铅酸蓄电池容量检测的设计.doc

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1、石家庄铁道学院毕业设计铅酸蓄电池容量检测系统的设计Design of Lead-acid Battery Capacity Detection System 2008 届 电气与电子工程分院专 业 自 动 化 学 号 20041667 学生姓名 张 义 顺 指导教师 邓 晓 燕 完成日期 2008年5 月25日毕业设计成绩单学生姓名张义顺学号20041667班级电0402-2班专业自动化毕业设计题目铅酸蓄电池容量检测系统的设计指导教师姓名邓晓燕指导教师职称教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题目铅酸蓄电池容量检测系统的设计学生姓名张义

2、顺学号20041667班级电0402-2班专业自动化承担指导任务单位电气与电子工程分院导师姓名邓晓燕导师职称教授一、设计内容1、设计以单片机为核心的蓄电池测量系统。2、设计硬件电路。3、软件编程。二、基本要求1、通过放电方法测试电池容量。 2、实时显示电池容量（安时）。 3、实时显示电池电压（V）。 4、测量结束后有报警提示。三、主要技术指标1、放电电流为34.5A。2、测量放电电流，电流与时间积分为安时。3、实时测量电压，放电到10.5V则放电结束，显示闪烁最后数据。4、三位数码管显示，切换显示电压/安时。四、应收集的资料及参考文献1、51单片机方面的知识及其接口技术。2、铅酸蓄电池方面的资

3、料。3、模电、数字滤波、数电控制电路等资料。五、进度计划第1周第4周 调研、搜集资料、初步设计。第5周第8周 绘制原理图，制作板图。第9周第12周 编写软件，系统调试。第13周第14周 完成论文。教研室主任签字时间2008年2月26日毕业设计开题报告题目铅酸蓄电池容量测试系统的设计学生姓名张义顺学号20041667班级电0402-2班专业自动化一、研究背景电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，2006年，美国十大科技计划中有两项为电池项目，铅酸蓄电池行业销售总额的三分之一，与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地

4、位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。铅酸蓄电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系，同时关系到国家可持续发展战略的实现。近年来，铅酸蓄电池技术不断发展，产品日臻成熟。起动电池结构逐步优化升级，免维护蓄电池广泛使用、仍然是军用、民用交通运输装备的重要电源装置，为我国成为世界主要汽车生产国起到重要支撑作用。阀控电池、胶体电池等作为备用电源、大型储备电源的核心部件，其生产已成为国民经济发展中重要的基础性产业。铅酸蓄电池行业大有可为。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何判定蓄电池的容量成为广大用户极为关注的问题。二、国内外研究现状目前，蓄电池剩余容量的检测方法很多，如检测电

5、解液密度法、高电率放电法、湿度法、利用蓄电池阻抗法等。电解液密度在充电过程中逐渐变高，放电过程中逐渐降低。通过测量电解液的密度可判断蓄电池的充放电程度。此方法可以实现电池容量的直接显示，被普遍用在电池监测技术中。但由于电解液扩散速度较慢，在充电或放电后较长时间才能达到稳定状态。高电率放电法是通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的剩余容量。它是模拟启动机启动时的负载，测出蓄电池在大电流放电时的端电压，根据端电压变化来判定蓄电池的技术状态。此方法能检测蓄电池有无故障及向启动机供电的能力，但不能测量正在充电和刚充完电的蓄电池，因其电能消耗大，有一定危险。湿度法是借助固体电化学湿度传感器，在蓄电池充放

6、电过程中，将电解液相对湿度变化转化为传感器阻抗值的变化来确定蓄电池的容量。但湿度传感器目前尚无应用实例。阻抗法是利用蓄电池充电过程中阻抗值升高，放电过程中阻抗值降低的特性，从被测量电池的频率响应数据预示电池的容量。过程繁琐，所以这种方法用得较少。三、主要工作和所采用方法通过调研和搜集资料，完成对铅酸蓄电池的初步认识，之后再通过自我学习，从所借阅的资料以及互联网上的知识，独立完成原理图的绘制和版图的制作，随后进入软件编写阶段，在老师的指导下完成系统的调试最终完成论文。通过放电方法测试电池容量，测量放电电流，电流与时间积分为安时。四、本次设计预计达到的效果设计出一个以单片机为核心的铅酸蓄电池容量测

