典型工作环节二
制订方案

1.2.1 故障原因分析

教学方法推荐：关键词卡片法

教师活动：

教师提供阅读资料，指导学生独立查找蓄电池不断放电的原因。

学生活动：

学生独立阅读教师提供的阅读资料，在资料上画出关于蓄电池不断放电原因的关键词，形成个人的结论，工整地记录在笔记本上，并画出思维导图。

阅读资料：蓄电池故障分析

汽车电源由蓄电池与发电机并联组成，如图 1-1 所示。用于汽车上的蓄电池必须满足发动机启动的需要，即在短时间内（5s）能向起动机提供强大的电流（汽油发动机为200 ~ 600 A，大型柴油发动机可达 500 A）。要求蓄电池的内阻要小，大电流输出时的电压稳定，以保证有良好的启动性能。能满足发动机启动需要的蓄电池称为启动型蓄电池，汽车上使用的就是启动型蓄电池。此外，要求蓄电池的充电性能良好、使用寿命长、维护方便或少维护，以满足汽车使用性能要求。

（1）蓄电池常见故障

蓄电池的外部故障有壳体或盖子出现裂纹、封口胶干裂、极桩松动或腐蚀等；蓄电池的内部故障有极板硫化、活性物质脱落、极板短路、自放电、极板拱曲等。

1）极板硫化

蓄电池长期处于放电状态或者充电不足状态下，会在极板上逐渐生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅，正常充电时，不能转化为PbO ₂ 和Pb，称为硫酸铅硬化，简称硫化。

这种粗晶粒的硫酸铅，堵塞极板孔隙，使电解液渗入困难，容量降低，且硫化层导电性差，内阻显著增大，启动性能和充电性能下降。

蓄电池硫化主要表现在：极板上有白色的霜状物；蓄电池容量明显下降；用高率放电叉检查时，单格电压明显降低；充电时单格电压迅速升高到 2.8V左右，但电解液密度上升不明显，且过早出现沸腾现象。

硫化的原因主要如下：

①充电不足的蓄电池长期放置时，当温度升高时，极板上一部分硫酸铅溶于电解液中；当温度下降时，溶解度随之减小，部分硫酸铅再结晶成粗大颗粒的硫酸铅附在极板上，使之硫化。

②电池内液面过低，极板上部与空气接触而氧化（主要是负极板）。在汽车行驶过程中，电解液上下波动与极板氧化部分接触，会生成粗晶粒的硫酸铅，使极板上部硫化。

③电解液密度过大或不纯、气温变化大都能使极板硫化。

2）自放电

自放电是蓄电池在车辆停驶时存电量的自动减少和损失，一般认为，充满电的蓄电池自放电电量一个月内每昼夜不得超过 3%。自放电现象主要由以下原因引起：

①浓差极化。长期存放的蓄电池，其电解液中硫酸因密度大而下沉，在极板的上、下方形成电位差，依靠极板内部放电。

②普通铅酸蓄电池的结构是开放型的，在使用或维护的过程中，杂质离子的进入使得极板上的活性物质与杂质离子间形成电位差，在电解液中形成放电通路，损耗电量。

③电池溢出的电解液堆积在盖板上，使正、负极桩形成通路。

④活性物质脱落，在充电或颠簸行驶的过程中，栅架上附着活性物质，特别是正极板上的容易脱落，在外壳底部形成短路，致使蓄电池电量迅速下降。新型免维护蓄电池采用了全封闭结构、铅-钙-锡合金材料的放射形栅架、袋装隔板等工艺，自放电故障大大降低。

（2）蓄电池亏电原因

蓄电池亏电原因主要包括自放电、寄生放电和充电不足等。

1）寄生放电

寄生放电是指车辆在存放时，汽车上某些用电设备或者电路仍消耗蓄电池电量，所放电流又称“寄生电流”，该电流较小，一般以mA计量。在车辆存放时，类似汽车胎压监测系统TPMS、防盗模块ATA等仍需要电流维持其部分功能，此电流较小，如东风雪铁龙C5 上，静态工作电流一般不超过 30 mA，但若某个电气部件在车辆网络进入休眠状态后仍处于工作状态，此时电流值一般就会变大，蓄电池电量损失加快。这是在实际维修工作中发现的导致蓄电池亏电的主要原因。

2）充电不足

蓄电池充电不足的原因主要有充电系统故障，未能给蓄电池充电；汽车频繁短途行驶，蓄电池启动时消耗的能量未能得到全部补充，总是处于亏电状态；汽车加装有大功率设备，消耗电能过大，使蓄电池不能有效充电；蓄电池故障，如蓄电池极板硫化现象严重，使蓄电池充电不足。

