水墨车事系列免费专栏：汽车蓄电池构造及工作原理

接上一个专栏，今天说一下汽车蓄电池构造与工作原理。上个专栏已经说了汽车为什么要用直流供电，就是因为交流电无法有效储存。而蓄电池则是目前为止储存电能最好的装置，所以汽车离不开蓄电池。

蓄电池在生活中也叫作电瓶，在汽车上负责为起动机等设备供电，因此蓄电池损坏或者容量下降以后会影响车辆启动。蓄电池是可逆的直流电源，化学能与电能之间来回转换就完成了储能与放电。我们看一下蓄电池的基本构造:

可以看到蓄电池主要由正极板、负极板、隔板电解液等组成。一片正极板与负极板插入电解液中可以得到2v的电压，因此我们将6组正负极板组合串联就可以得到2v×6=12v的电压，为了增加容量可以采用多块极板并联的办法:

为了提高电压则采用多组极板串联，下图中的电瓶可以看到6组极板串联来获得12v输出电压:

正负极板之间由隔板隔开，防止极板短路。上图中看到的白色像纸壳（瓦楞纸）一样的东西就是隔板，为了满足电解液流动渗透，因此隔板还要具备一定的通透性，所以隔板看起来像百叶窗像瓦楞纸。

而电解液的作用则是促使极板表面的活性物质溶解、电离，加速化学反应速率。电解液成分是稀硫酸，硫酸与蒸馏水按照一定比例配置而成，不同种类不同温度下其比例也不同，密度一般在1.24-1.30之间。

电瓶外壳就不在赘述了，看得见摸得着的东西。

下面说一下蓄电池工作原理

蓄电池核心是极板与电解液，工作过程则是化学能与电能之间转换，是极板上的活性物质与电解液发生的电化学反应来做到的。其中正极板材料是二氧化铅，负极板材料是海绵状铅。

1. 放电时正负极板的铅转化为硫酸铅，电解液中的硫酸被吸入极板内参与化学反应。
2. 充电时正负极板上的硫酸铅还原成二氧化铅与铅，硫酸回到电解液中。

充放电化学式可以参照下图:

可以看到电解液浓度与充放电有关系，因此检测电解液浓度/比重就可以判断正常的电瓶电量，是否亏电或者检查电解液浓度是否符合标准。例如电解液浓度较低的时候说明电池剩余电量不多，浓度较大的时候则表示电量足。

上图就是测量电解液浓度的比重计，打开电瓶盖子吸入充足的电解液后就可以观察电解液比重了。不过现在大多数电瓶都采用了免维护电池、贫液式电池，已经无法抽取电解液。只有一些富液式电池、牵引电池可以测量电解液浓度。

蓄电池另外一个参数就是容量

电池容量决定了电池放电时间，容量越大其储存的电能也就越多，用电器工作时间更长，功率更大，电池瞬间放电电流也会随着容量增加而加大。当放电电流恒定时，电池容量等于放电电流与放电时间之积。例如以10a的电流放电十个小时候电池电压降到截止电压（10.5v），那么其电池的容量则为10a×10h＝100ah。

但是电池的容量并不是恒定不变的，因为所有的化学电池其容量都会受到温度影响。低温时化学反应速率降低，电池内部化学反应不充分，因此电池放电能力下降、容量也随之降低。即使是锂电池也逃不了这个魔咒，所以新能源汽车冬季时续航里程会缩短。

蓄电池的标定容量则是在电解液温度25℃的时候测量出来的。用20h的放电率放电，直到单格电池电压降到1.75v，整体电压降到10.5v的时候测出来的容量。20h放电率则是容量处20得到的，电流是额定容量的1/20。例如200ah的电池，在25℃的环境里，以10a电流放电可以持续放电20个小时。当环境温度降低时其放电时间会缩短，放电容量自然也就降低了。我们看一下环境温度对电池容量的影响:

可以看到环境温度下降到-30℃时电池放电容量不足50%，这也是为什么冬季电瓶不耐用的原因。夏季可以连续启动多次，冬季启动次数明显减少而且启动能力也有所下降。因此有些电瓶冬季需要外挂电池启动，而过了冬季后又能用一整年。这就是电瓶极板老化硫化造成的，电池内阻增加容量下降 ，春夏秋三季可以勉强使用而入冬后容量进一步下降，启动能力也随之下降。

老化的电瓶可以通过测量内阻来辨别。内阻增加后代表其放电电流下降，放电容量降低，电瓶剩余寿命不足。