7、试系统，通过放电可测试其容量，当电压达到10.5V时放电结束，并且实时显示电池电压与容量，测量结束后有报警提示。指导教师签字时 间 2008 年3月10日摘 要本设计是以AT89C51单片机为核心的蓄电池容量检测系统，通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求：1、通过蓄电池放电测量电池容量；2、测量电压动态值；3、可切换显示电池容量/电压；4、测量结束后有报警提示。为了检测蓄电池的端电压，以便显示电压，要进行电压采样，并且采样电路为小电流放电，使所测试的电压值比较准确；为了检测蓄电池的容量，要进行电流采样，并且为大电流放电，放电电流为3A-4.5A，还要求放电电流尽可能恒定。系统

8、的恒流放电电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。实时测量并显示电压，放电到10.5V则放电结束。实时显示当前所放出的容量，积分计算出容量，不须人工计算。采用了Atmel公司的AT89C51单片机，该单片机片内有4K的ROM，不需外接ROM，由它设计制成的数字显示的蓄电池容量检测系统，其整个系统呈现单片化结构，硬件电路构成简单，主要功能均由软件编程实现，因此体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。关键词：铅酸蓄电池 容量检测 恒流放电AbstractThe design is battery measuremen

9、t system, of which AT89C51 micro controller as the core, through the software programming of AT89C51 SCM can achieve the following basic requirements: 1, battery capacity measurement by battery discharge; 2, measuring dynamic value of voltage, 3, may switch display the battery capacity / voltage; 4,

10、 alarm after the end of a measure.In order to detect the battery voltage, show that voltage, we must sample voltage, and sampling circuit is small current discharge so that test the voltage more accurate; To test the battery capacity, we must sample current, and discharge current is large. Discharge

11、 current is 3A-4.5A, also requires discharge current constant as possible. The constant current discharge circuit is composed of Integrated Operational amplifier. Structure is simple, and adjustment is easy. The constant discharge circuit ensure that the discharge current fundamental constant, so as

12、 to ensure the accurate of capacity detection. Measure and display voltage by real-time, 10.5 V to the discharge, and the discharge is over. Display capacity by real-time, and calculate the capacity by integration, do not need manual calculations. Using AT89C51 SCM of Atmel, 4K ROM within the SCM, w

13、ithout external ROM, the battery capacity detection system, design made of it, showed its monolithic structure, hardware circuit is simple, the main function work by the software programming. So size is small, it is highly reliable and measurement and showing is convenient, intuitive, price is low.K

14、ey words: Lead-acid batteries Capacity detection Constant current discharge目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 当前蓄电池容量测试技术现状11.2.2 快速容量测试技术的难点分析31.2.3 容量测试技术解决的方向41.3 论文研究内容及创新点4第2章 铅酸蓄电池52.1 工作原理52.1.1 放电中的化学变化52.1.2 充电中的化学变化52.2 蓄电池的容量62.2.1 放电中电压下降62.2.2 蓄电池之容量表示62.2.3 蓄电池温度与容量72.2.4 放电量与寿

15、命72.2.5 放电量与比重72.2.6 放电状态与内部阻抗72.2.7 放电中的温度82.3 影响铅酸蓄电池容量的因素82.3.l 蓄电池生产工艺对电池容量的影响82.3.2 蓄电池使用时的因素对电池容量的影响10第3章 AT89C51单片机结构及功能简介133.1 AT89C51简介133.2 主要特性133.3 管脚说明133.4 时钟振荡器15第4章 硬件设计174.1 采样电路的设计174.1.1 设计思路174.1.2 设计方案174.1.3 原理图184.2 恒流放电电路的设计184.2.1 设计思路184.2.2 设计方案184.2.3 原理图194.2.4 工作原理194.3

16、 数字显示电路的设计204.3.1 设计思路204.3.2 设计方案204.3.3 原理图204.4 AD接口电路的设计214.4.1 设计思路214.4.2 ADC0809简介214.4.3 设计方案224.4.4 原理图23第5章 软件设计245.1 主要算法245.1.1 电压245.1.2 电流245.1.3 容量245.2 主程序设计265.3 AD转换程序的设计275.4 数字显示程序设计28第6章 结论与展望31参考文献32致 谢33附 录34石家庄铁道学院毕业设计第1章 绪论1.1 课题研究的目的及意义铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有良好

17、的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何精确检测蓄电池容量成为广大用户极为关注的问题。GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度252的水浴中”，由此可见，标准对于试验温度的要求252范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定2的要求，第一，只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复