1.2.2 关联知识学习

汽车蓄电池构造与原理

教学方法推荐：小组拼图法

教师活动：

按照小组拼图法，教师把学生分成 4 个原始小组，并形成专家小组，提供与之有关的阅读资料A、B、C、D，分别进行个体学习、小组学习，形成小组学习成果。学生完成学习后进行点评和总结。

学生活动：

学生原始小组个人独立学习对应资料，并完成工作页。然后在专家小组讨论，形成小组学习成果，制作海报。再在原始小组进行交流学习，完成其他阅读资料的学习，并完成工作页。

阅读资料A：蓄电池概述

（1）蓄电池的功能

蓄电池与交流发电机并联向汽车电气系统供电，蓄电池属于汽车最重要的电气部件之一。其正常稳定的功能直接影响顾客的满意度。

汽车蓄电池是一种集电器，其主要用于发动机启动，在发动机启动时，给起动机提供强大的启动电流。在发电机超载、发电机电压低或不发电时，蓄电池向用电设备供电；发电机端电压高于蓄电池电动势时，蓄电池将发电机的电能转变为化学能储存起来；蓄电池可以吸收电路中的瞬变过电压，保护车用电子元件；蓄电池还是电子控制装置内存的不间断电源。

（2）蓄电池的类型

铅酸蓄电池电解液是稀硫酸溶液，根据加工工艺的不同，汽车用铅酸蓄电池可以分为以下几种类型：

①普通蓄电池。新蓄电池的极板不带电，使用前需按规定加注电解液并进行初充电，初充电的时间较长，使用中需要定期维护。

②干荷蓄电池。新蓄电池的极板处于干燥的已充电状态，电池内部无电解液。在规定的保存期内，如需使用，只需按规定加入电解液，静置 20 ~ 30 min即可使用，使用中需要定期维护。

③湿荷蓄电池。电解质为液态状的蓄电池称为湿荷蓄电池。湿荷蓄电池分为带单格电池塞的可维护蓄电池和不带单格电池塞的不可维护蓄电池两种。其优点：性价比高；应用广泛（型号多样）；可安装在发动机舱内。缺点：检修时必须通过电眼检查电解液的液位；电解液有泄漏危险。

④免维护蓄电池。其含义是在合理的使用期限内无须添加蒸馏水，只要电池装好就行了，如市内短途车可行驶 80 000 km，长途货车可行驶 400 000 ~ 480 000 km而不需进行维护，可用 3.5 ~ 4 年而不必添加蒸馏水；极柱腐蚀较轻或没有腐蚀；自放电少，在车上或储存时不需进行补充充电。总之，在其使用过程中不需任何维护或只需较少的维护工作，即能保证蓄电池的技术状况良好和一定的使用寿命，是一种先进的新型汽车电源。

⑤阀控式铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead Acid Battery,VRLA蓄电池）。 VRLA蓄电池盖子上设有单向排气阀（也称安全阀），如图 1-2 所示。该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），即当电池内部气压升高到一定值时，排气阀打开，排出气体。VRLA蓄电池的优点是电解液无须检查和补充，蓄电池无须维护。其缺点为在过度充电的情况下产生的多余气体通过作为安全阀的排气阀排出。因为液量不能重新更新，所以有可能持续损坏蓄电池。在充电时必须使用充电电压极限为 14.4 V的蓄电池充电器。 VRLA蓄电池分为GEL（胶体）蓄电池和AGM蓄电池两种。

a.GEL（胶体）蓄电池。胶体蓄电池的硫酸中加入硅酸将电解液凝固成凝胶状物质。根据胶体蓄电池的排气原理，胶体蓄电池属于VRLA蓄电池。电解液中的磷酸提高了循环稳定性（充电和放电次数），有利于深度放电后的再次充电。蓄电池用一个蓄电池盖进行封盖。无法拧出的单体电池密封塞和排气通道集成在蓄电池盖中。胶体蓄电池未配备电眼。优点：液体不会溢出；高循环稳定性（充电和放电次数）；免维护；产生的气体较少。缺点：较差的冷启动性能；价格较高；利用率低；耐高温性差，不适用于安装在发动机舱。

b.AGM蓄电池（吸附性玻璃纤维隔板电池）。电解质吸附于超细玻璃纤维上的蓄电池称为AGM（Absorbed Glass Mat）蓄电池。隔板材料为超细网状玻璃纤维。这种纤维可以很好地渗透和吸附硫酸。其具有隔板的功能。电解液可完全被这种纤维吸附。这样，AGM电池具有很好的密封性。即使蓄电池外壳损坏，有极少量电解液溢出的可能，但最多只有几毫升。蓄电池用一个蓄电池盖进行封盖。单体电池密封塞和排气通道集成在蓄电池盖内。 AGM蓄电池未装配电眼。根据其排气原理，AGM蓄电池属于VRLA蓄电池。优点：高循环稳定性（充电和放电次数）；液体不会溢出；免维护；产生的气体较少；较好的冷启动性能。缺点：价格较高；市场上种类较少；耐高温性差，不适用于安装在发动机舱。

