tf的乘积。即：
C=Iftf
根据GB/T5008.1—2005《起动型用铅酸蓄电池技术条件》，蓄电池的额定容量可以用20h放电率额定容量C20和储备容量Cm表示。
（1）20h放电率额定容量C20指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以20h放电率（If=0.05C）连续放电到单格电池电压降至1.75V（即12V蓄电池端电压降至10.50V±0.05V；6V蓄电池降至5.25V±0.02V），蓄电池所输出的电量（A·h）。
（2）储备容量Cm指完全充足电的蓄电池，在电解液温度为25℃时，以25A电流连续放电到单格电池电压降至1.75V所持续的时间，其单位为min。蓄电池的储备容量表示了在汽车充电系失效时蓄电池尚能持续供电的能力。
在Cm＜480min，且C20≤200A·h时，储备容量与额定容量有如下换算关系：
2.影响蓄电池容量的因素
蓄电池的实际容量取决于在允许放电范围内，极板上参与电化学反应的活性物质量。因此，影响蓄电池容量的主要因素如下：
（1）极板的构造 极板的面积大，在允许放电范围内能参与电化学反应的活性物质就多，其容量也就大。因此，采用薄形极板、增加极板的片数及提高活性物质的孔率，均能提高蓄电池的容量。
（2）放电电流 放电电流越大，单位时间里所消耗的H2SO4越多，且PbSO4的产生率也高。由于PbSO4对极板孔隙的阻塞作用，使孔隙内的电解液密度急剧下降，极板孔隙内的一些活性物质未能参加电化学反应，导致了蓄电池容量的下降。蓄电池容量与放电电流的关系如图1-3所示。
图1-3 蓄电池容量与放电电流的关系
发动机起动时为大电流放电，因此，一次起动的时间不应超过5s；连续两次起动应间隔15s以上，以使电解液有时间渗透到极板孔隙内层，提高极板内层活性物质的利用率和再次起动的端电压。
（3）电解液的温度 电解液温度低时，其粘度大，渗透能力下降。因此，极板内层的活性物质不能充分利用，容量降低。此外，温度越低，电解液的溶解度与电离度也越低，从而进一步加剧了容量的下降。小电流放电时，温度每下降1℃，容量下降约为1%；而大电流放电时，温度每下降1℃，容量下降约为2%。蓄电池容量与温度的关系如图1-4所示。
（4）电解液密度 电解液密度过低时，因H+和HSO4-离子数量少，容量下降；密度过高，则又会因其粘度增大、渗透能力降低、内阻增大、极板容易硫化，而导致容量下降。蓄电池容量与电解液密度的关系如图1-5所示。实际使用中，电解液的密度一般为1.26～1.285g/cm3（充电状态）。
图1-4 蓄电池容量与温度的关系
三、铅酸蓄电池的常见故障及其原因
蓄电池常见故障可分为外部故障和内部故障：外部故障有壳体破裂、封口胶破裂、极桩松动或腐蚀等；内部故障有极板硫化、活性物质脱落、极板短路、自放电等。
（1）内部短路 蓄电池正、负极板间直接接触或被其他导体搭接使之短路的故障称为内部短路。内部短路的蓄电池，极板间通过短路点直接放电而消耗电能，除蓄电池容量变小外，充电时电压上升缓慢，难以达到规定的终止电压。
内部短路的主要原因有隔板破损、脱落的活性物质沉积在极板组底缘或粘附在负极板上缘、极板组严重弯曲等。
（2）极板活性物质脱落 在使用过程中，由于极板上的活性物质脱落而使蓄电池容量逐渐降低。活性物质脱落的基本原因：充放电时，极板上的活性物质的体积总在不断膨胀和收缩；充足电后，极板孔隙中逸出大量气泡，在极板内部形成压力，使活性物质容易脱落。电解液密度过高、温度过低、充放电电流过大等都会使脱落速度加快；蓄电池制造质量的高低、汽车行驶中的振动、电解液结冰等也是影响活性物质脱落的重要因素。活性物质脱落主要发生在正极板上。
图1-5 蓄电池容量与电解液密度的关系
活性物质脱落较少时，可以倒出全部电解液，用蒸馏水冲洗后重新加注电解液，充足电后继续使用。如果活性物质脱落过多，则需更换极板组。
（3）正极板弯曲 在使用中，若蓄电池经常以大电流放电，因极板表面各部位的电流密度不同而使各部位活性物质转变为硫酸铅的量不同，由于硫酸铅膨胀系数大从而使极板各部位的体积膨胀量不同，引起极板弯曲。正极板弯曲严重时会迫使负极板随之弯曲。