18、性；第二，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。质检部门的监督检验及仲裁检验，工商部门市场监测，教学研究等工作，务求对蓄电池容量检测数据准确无误。务必使试验温度保持在标准要求范围内，才能减少系统误差，得出精确数据，真实反映产品的质量水平。研制蓄电池容量检测系统很有必要。1.2 国内外研究现状1.2.1 当前蓄电池容量测试技术现状1.核对放电法核对放电法即100%C的深度放电，它具有容量测试准确可靠的优点，因此，仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法。核对放电法即全放电的容

19、量试验，是检测电池容量最直接、最可靠的方法，无论是在线还是离线进行检测，都必须设置备用电源作为防范措施，以保证系统的安全。传统的核对放电设备普遍采用电阻丝进行核对放电，并且是人工操作，程序繁琐，存在一定的人身危险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前，国内外普遍采用了新型的等效的电子负载，以保证电池组恒流放电。经过数小时后，可以找出最落后的一到几节电池，以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量，并以此容量作为整组电池的容量。不过它的缺点也很突出，主要表现为：(1)放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，

20、效率低；少数放电系统采用逆变技术可以将化学能予以回收利用。(2)进行核对性放电试验，必须具备一定条件，首先，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，必须有备用电池组。(3)目前，核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。(4)有损蓄电池的容量。由于蓄电池的内部化学反应不是完全可逆的。全深度循环放电的次数是有限的，所以，不宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。但是间隔时间过长，两次核对之间的蓄电池的状态是不确定的。我们会面临两难的选择。密封蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据为，电池的剩余

21、容量是否满足机房工作要求，或者满足有关维护规程的要求。国家有关电源维护规程中的核对放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用，确保通信畅通与生产正常的重要手段。2.不完全放电测试法对于电池组采用1%5%C的浅度放电；机房可以没有备用电池组。在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压下降最快的一只，将其确认为落后电池，再利用核对放电仪器，对该节电池进行核对放电，检测其容量，即代表该组电池的容量。目前，此法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适宜作为一个定性

22、测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点，推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器，即在线检测仪或在线巡检仪，但是除了少数情况外，一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄电池的生产制造工艺的原因，有蓄电池电化学特性的原因，即容量相同的蓄电池的负载电压本身具有离散性。大量研究实践证明，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高，测试情况还不是很理想，尤其是容量测试准确度较低。3.电导

23、(内阻)测量法电导测试线是目前主要的日常维护仪器。从测试技术分为交流法和直流法，使用95%以上的电导(内阻)测量仪属于交流法。交流法电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数，不同的测试频率下有不同的电导值，电池的容量越小，电池电阻越大，电导值越小。电导法能准确查出完全失效的电池，根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量只有降低到50%时，内阻或者电导会有所变化，降低到40%以后，会有明显变化，所以，根据电池电导值或者内阻值，可以在一定程度上确定电池的性能。采用电导法测试电池的内阻

24、或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路，但是问题如下：(1)对于电池的好坏程度，还不能提供准确的数据依据；不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标；不能判断(SOC)容量50%以上的蓄电池的好坏；不能到达国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰。(2)不同型号的仪表测量结果的差异性较大，由于各种交流法测量仪的测量频率(15Hz1000Hz)、测量方法(相位差法、有效值法、调制解调法、比较法等等)和测量电流(1A10A)相差较大，让使用不同的测量仪对于同一块电池的测量结果相差较大，有时相差一倍。造成用户选择仪表困难，以及

25、对于仪表测量结果的可信度怀疑。目前基于直流法的电导(内阻)测量仪检测水平也未能超出交流法测量仪。电导测量技术虽然测试工作比较简单，但是，由于内阻与容量是非线性的，所以，测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。4.安时Ah容量法对于动力蓄电池，蓄电池需要频繁的充电、放电。往往采用Ah容量法。使用Ah容量法记录的电能量，需要知道蓄电池的初始状态和终点SOC；但是初始状态和终点SOC受到下述多种因素的影响，在一般情况下，并不是一个常数。所以安时Ah容量法仅能纪录已经使用或通过电量计的电量，而不能较为准确地预测终点SOC。1.2.2 快速容量测试技术的难点分析针对目前的实际情况，就蓄电池制造厂家、

26、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。遗憾的是，蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程，蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度，不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池，型号和规格千变万化，性能也不尽相同，外部只有两个电极接头。对于使用者来说，从外部来看，密封蓄电池是一个“黑箱”，至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。蓄电池容量