（3）蓄电池的标志

蓄电池标志的内容较多，主要内容有品牌、型号、蓄电池参数、蓄电池使用说明等。

1）蓄电池型号标志

如图 1-3 所示，“6-QA-70A”表示我国使用的蓄电池型号，其具体含义如下：

6——蓄电池的单格电池数为 6，额定电压为 12 V;

Q——蓄电池的类型，启动型铅酸蓄电池；

A——蓄电池的特征，干荷蓄电池；

70——额定容量 70 A·h;

A——第一次改进。

2）蓄电池使用说明标志

蓄电池使用说明标志如图 1-4 所示，含义如下：

①在处理蓄电池时严禁明火、火花、强光和吸烟。避免在处理电缆和电气设备时产生的电火花以及因静电而产生的放电。避免短路。不允许把工具放在蓄电池上。

②在进行蓄电池方面的工作时必须戴上护目镜。

③必须使儿童远离电解液和蓄电池。

④回收处理：旧蓄电池是特殊垃圾，只有在合适的收集地点和在考虑法规允许条件的情况下处理。

⑤旧蓄电池不能当作生活垃圾来处理。

⑥处理蓄电池时有爆炸危险。蓄电池充电时，会产生具有强烈爆炸性的氢氧混合气体。

⑦遵守电气装置维修手册和使用说明书中有关蓄电池的说明。

⑧腐蚀危险：蓄电池电解液侵蚀性很强，在进行蓄电池方面的工作时应戴上防护手套和护目镜。蓄电池不允许翻转，否则电解液会从排气孔流出。

3）蓄电池参数标志

图 1-5 显示了蓄电池额定电压、额定容量、低温测试电流等参数。

工作页A：蓄电池概述

1.汽车电源包括哪两个？描述两者的关系。

2.汽车蓄电池具有哪些功能？

3.描述阀控式铅酸蓄电池的特点。

4.描述胶体蓄电池的特点。

5.描述AGM蓄电池的特点。

6.在表 1-2 中写出如图 1-6 所示蓄电池标志的含义。

阅读资料B：蓄电池的构造与容量

（1）蓄电池的构造

铅酸蓄电池主要由极板、隔板、壳体、电解液、铅连接条、极柱等部分组成。壳体一般分隔为 3 个或 6 个单格，每个单格均盛装有电解液，插入正、负极板组便成为单格电池。蓄电池由3 个或 6 个单格电池串联而成，每个单格电池的标称电压为 2 V，串联成 6 V或 12 V以供汽车选用。蓄电池的结构如图 1-7 所示。

1）极板

极板是蓄电池的核心部分，蓄电池充、放电的化学反应主要是依靠极板上的活性物质与电解液进行的。极板分为正极板和负极板，均由栅架和活性物质组成，如图 1-8 所示。

栅架的作用是固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好的导电性、耐蚀性和一定的机械强度。在栅架的铅锑合金中，锑的质量分数为 6%~ 8.5%，以提高栅架的机械强度并改善浇铸性能。但铅锑合金耐电化学腐蚀性能比纯铅差，锑易从正极板栅架中解析出来，引起蓄电池自放电和栅架的膨胀、溃烂，缩短蓄电池的使用寿命。免维护蓄电池已采用铅-低锑合金栅架（锑质量分数为 2%~ 3%）和铅-钙-锡合金栅架（无锑栅架）。

正极板上的活性物质为二氧化铅（PbO ₂ ），呈深棕色；负极板上的活性物质为海绵状的纯铅（Pb），呈青灰色。将活性物质调成糊状填充在栅架的空隙里并进行干燥即形成极板。国产正极板的厚度为 2.2 mm，负极板的厚度为 1.8 mm。国外大多采用薄型极板，厚度为 1.1 ~1.5 mm。薄型极板可以提高蓄电池的体积比能量、质量比能量，改善蓄电池的启动性能。

将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得 2 V左右的电动势。为了增大蓄电池的容量，常将多片正、负极板分别并联，组成正、负极板组，如图 1-9 所示。在每个单格电池中，正极板的片数要比负极板少一片，这样每片正极板都处于两片负极板之间，可以使正极板两侧放电均匀，避免放电不均匀造成极板拱曲。