（4）极板硫化 蓄电池极板上生成白色粗晶粒硫酸铅的现象称为极板硫酸铅硬化，简称为极板硫化。粗晶粒硫酸铅导电性能差，正常充电时很难还原为二氧化铅和海绵状纯铅。因此充电时电解液密度上升很慢，温度却上升很快；同时，由于粗晶粒堵塞活性物质孔隙，阻碍电解液渗透和扩散，使内阻增大。由于内阻大，放电时电压急剧下降，不能持续供给起动电流；充电时，单格电池的充电电压高达2.8V以上。极板硫化主要在负极板上发生。极板硫化的主要原因如下：
①蓄电池长期充电不足或放电后充电不及时。正常放电时，极板上形成的硫酸铅晶粒较小，导电性和还原性均较好。蓄电池长期处于放电状态时，极板上的部分硫酸铅将溶解，温度越高则溶解度越大，温度降低后则溶解度随之减小，以致出现过饱和现象，部分硫酸铅从电解液中析出并再结晶成粗晶粒硫酸铅附在极板表面使之硫化。
②蓄电池电解液液面高度过低。电解液液面高度过低时，极板露出液面部分与空气接触而氧化，氧化部分与波动的电解液接触，便会在极板上部逐渐形成粗晶粒硫酸铅硬化层。
③电解液密度过高或电解液不纯，气温变化大等。
避免蓄电池极板硫化的主要措施是保持蓄电池经常处于充足电状态。对于硫化不严重的蓄电池，可采用去硫充电法通过充电予以排除。硫化严重的蓄电池只能报废。
（5）极板栅腐蚀 极板由栅架和活性物质组成，栅架一般由铅钙合金或铅钙锡合金浇铸而成。在使用过程中，极板栅架逐渐氧化腐蚀直至报废。极板腐蚀后，强度降低，出现变形或活性物质脱落现象，甚至发生折断。
电解液中混入有害酸类（如硝酸）和有机盐类、电解液密度过高、蓄电池长时间过充电等是引起极板栅早期腐蚀的主要原因。
（6）单体电池极性颠倒 若电池组中某单体电池容量过低，放电时便会先放完所储存的电量，电压降至远低于其他单体电池。此时，电池组继续放电过程中，该单体电池会被其他单体电池反充电，把原来的正极板变为负极板，原负极板变为正极板，从而使电池组的电压迅速下降。
未能发现并排除电池组中个别单体电池的故障（如内部短路、活性物质脱落）或充电时电极接反是造成极性颠倒的主要原因。
（7）自放电 电路未接通时，蓄电池所储存的电量随存放时间增长而逐渐下降的现象称为自放电。
自放电是由于极板上的活性物质慢慢与电解液发生化学反应生成硫酸铅引起的。电解液不纯（含铁、铜、锰、砷、镍以及硝酸、盐酸、醋酸或其他有机物），存放温度过高，隔板破裂使正负极板短路，壳体底部沉积物过多使正负极板短路，蓄电池盖表面有油污、尘土、电解液等，都会加速蓄电池的自放电。
针对引起自放电的原因，可以采用清洁蓄电池盖表面和壳体内部，清除壳体底部沉积物，更换电解液等方法排除自放电故障。
除以上故障外，蓄电池外壳破裂、封口剂开裂和极桩断头等都是常见的外部机械损坏故障。
四、蓄电池技术状况检测诊断
1.外观检查
蓄电池外观检查的内容包括：外壳破裂、封口剂开裂、穿臂连条断裂和极桩损坏等。
2.电解液密度检查
配制铅酸蓄电池电解液的材料为高纯度的硫酸和蒸馏水，两者配制成的电解液密度一般在1.21～1.30g/cm3之间，可根据蓄电池的用途、工作环境温度而选用不同密度的电解液。起动用铅酸蓄电池要求重量轻，又要求瞬时放电能力强，故采用浓电解液，选用的电解液密度范围为1.26～1.29g/cm3（全充电状态）。
我国南方气温高，应选用密度较低的电解液；北方全年温差变化大，夏季与冬季应选用密度不同的电解液，见表1-2。不同电解液密度的配制比例见表1-3。
表1-2 适应不同气温的电解液密度（25℃）
表1-3 电解液配制比例（25℃）
注：本表是以密度为1.830g/cm3（25℃）的纯硫酸为依据而编制的，在按容积比配制时，以25℃为准。
在放电过程中，正、负极板上的活性物质与电解液中的硫酸作用生成硫酸铅，电解液中硫酸成分减少，密度降低，见表1-4。因此，可以根据电解液密度与放电程度的关系判断蓄电池的放电程度。
表1-4 电解液密度随放电程度的变化
图1-6 电解液密度测量