27、测试技术的难点：(1)蓄电池的化学能不能直接测量。(2)蓄电池化学能本身是一个变量。由于化学反应不完全可逆。化学能随着使用次数和使用时间、储存时间而衰减。(3)使用容量又与工作温度和充、放电率，充、放电的方法有关，并随着SOC状态等条件在变化。(4)容量相同的密封蓄电池的负载电压和内阻本身具有离散性。即使对于同一个厂、同期生产的、同型号的蓄电池也是如此，无法避免。而且，对于蓄电池组，使用时间越长，蓄电池个体之间的差异性和离散性越大，会出现两极分化。(5)难以等效。一般来说，不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。退一步说，使用非线性元器件的组合，可以等效蓄电池的内部结构，也仅

28、适用于特定的电池和特定的条件。不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件1。1.2.3 容量测试技术解决的方向基于蓄电池本身的性能和技术特点，必须保留核对放电技术，它可以定量测试，是其他测试技术的基础。其次，应该改进目前的电导法(内阻法)、电压测量法等快速测量法，使之提高测量精度，以满足现场维护工程师的要求。采用恒流放电技术，使放电电流基本恒定，对电流和时间进行积分，也就是对放电电流进行求和运算，最终得到放出的容量值。1.3 论文研究内容及创新点主要研究利用单片机AT89C51设计一个蓄电池容量测量系统。铅酸蓄电池的容量检测方法很多，为了准确测量蓄电池的容量，本设计采用放电方法测试

29、电池容量，并采取设计的恒流放电电路，而且单独测试电压和电流，保证了所测试电压和电流的准确。要求实时显示电池容量，实时显示电池电压，放电到10.5V测量结束并有报警提示，放电电流为3-4.5A，三位数码管显示，切换显示电压/安时。主要创新点是系统采用恒流放电，该电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。本系统硬件电路构成简单，主要功能均由软件编程实现，因而体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。第2章 铅酸蓄电池2.1 工作原理所谓蓄电池即是贮存化学能量，在必要时放出电能的一种电气化学设备。构成铅蓄电池之主要成份如下

30、2： 阳极板(过氧化铅.PbO2)- 活性物质阴极板(海绵状铅.Pb) - 活性物质电解液(稀硫酸) - 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O电池外壳 隔离板 其它(液口栓.盖子等)铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： (阳极) (电解液) (阴极) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O+ PbSO4 (放电反应) (过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极)PbSO4 +2H2O +PbSO4 - PbO2 + 2H2

31、SO4 + Pb (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅) 2.1.1 放电中的化学变化蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应，生成新化合物(硫酸铅)。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 2.1.2 充电中的化学变化由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸，铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加,亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极

32、的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。2.2 蓄电池的容量电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之： 电解液比值1.280/20 放电电流5小时的电流 放电终止电压1.70V/Cell 放电中的电解液温度302 2.2.1 放电中电压下降放电中端子电压比放电前之无负载电压(开路电压)低，理由如下： (1)V=E-IRV-端子电压(V) I-放电电流(A) E-开路电压(V)R-内部阻抗() (2)放电时，电解液比重下降，电压也降低。 (3)放电时，电池内部阻抗即随之增强，完

33、全充电时若为1倍，则当完全放电时，即会增强2-3倍。 用于起重时电瓶电压之所以比用于行走时的电压低，乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大，因此放电流大，则上式的IR亦变大3。2.2.2 蓄电池之容量表示在容量试验中，放电率与容量的关系如下： 5HR.1.7V/cell 3HR.1.65V/cell 1HR.1.55V/cell 严禁到达上述电压时还继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。 因此，堆高机无负重扬升时的电池电压若已达1.75V/cell(24cell的42V,12cell的21V)，则应停止使用，马上充电。 2.2.3 蓄电池温度与

34、容量当蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少。 (A)电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。 (B)电解液之阻抗增加，电瓶电压下降，蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。 因此: (1)冬季比夏季的使用时间短。 (2)特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。 若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应先提高其温度。 2.2.4 放电量与寿命每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。 2.2.5 放电量与比重蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重，即可推算出

35、蓄电池的放电量。 测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此，定期性的测定使用后的比重，以避免过度放电，测比重的同时，亦侧电解液的温度，以20所换算出的比重，切勿使其降到80%放电量的数值以下。 2.2.6 放电状态与内部阻抗内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主要因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后(此即文献上所说的硫化现象)，即使充电，极板的活性物质亦无法恢复原状，而将缩短电瓶的使用年限。白色硫酸铅化 蓄电池放电，则阴、阳极板同时产生硫酸