2）隔板

隔板插放在正、负极板之间，以防止正、负极板互相接触造成短路。隔板应耐酸并具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维等，隔板厚度小于 1 mm。

木质隔板耐酸性较差，已很少采用。微孔橡胶隔板性能好，寿命长，但生产工艺复杂、成本较高，尚未推广使用。微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，被广泛采用。

隔板安装时，带槽的一面应面向正极板，且沟槽必须与外壳底部垂直。因为正极板在充、放电过程中，化学反应剧烈，沟槽既能使电解液上下流通，也能使气泡沿槽上升，还能使脱落的活性物质沿槽下沉。

近年来，出现了袋式的微孔塑料隔板，它将正极板紧紧套在里面，起到了良好的分隔作用，既减小了蓄电池尺寸，又增大了极板面积，使蓄电池容量增大。

3）电解液

电解液在蓄电池的化学反应中起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由密度为 1.84 g/ cm ³ 的纯硫酸（H ₂ SO ₄ ）与蒸馏水按一定比例配制而成，其相对密度随使用地区温度的不同而进行选配。在 20 ℃标准温度下，其密度一般为 1.24 ~ 1.30 g/ cm ³ 。配制电解液必须使用耐酸的器皿，切记只能将硫酸慢慢地倒入蒸馏水中并不断搅拌。

电解液的密度对蓄电池的工作有重要影响，密度大，可减少结冰的危险并提高蓄电池的容量，但密度过大，则黏度增加，反而降低蓄电池的容量，缩短使用寿命。

4）壳体

壳体用于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成，为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组。壳内由间壁分成 3 个或 6 个互不相通的单格，各单格之间用铅质连接条串联起来。壳体上部使用相同材料的电池盖密封，电池盖上设有对应于每个单格电池的加液孔，用于添加电解液和蒸馏水，以及测量电解液密度、温度和液面高度。加液孔盖上的通风孔可使蓄电池化学反应中产生的气体顺利排出。

5）铅连接条

铅连接条用于连接蓄电池各单格。传统的连接条安装在蓄电池外壳之外，不仅浪费材料、容易损坏，还导致蓄电池自放电，这种连接方式被穿壁式连接条所取代。采用穿壁式连接条连接单格电池时，所用连接条尺寸很小，并设在蓄电池内部。

（2）蓄电池的容量

蓄电池的容量标志着蓄电池对外供电的能力。一个完全充足电的蓄电池，在允许的放电范围内所输出的电量称为蓄电池的容量。

蓄电池的容量与极板构造，放电电流的大小以及电解液的温度、密度有关，蓄电池出厂时规定的额定容量是在一定的放电电流、一定的终止电压和一定的电解液温度下测得的。

1）额定容量

额定容量是检验蓄电池质量的重要指标之一。国家标准《起动用铅酸蓄电池第一部分：技术条件和试验方法》（GB / T 5008.1—2013）规定：以 20 h放电率的放电电流（即 0.05 C ₂₀ 安培）在电解液初始温度为（25±5）℃ ，相对密度为（1.28±0.01）g/ cm ³ （25 ℃ ）的条件下，连续放电到规定的单格电池终止电压 1.75 V，蓄电池所输出的电量，称为蓄电池的额定容量，记为 C ₂₀ ，单位为A·h。

例如，3-QA-90 型蓄电池在电解液初始温度为（25 ±5）℃时，以 4.5 A（0.05 C ₂₀ = 0.05 ×90 =4.5 A）的电流连续放电至单格电池平均电压降到 1.75 V时，若放电时间大于等于 20 h，则其容量 C ₂₀ = I _f · t _f ≥90 A·h，达到了额定容量，为合格产品；若放电时间小于 20 h，则其容量低于额定容量，为不合格产品。

2）储备容量

国家标准《起动用铅酸蓄电池技术条件》（GB / T 5008.1—2013）规定：蓄电池在（25±2）℃的条件下，以25 A恒流放电至单格电池平均电压降到1.75 V时的放电时间，称为蓄电池的储备容量，单位为min。

储备容量表达了在汽车充电系统失效时，蓄电池能为照明和点火系统等用电设备提供 25 A恒流的能力。

3）启动容量

启动容量表征了铅酸蓄电池在发动机启动时的供电能力，用倍率和持续时间表示，是检验蓄电池质量的重要指标之一。启动容量受温度影响很大，分为低温启动容量和常温启动容量两种。

①低温启动容量

低温启动容量为电解液初始温度在-18 ℃时，以 5 min放电率的放电电流（3 倍额定容量的电流）持续放电至单格电池电压下降至 1 V时所放出的电量。持续时间应在 2.5 min以上。