蓄电池电解液的密度可用吸式密度计检测，检测方法如图1-6所示。检测时，先压扁密度计的橡胶球，并把密度计的吸管插入电解液中，然后缓慢松开橡胶球，电解液被吸入玻璃管直至管内浮子浮起，此时浮子与液面相交处的刻度即为电解液的密度值。
电解液的密度与温度有关，因此在配制电解液和检查电解液密度时，应同时测量电解液的温度，以便换算成标准温度（25℃）时的密度。电解液温度每上升1℃，电解液密度下降0.007g/cm3，二者的关系为
式中 ρ25——换算至标准温度（25℃）下的密度（g/cm3）；
ρt——实测密度（g/cm3）；
t——测量时电解液的温度（℃）。
应注意的是，对于刚进行过强电流放电或刚加注过蒸馏水的蓄电池，不宜进行电解液密度检测，否则会因电解液混合不匀而影响测量数据的准确性。
3.放电程度检查
（1）密度法 把全充电状态的电解液密度值与测得并经校正的电解液密度值比较（表1-4），即可知蓄电池的放电程度；一般密度每下降0.01g/cm3，相当于蓄电池放电6%。亦可把测得的电解液密度值经校正后代入下式，求出蓄电池放电量的安培·小时数，即
式中 Q——放电量（A·h）；
Q0——额定容量（A·h）；
ρb——全充电密度（g/cm3）；
ρ0——全放电密度（g/cm3）；
ρ25——测得并换算为标准温度（25℃）下的密度（g/cm3）。
图1-7 用放电计检查单格电池电压
（2）放电计法 采用高率放电计测量各单格电池在大电流放电时的电压值，可以判断蓄电池的放电程度。
检查时，应旋下注液口盖，把放电计的两尖抵牢同一单体的两个极柱，当指针稳定后（应能稳定3～5s），迅速读数并移开放电计开放电叉，如图1-7所示。测出的电压读数与放电程度间的关系见表1-5。
高率放电计测量单格电池电压，实际上是模拟起动机空载状态的电流负载来检查放电程度，能较准确地反映蓄电池的实际技术状况。放电计读数在1.75V以上，说明该单格电池完好；读数在1.5～1.75V之间时，属于容量不足，应补充充电；读数在1.5V以下时，说明该单格电池存在故障。各单格电池读数之差大于0.1V时，也说明蓄电池存在故障；指针不稳、电压迅速下降，说明该单格电池接触不良（如极桩焊接不牢等）或极板硫化。
表1-5 放电计读数与放电程度的关系
（3）蓄电池测试仪检测法 利用蓄电池测试仪可实现对蓄电池起动放电的模拟。
图1-8 蓄电池模拟起动测试
蓄电池测试仪是当蓄电池承受负荷之后测定其端电压，以了解蓄电池充、放电情况的检测仪器。测试仪由可动线圈型电压表与可变电阻并联而成。可变电阻作为蓄电池的负荷，控制蓄电池的放电电流；电压表的两个端子通过导线与蓄电池的正、负极桩相连，以测试蓄电池的端电压。
图1-8为使用蓄电池测试仪进行模拟起动测试的线路连接图。检测时，首先把测试仪的调节旋钮沿逆时针方向旋到底，切断放电电路；再把电流检测夹和电压检测夹的正极夹子（红色）、负极夹子（黑色）分别夹紧蓄电池的正极极桩、负极极桩；然后沿顺时针方向转动测试仪的调节旋钮，把放电电流调节到被测蓄电池额定容量的三倍数值连续放电5s，并记录此时蓄电池的端电压。测得的蓄电池端电压与放电程度间的关系见表1-6。对于起动能力较好的蓄电池，其放电电压应高于9.6V。
表1-6 蓄电池放电电压与放电程度的关系
4.电解液液面高度检查
蓄电池电解液的液面高度直接影响蓄电池的供电能力和使用寿命。在使用过程中，液面高度应处于蓄电池壳体上的上、下液面线标记之间，或超出极板上缘10～15mm，不允许极板露出液面，以防极板硫化。
液面高度检查方法如图1-9所示。用内径为5～6mm的玻璃管从注液口插入，直至压下防护板顶住极板为止，然后以手指堵住管的上口提出玻璃管，若玻璃管下端液柱长度在10～15mm之间，说明液面高度正确。
采用透明耐酸塑料容器的蓄电池可以从容器侧面直接观察液面高度。一些蓄电池容器侧面有液面高度指示线，有少量蓄电池可以从加液孔检查液面高度。
图1-9 液面高度检查
五、蓄电池电解液品质和极板故障的诊断
蓄电池主要故障可归结为电解液不纯和极板故障两种类型。
（1）电解液品质检查 解液中含铁、铜、砷、盐酸等是引起不正常自放电的主要原因；硝酸、醋酸、有机化合物和锰则是腐蚀正、负极板和隔板的主要成分。