36、铅(PbS04)，若任其持续放电，不予充电，则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶(即使再充电，亦难再恢复原来的活性物质)此状态称为白色硫化现象。 2.2.7 放电中的温度当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高，会提高充电完成时温度，因此，将放电终了时的温度控制在40以下为最理想。2.3 影响铅酸蓄电池容量的因素铅酸蓄电池的容量是指在一定的放电条件下，可以从电池中获得的容量，一般用安时(Ah)数表示，符号为C。铅酸蓄电池容量有理论容量、实际容量和额定容量之分。理论容量是假设电池中活性物质放电时能够全部参加反应，并结合电池的反应方程式和各成份的电化学当量数值，按照法

37、拉第定律计算求得的；实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的电量，它总是低于理论容量；额定容量是设计和生产电池时，规定或保证电池在规定的放电条件下应该放出的最低限度的电量。通常说影响铅酸蓄电池容量的因素，都是指对电池实际容量的影响。因为一旦电池活性物质的总量确定下来，电池的理论容量就确定了，并且额定容量也是实际容量的一种反应。因为但凡说额定容量，都要确定放电电流值，并且也通常约定了放电的终止电压。而如果谈电池的实际放电容量，则包括的因素最为全面，不仅包含对理论容量的影响因素，甚至连对额定容量的影响因素也包含在内了，下面着重谈一下各种因素对铅酸蓄电池实际容量的影响。影响电池容量的因素很多，大

38、致可以分为两类：一是生产工艺方面的因素，包括活性物质量、极板厚度、活性物质孔率、活性物质的真实表面积、极板的中心距、活性物质的组成；二是使用时的因素，包括放电的电流密度、放电的终止电压、电解液的温度和电解液的密度。2.3.l 蓄电池生产工艺对电池容量的影响1.活性物质量的影响活性物质量的多少是影响铅酸蓄电池容量的主要因素，一个电池活性物质的量确定以后，因为电解液硫酸的量通常是够用的，因此它的理论容量也就确定了，其他因素对容量的影响，就是对活性物质利用率的影响了。这里需要着重说明的是通常正极和负极的活性物质的理论容量是不一样的，并且在任何情况下，电池的实际容量都要以电池中容量相对较小电极的实际容

39、量为准，这就要看不同放电条件分别对正负极实际容量的影响程度了。一般情况下，在常温及放电电流不太大时，电池的实际容量都受正极容量的限制，在低温及放电电流比较大时，电池容量通常受负极容量控制。但是对于阀控密封型铅酸蓄电池，由于氧复合反应的要求，使电池在设计之初就要求电池的负极容量大于正极的容量。2.极板厚度的影响当极板上活性物质总量确定以后，实际反应中，活性物质参加反应量的多少与极板厚度密切相关。一般说来，极板表面的活性物质能够直接和硫酸电解液接触起反应，而极板深处的活性物质就不然，以较大的电流放电时，由于表层生成的硫酸铅会堵塞活性物质的孔隙，致使极板深层的活性物质得不到电解液的及时补充而中断反应

40、，导致极板越厚，深处极板上活性物质反应的利用率就越少。这是因为在活性物质总量相同的前提下，要么增加极板片数，要么增加单极板的表面积。这两种方式都相当于扩大了电解液扩散的表面积，如果把极板变薄，则相当于减小了扩散的厚度。在这种情况下，不仅扩散速度加快，浓度极化减小，而且由于反应面积的增加，电化学极化也减小。伴随着放电过程表现出来的现象是，电池端电压下降的慢，电池的放电容量增加，而厚极板则是情况相反。当然极板也不能太薄，这样不仅会影响电池的循环寿命，电池容量的增加也不会太明显。有研究表明：尽管极板越薄，活性物质利用率越高，但是当极板厚度减薄到2mm以下时，再减薄极板厚度，活性物质利用率也变化不大。

41、也就是说，在活性物质总量相同的前提下，薄极板的优点主要体现在大电流放电情况下。3.极板孔率的影响所谓极板的孔率是指极板上活性物质中孔的总体积与铅膏的表观总体积之比的百分数。孔率对放电容量的影响具有两重性，一方面孔率大了，扩散容易，容量提高；另一方面，孔率大了，活性物质总量就会减少，容量反而减少，并且孔率过大，还会缩短电池的寿命。因此极板孔率应在极板生产时合理选择工艺过程，并且要严格控制过程保障能力，以生产出适合不同使用条件要求的最佳孔率的极板。活性物质的孔率决定于铅膏的视比重及涂板时的压板操作，铅膏视比重小，压板时压力小，则孔率大，反之则孔率小。一般正极板孔率控制在55%左右，负极板控制在60