②常温启动容量

常温启动容量为电解液初始温度在 25 ℃时，以 5 min放电率的放电电流（3 倍额定容量的电流）持续放电至单格电池电压下降至 1.5 V时所放出的电量。持续时间应在 5 min以上。

工作页B：蓄电池的构造与容量

1.铅酸蓄电池主要由（ ）、（ ）、（ ）、（ ）及铅连接条、极柱等部分组成。汽车蓄电池由（ ）个单格电池串联而成，每个单格电池的标称电压为（ ）V，串联成 12 V以供汽车选用。

2.极板分为（ ）和（ ），均由栅架和（ ）组成，正极板上的活性物质为（ ），呈深棕色；负极板上的活性物质为海绵状的（ ），呈青灰色。栅架的作用是（ ）。

3.如图 1-10 所示为蓄电池极板组，写出图中序号的名称。

4.单格电池内正、负极板的数量相同吗？为什么？

5.画出蓄电池的结构简图，并标注名称。

6.测试 6-Q-60 型蓄电池的额定容量时，若充满电的蓄电池在电解液初始温度为（25 ±5）℃ ，应以（ ） A的电流连续放电至单格电池平均电压降到 1.75 V，若放电时间为 18 h，则其实际额定容量 C ₂₀ = （ ），单位为（ ），此蓄电池是否为合格产品？

阅读资料C：蓄电池的工作原理

蓄电池的工作过程就是化学能与电能的转换过程。放电时将化学能转换为电能供用电设备使用；充电时将电能转换为化学能存储起来。在充电状态下，蓄电池的正极是二氧化铅（PbO ₂ ），负极是海绵状铅（Pb）。电解液是硫酸（H ₂ SO ₄ ）的水溶液。完全放电后，两个极板上都变为硫酸铅（PbSO ₄ ）。蓄电池在充、放电过程中的化学反应是可逆的。

（1）电动势的建立

当极板浸入电解液时，少量的活性物质溶解于电解液，产生了电极电位，正、负极板电极电位的不同而形成了蓄电池的电动势。

正极板上的PbO ₂ 少量溶于电解液，与水作用生成Pb（OH） ₄ ，再分离为四价铅离子和氢氧根离子，即

PbO ₂ +2H ₂ O→Pb（OH） ₄

Pb（OH） ₄ →Pb ⁴⁺ +4OH

四价的铅离子Pb ⁴⁺ 附着在正极板上，使极板呈正电位，由于正、负电荷的吸引，极板上的Pb ⁴⁺ 有与溶液中OH-结合生成Pb（OH） ₄ 的倾向。当两者达到动态平衡时，正极板电位相对于电解液为 2.0 V。

负极板上的铅溶于电解液中，失去电子生成Pb ²⁺ ，电子留在负极板上， Pb ²⁺ 溶于电解液中，从而使负极板与电解液之间建立起电极电位。由于正、负电荷的吸引，Pb ²⁺ 有沉附于极板表面的倾向。当两者达到动态平衡时，负极板相对于电解液约为-0.1 V。

反应式为

Pb→Pb ²⁺ +2e

正、负极板之间的电位差 E ₀ ≈2.0-（-0.1）= 2.1 V。

这就是蓄电池的静止电动势，实际测量的结果是 E ₀ = 2.044 V。

（2）放电过程

将蓄电池的化学能转化成电能的过程称为放电过程。

当放电尚未开始时，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质是纯铅，电解液是硫酸溶液。由于正、负两极不同物质与电解液发生化学反应，正极板具有正电位，约为 2.0 V；负极板具有负电位，约为-0.1 V。正、负极板之间形成约为 2.1 V的电动势。

当放电电路接通时，在电动势的作用下，电流从正极经过负载流向负极（即电子从负极到正极），使正极电位降低，负极电位升高，破坏了原有的平衡。铅酸蓄电池放电时的化学反应过程如图 1-11 所示。在放电过程中，正、负极板上的活性物质不断与电解液发生化学反应，二氧化铅和纯铅逐渐转变成硫酸铅，内阻增大，正极电位逐渐降低，负极电位逐渐升高，使正、负极间的电位差逐渐降低，电解液中硫酸成分逐渐减少，水成分逐渐增多，密度逐渐减少。

在正极板处， Pb ⁴⁺ 和电子结合，变成二价铅离子Pb ²⁺ ,Pb ²⁺ 与电解液中的 结合生成的PbSO ₄ 沉附于极板上。

Pb ⁴⁺ +2e→Pb ²⁺

有

PbO ₂ +Pb+2H ₂ SO ₄ = 2PbSO ₄ +2H ₂ O

在负极板处， Pb ²⁺ 与电解液中的 结合生成PbSO ₄ 沉附在负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb ²⁺ 和电子。如果电路不中断，上述化学反应将继续进行，使正极板上的PbO ₂ 和负极板上的Pb都逐渐转变为PbSO ₄ ，电解液中的H ₂ SO ₄ 逐渐减少而水成分逐渐增多，电解液密度下降。