对电解液品质进行定性分析时，需准备的试剂有硫酸、硝酸、盐酸、硝酸银、硫氰化钾、高锰酸钾、氨水、固体硫化钠、固体三氯化铁、马钱子碱（即二甲氧基番木鳌碱）、过氧化铅和蒸馏水。
1）含铁试验。把0.316g高锰酸钾溶入1000mL水中制成A溶液；把9.72g硫氰化钾溶入100mL水中制成B溶液；将受检电解液加水稀释至密度为1.20g/cm3的电解液试样。
取稀释后的电解液试样10mL倒入试管；滴入3～4滴A溶液；颜色消失后，再倒入10mLB溶液，若出现较深的红色，则表明电解液中含铁。
2）含铜试验。在电解液试样中注入少量氨水，若形成白色沉淀并逐渐变为蓝色，则表明电解液中含铜。
3）含砷试验。在烧杯中注入一定量的电解液试样（25mm深），再加入容积为试样液的
的浓盐酸，然后在烧杯中放入一段铜丝并加热15min，若铜丝变色，则表示含砷。
4）含盐酸试验。把25mL稀释电解液试样倒入试管，再加入25mL蒸馏水稀释；取5.1g硝酸银溶入100mL水中制成试液。在稀释后的电解液试样中倒入0.5～1mL硝酸银试液，若出现明显乳白色，则表明含有盐酸。
5）含锰试验。若经试验，电解液不含铁和盐酸，则可在电解液试剂中加入少量的浓硝酸和过氧化铅，并加热至沸腾状态。如果溶液呈现淡红色，则表明其含有微量锰。
6）含硝酸试验。在浓硫酸中加入0.4%的马钱子碱制成试剂，取一滴试剂滴在点滴板上，再加入一滴电解液试样。若呈现红色并迅速变为橙色，最后变黄，则表明试样中含有硝酸。
7）含醋酸试验。用氨水中和电解液试样，然后加入少量三氯化铁，待溶液变为红色再加入盐酸，若红色立即消失，则说明试样中含有醋酸。
8）含有机物试验。取25mL电解液试样置于烧杯中，并加入100mL蒸馏水稀释，加热至沸腾后，用滴定管滴入A溶液，直至红色能暂时存留而不立即消失为止。若滴入的A溶液的量超过6mL，则为不合格。
（2）极板故障检查 由于蓄电池极板的一切故障均会影响蓄电池的充放电性能，因此充放电检查是判断蓄电池工作状态和诊断极板故障的可靠方法。
1）充放电检查。所谓充放电检查是对蓄电池进行一次充放电循环，记录该过程中蓄电池的运行参数和表现出的现象，并据此分析蓄电池的状态和故障。
①把蓄电池充电至全充电状态，测量并记录每个单格电池的电解液密度、温度及开路电压后，将电解液的密度调为1.28g/cm3（25℃）。
②以20h放电率放电（
A）并保持恒定。
③放电开始时，记录每个单格电池的电压值；在放电过程中，每小时测量并记录一次放电电流、单格电池电压、电解液密度和温度等；若单格电池电压降至1.9V，则每隔15min测量并记录一次。
④当多数单格电池的电压降至1.75V或某单格电池的电压急降时，即停止放电。记录总放电小时数，蓄电池的实际放电容量（A·h）为放电小时数（h）与放电电流（A）的乘积。
2）故障分析
①极板硫化。蓄电池极板硫化后，内阻显著增大。此时若以正常充电电流充电时，端电压迅速上升至充电终止电压（单格电池电压甚至高达2.7V），并过早冒出大量气泡，电解液温度上升很快、温度很高，但相对密度基本不变；放电过程中的实际放电容量明显偏低。
②内部短路。蓄电池某单格电池内部短路后，在充电过程中，该单格电池端电压上升很慢或升不到充电终止电压（2.5V），电解液密度上升也很慢并无气泡产生；在放电过程中，蓄电池容量明显偏低，该单格电池电压迅速降至放电终止电压（1.75V），用高率放电计检查时，则迅速降为零。
③活性物质脱落。蓄电池极板活性物质脱落后，电解液中沉淀物较多，因此充电时电解液浑浊并呈棕色，充电终了现象提前出现；放电时，实际放电容量减小。
④极性颠倒。蓄电池放电过程中，在短时间（如不足1h）内即出现电压大幅度下降，且某单体电池端电压明显低于其他单格电池，则该单格电池极性颠倒。可对此单格电池进行单独充放电循环以恢复性能。
若蓄电池同时存在几种故障，充放电过程中所表现出的现象就较复杂，必须仔细观察、认真分析才能得到正确结论。
若充电至全充电状态后，所测各单格电池的开路电压相差大于0.05V，说明蓄电池的寿命将终结。