42、%左右。需要注意的是，不仅要注意孔率，还要注意孔的大小及其分布。这是因为活性物质放电后，体积要增加，孔太小时很容易被堵塞而使活性物质不能被充分利用，孔太大时又会影响活性物质之间的连接，在阀控密封铅酸蓄电池中，还会因影响气体复合时的通道而影响气体的复合效率。4.活性物质真实表面积的影响相同活性物质总量的极板放电容量不仅与上面提到的因素有关，而且还与极板的真实表面积有关。所谓真实表面积，也就是能够与电解液直接接触的活性物质的表面积，它要比按照极板几何尺寸计算出来的面积大的多，一方面包括极板的片数，另一方面还包括极板细孔的表面积。因为对于含活性物质的极板来说，活性物质粒子越小，表面积就越大。并且铅酸

43、蓄电池活性物质的粒子都很小，因此它们做出的极板的真实表面积要比极板的表观表面积大几百到几千倍。真实表面积大，则扩散截面积与反应面积都增加，因此放电时浓度极化和电化学极化都减小，电池电压下降减慢，放电容量提高。因此对于体积、重量一定的铅酸蓄电池来说，要想提高其放电容量，可以通过增大极板的真实表面积来得到。此外，真实表面积还与孔的大小有关，把一个大孔分成几个小孔，尽管总孔体积不变，但是真实表面积却增大了。但需要注意的是小孔易被堵塞，造成这一部分表面积不能发挥作用。5.极板中心距的影响极板中心距是指两个同极性极板中心之间的距离。极板中心距的大小对电池的容量也有一定的影响，这个影响可以从两个方面来分析

44、，一是要考虑电解液量对电池容量的影响；二是通过极板中心距的改变影响内阻，进而影响电池放电时放出电量的多少。说到电解液量对电池容量的影响，就需要引入另一个和极板中心距密切相关的概念：极板面间距，它指的是一个电池中不同极性的相邻极板之间的距离。大家都知道，极板中活性物质孔内的酸液量远远不够活性物质电化学反应的需要，据报道铅酸电池极板中的酸液量仅够活性物质总量的10%参加电化学反应。而在当今比较流行的阀控密封型铅酸蓄电池的设计原则中，不仅不允许有游离态的电解液存在，还要求电池隔板中的酸液量不能够饱和，必须留下5%10%的孔来作为氧复合的通道。并且铅酸蓄电池中电解液硫酸的利用率通常也只有75%左右，这

45、就要求电池在设计时，不仅要有足够活性物质反应的电解液量，而且又要极板的面间距尽可能的小，这样可以减小电池的内阻，放电容量同样也会上升。2.3.2 蓄电池使用时的因素对电池容量的影响1.放电电流密度的影响对于同种规格和数量的极板制成的蓄电池来说，放电电流密度大时，放电容量减小。反之，放电电流密度小时，放电容量增大。这是因为放电电流密度大时，电化学极化和浓差极化都将加剧，造成放电电压迅速下降，放电容量减小。此外，放电电流密度大时，铅离子的数量在电极附近增加很快，使硫酸铅的过饱和度增大，生成晶粒细小而又致密的薄层硫酸铅盐层，它会在电解液来不及扩散进入活性物质内部时堵塞孔道，造成电极内部活性物质更加不

46、易反应，利用率更低，放电容量更少。反之，当采用较小电流密度放电时，不仅电化学极化和浓差极化减小，而且由于铅离子的过饱和度减小，生成的硫酸铅层将是粗大而疏松的。这种盐层虽然也遮盖了电极表面，但是硫酸电解液仍然可以通过它的孔隙扩散到极板深处与活性物质接触、反应，当然能够放出较多的容量。这也是针对同种规格电池，各种标准规定在大电流放电时，允许放出较少的容量的主要原因。比如，针对固定型的阀控密封铅酸蓄电池，各种标准基本都规定，3小时率放电的容量只要达到10小时率放电容量的75%即判为合格。2.放电终止电压的影响铅酸蓄电池的放电终止电压，指的是蓄电池在一定的电流密度下放电时，放电到不宜再继续放电时的电池电压值。终止电压是根据实际需要而定的，一般小电流放电时，终止电压高些，大电流放电时，终止电压低些。这是因为小电流放电时，放电曲线平坦部分很长，到终止电压后，如