理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质全部变为硫酸铅为止，而实际上是不可能的，因为电解液不能渗透到活性物质的最内层。即使是完全放电的蓄电池，实际上也只有 20%~ 30%的活性物质转变成硫酸铅。采用薄型极板，增加多孔性，提高极板活性物质的利用率可提高蓄电池的容量，这是蓄电池工业的发展方向。

（3）充电过程

将电能转换成蓄电池化学能的过程称为充电过程。充电电源必须是直流电源，蓄电池正极接电源正极，蓄电池负极接电源负极，当电源电压高于蓄电池电动势时，在直流电源电压作用下，电流从蓄电池正极流入，负极流出（即驱使电子从正极经外电路流入负极）。这时正、负极板发生的反应正好与放电过程相反，其化学反应过程如图 1-12 所示。

充电时由于电流的作用，正极板处的硫酸铅与水作用生成二氧化铅（ PbO ₂ ）和硫酸（H ₂ SO ₄ ），二氧化铅沉积在正极板上；负极板上的硫酸铅在充电电流的作用下，铅离子获得电子还原成铅，以固态析出沉附在负极板上。此时电解液中的氢离子移向负极板，与从负极板上脱离下来的硫酸根离子结合成硫酸。

在负极板上有少量PbSO ₄ 进入电解液，离解为Pb ²⁺ 和 在电源的作用下获得两个电子变为金属Pb，沉附在极板上，而 则与电解液中H ⁺ 结合生成H ₂ SO ₄ ，即

Pb ²⁺ +2e→Pb

在正极板处，有少量PbSO ₄ 进入电解液，离解为Pb ²⁺ 和 在电源力的作用下失去两个电子变为Pb ⁴⁺ ，它又和电解液中的水离解出来的OH-结合，生成Pb（OH） ₄ ，分解为PbO ₂ 和H ₂ O，而 则与电解液中的H ⁺ 结合生成H ₂ SO ₄ ，即

Pb ²⁺ -2e→Pb ⁴⁺

Pb ⁴⁺ +OH-→Pb（OH） ₄

Pb（OH） ₄ →PbO ₂ +H ₂ O

有

PbSO ₄ +2H ₂ O= PbO ₂ +Pb+2H ₂ SO ₄

电解液中硫酸成分逐渐增多，水分逐渐减少，电解液密度逐渐增大。随着化学反应不断进行，充电将一直进行到活性物质完全恢复到放电前的状态为止。

在充电终期，电解液密度将上升到最大值，并且会引起水的分解。水分解的化学反应式为

负极上

4H ⁺ +4e —2H ₂

正极上

2SO ²⁴ --4e+2H ₂ O —2H ₂ SO ₄ +O ₂

总反应式为

2H ₂ SO ₄ +2H ₂ O —2H ₂ SO ₄ +2H ₂ +O ₂

由上式可知，实际上分解的是水，即

2H ₂ O —2H ₂ +O ₂

从蓄电池充、放电时的化学反应过程，可以得出以下几点结论：

①蓄电池在放电时，电解液中的硫酸将逐渐减少，而水逐渐增多，电解液密度下降；相反，蓄电池在充电过程中，电解液密度增加。可以通过测量电解液密度的方法来判断蓄电池的充、放电程度。

②蓄电池在充、放电过程中，电解液密度发生变化，正极板的活性物质发生的化学反应更加剧烈，要求正极板处的电解液流动性要好。在装配蓄电池时，将隔板有沟槽的一面对着正极板，以便电解液的流通。

③蓄电池放电终了时，极板上尚有 70%~ 80%的活性物质没有起作用。为了减轻铅酸蓄电池的质量，提高供电能力，应该充分提高极板活性物质的利用率，在结构上提高极板的多孔性，减小极板厚度。

工作页C：蓄电池的工作原理

1.蓄电池的工作过程就是（ ）与（ ）的转换过程。放电时将（ ）转换为电能供用电设备使用；充电时将（ ）转换为化学能存储起来。在充电状态下，蓄电池的正极是（ ），负极是海绵状（ ）。电解液是（ ）的水溶液。完全放电后，两个极板上都变为（ ）。

2.补充如图 1-13 所示蓄电池放电过程中括号里的内容，并描述蓄电池的放电过程。

放电过程描述：

3.补充如图 1-14 所示蓄电池充电过程中括号里的内容，并描述蓄电池的充电过程。

充电过程描述：

4.放电时，电解液中的硫酸将逐渐（ ），而水将逐渐（ ），电解液相对密度（ ）；充电时，电解液中的硫酸将逐渐（ ），而水将逐渐（ ），电解液相对密度（ ）。

5.从蓄电池充、放电过程可以得出哪些结论？

阅读资料D：蓄电池充放电特性

要使蓄电池得到合理使用，就必须掌握它的工作特性，蓄电池的工作特性主要包括蓄电池的静止电动势、内电阻以及充、放电特性。

（1）静止电动势

在蓄电池内部工作物质的运动处于暂时的平衡状态时，蓄电池的电动势称为静止电动势。静止电动势的大小取决于电解液的密度和温度，在电解液密度为 1.050 ~ 1.300 g/ cm ³ 时，蓄电池的静止电动势可用经验公式计算为

式中 E ₀ ——蓄电池的静止电动势，V;

ρ _25℃ ——25℃时电解液的密度，g/ cm ³ 。

如果测量电解液密度时的电解液温度不是标准温度 25 ℃，则需要进行换算，公式为

式中 ρ _t ——实测的电解液密度，g/ cm ³ ;

t ——测量时电解液温度，℃ ;

β ——密度温度系数，取 β 为-0.000 75。

汽车用蓄电池的电解液相对密度一般为 1.12 ~ 1.30 g/ cm ³ ，蓄电池的静止电动势也相应地在 1.96 ~ 2.14 V变化。

（2）内电阻

蓄电池的内电阻大小反映蓄电池负载的能力。在相同的条件下，内电阻越小，输出电流越大，带负载能力越强。蓄电池的内电阻包括以下几个部分：

①极板电阻。一般很小，并且随极板上的活性物质的变化而变化。充电后电阻变小，放电后电阻变大，特别是在放电终了，有效活性物质转变为硫酸铅，电阻大大增加。

②隔板电阻。因所用的材料而异。木质隔板比微孔橡胶隔板和微孔塑料隔板的电阻大。另外，隔板越薄，电阻越小。

③电解液内电阻。与电解液的温度和密度有关，温度降低时电解液的黏度增大，渗透能力下降而引起电阻增加。而电解液的密度过高或过低都会导致电阻增大。如图 1-15 所示为电解液内电阻随相对密度变化的关系曲线。相对密度为 1.2 g/ cm ³ 时（15 ℃ ），硫酸的离解度最好，黏度较小，内电阻也最小。

④连接条和极柱电阻。与单格电池的连接形式有关。传统外露式铅连接条电阻比内部穿壁式、跨越式连接的电阻要大。但一般都将连接条内阻看为定值。

总之，启动型铅蓄电池的内电阻很小（单格电池的内电阻约为 0.011 Ω），在小负荷工作时对蓄电池的电力输出影响很小，但在大电流放电时（如启动发动机时），如内阻过大，则会引起端电压大幅度下降而影响启动性能。

（3）放电特性

蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的端电压 U _f 和电解液相对密度 ρ _25℃ 等参数随放电时间 t _f 变化的规律。完全充足电的蓄电池以 20 h放电率恒流放电的特性曲线如图 1-16 所示。

由于放电过程中电流是恒定的，单位时间内所消耗的硫酸量相同，因此电解液的相对密度呈直线下降。相对密度数值每减小 0.030 ~ 0.038 g/ cm ³ ，则蓄电池约放电 25%。

放电过程中，蓄电池内阻 R ₀ 上有压降，蓄电池的端电压总是小于其电动势 E ，即

式中 U _f ——放电时蓄电池的端电压；

E ——放电时蓄电池的电动势；

I _f ——放电电流；

R ₀ ——蓄电池的内电阻。

随着放电程度的增加，电解液相对密度将不断下降，电动势 E 也下降，同时内电阻 R ₀ 增加，端电压 U _f 将逐渐下降。放电时由于孔隙内的电解液密度小于外部电解液密度，因此放电的电动势 E 总是小于静止电动势 E ₀ 。

在开始放电阶段，其端电压从 2.1 V迅速下降，这是极板孔隙中的硫酸迅速消耗，电解液密度迅速下降，浓差极化增大的缘故。这时容器中的电解液向极板孔隙内渗透，当渗入的新电解液完全补偿了因放电时化学反应而消耗的硫酸量时，端电压将随着整个容器内电解液相对密度的降低而缓慢地下降到 1.85 V。接着电压又迅速下降至 1.75 V，此时应停止放电，并称此电压为单格电池的终止电压。放电接近终了时，电化学极化、浓差极化、欧姆极化显著增大，端电压迅速下降，如继续放电，电压将急剧下降。这时放电接近终了，化学反应深入极板的内层，并且放电时生成的硫酸铅较原来活性物质的体积为大（是海绵状铅的 2.68 倍，是二氧化铅的 1.86 倍），硫酸铅积聚在极板孔隙内，使孔隙变小，电解液渗透困难，极板孔隙内消耗掉的硫酸难以得到补充，造成孔隙内的电解液相对密度迅速下降，端电压也随之急剧下降。

当端电压降至一定值时（20 h放电率单格电压降至 1.75 V），如果继续放电即为过度放电。过度放电对蓄电池是有害的，极板空隙中生成的粗结晶硫酸铅充电时不易还原，致使极板硫化，容量下降。

停止放电后，极板孔隙中的电解液和容器中的电解液相互渗透，电解液密度趋于一致，蓄电池的单格电压将有所回升。

蓄电池放电终了的特征如下：

①电解液相对密度下降到最小许可值（约为 1.11 g/ cm ³ ）。

②单格电池的端电压降至放电终止电压，以 20 h放电率放电，单格电压降至 1.75 V。

单格电池允许的放电终止电压与放电电流强度有关，放电电流越大，则放完电的时间越短，而允许的放电终止电压越低。

（4）充电特性

蓄电池充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的充电电压 U _c 、电动势 E 和电解液相对密度 ρ _25℃ 等参数随时间 t _c 而变化的规律。蓄电池以 20 h充电率恒流充电的特性曲线如图 1-17 所示。

充电时，充电电源电压必须克服蓄电池电动势 E 和蓄电池内电阻产生的电压降 I _c R ₀ ，充电过程中蓄电池的端电压总是大于蓄电池的电动势 E ，即

由于采用恒流充电，单位时间内所生成的硫酸量相等，因此电解液相对密度随着时间呈直线上升，静止电动势 E ₀ 也由于相对密度的不断上升而增加。

在充电开始后，蓄电池的端电压 U _c 便迅速上升，这是因为充电时活性物质和电解液的作用首先是在极板的孔隙中进行的，孔隙内迅速生成硫酸，生成的硫酸使孔隙内的电解液相对密度迅速增大，浓差极化增大，端电压迅速上升。以后随着生成的硫酸量增多，硫酸将开始不断地向孔隙外扩散，当继续充电到硫酸生成的速度与扩散速度达到平衡时，端电压随整个容器内电解液密度的变化而缓慢上升。

当充电接近终了时，单格蓄电池端电压将达到 2.3 ~ 2.4 V，这时极板上的活性物质已基本转变为二氧化铅（PbO ₂ ）和海绵状铅（Pb），如果继续充电，电解液中的水将开始分解而产生氢气和氧气，并以气泡形式剧烈放出，形成所谓的“沸腾”状态。氢离子在极板上与电子的结合瞬间完成是缓慢进行的，于是靠近负极板处会积存较多的正离子H ⁺ ，使极板相对电解液产生附加电位差（也称氢过电位，约为 0.33 V），导致单格电池的充电电压急剧升至 2.7 V左右。

从理论上讲，当单格电池电压升至 2.7 V时，应切断电路停止充电，否则，将造成蓄电池的过充电。过充电时，会剧烈地放出气泡，在极板空隙内部造成压力，加速活性物质的脱落，使极板过早损坏。应尽量避免长时间的过充电。但在实际充电中，为了保证将蓄电池充足，往往在达到最高电压后仍继续充电 2 ~ 3 h，以保证蓄电池完全充电。

在整个充电过程中，极板孔隙内的电解液相对密度比容器中的电解液相对密度稍大一些。蓄电池的电动势 E 总是高于静止电动势 E ₀ 。充电停止后，充电电流为 0，端电压 U _c 迅速下降，极板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋向一致，单格蓄电池的端电压又降至 2.1 V左右。

蓄电池充电终了的特征如下：

①端电压和电解液相对密度均上升至最大值，且 2 ~ 3 h内一再增加。

②蓄电池电解液中剧烈冒气泡，呈沸腾现象。

工作页D：蓄电池工作特性

1.蓄电池静止电动势的大小取决于什么？

2.蓄电池内电阻由哪几部分组成？

3.蓄电池的放电特性是指在恒流放电过程中，蓄电池的（ ）和（ ）等参数随放电时间 t f 变化的规律。

4.请描述蓄电池的放电特性。

5.蓄电池充电终了的特征有哪些？

1.2.3 制订工作计划

教师活动：

教师提供实验车型的维修手册，指导学生完成工作计划。

学生活动：

学生首先个体工作，制作工作计划，再进行小组合作制订“蓄电池故障诊断”工作计划表（表 1-3），把每一步的细节和注意事项写出来，并进行小组间分享与完善。