串联蓄电池组抽头供电问题的研究

5.2 极化过程

充电过程中极板发生三种极化过程：

欧姆极化、电化学极化、浓度差极化。

欧姆极化：充电过程中电子从阳极经过外部导线移动到阴极;同时，溶液中也存在正负离子定向移动，溶液中的离子需要克服极板、电解液、电池隔板的阻力，这种阻力形成蓄电池的欧姆极化内阻。欧姆极化电压符合欧姆定律：UΩ=I*RΩ，充电过程蓄电池电极的发热量符合焦耳定律：

Q=I2RΩt.

电化学极化：充电器向极板输送电荷速度大于极板上的电化学反应速度，来不及参加反应的电荷驻留在极板上，使得阳极板电势向正向偏离，阴极板电势向负向偏离。电化学极化电压理论上为：U1=(RT/nF)*Ln(I/Io)。

浓度差极化：两个极板的充电反应都会产生硫酸，将导致极板附近的硫酸浓度升高，不能很快的扩散，反应产物来不及移除，抑制了反应的速度，需要等到极板附近的硫酸分子扩散开，反应速度才能恢复。因此，充电过程中，充电器也需要克服浓度差极化电压：U2=(RT/nF)*Ln(Id/(Id-I))。

根据对蓄电池的充电和极化过程的分析可以得出如下结论：充电时，充电器需要克服蓄电池极板开路电压和极化电压，充电电压U=ES+ΔU.其中ΔU为欧姆极化电压、电化学极化电压以及浓度差极化电压之和。

6.铅酸蓄电池充电过程中极化电压动态分析

充电时，蓄电池的极化电压是动态变化的。如14V恒压充电器对单个的11V蓄电池充电，如图4所示，充电电压器电压U=ES+ΔU,充电初始时刻，极化电压为3V,浓差极化电压占主导。因为初始时刻，溶液中的硫酸浓度低，反应速度快，在极板附近迅速产生高浓度的硫酸，高的浓差极化电压;随着充电持续进行，蓄电池的电量变大，电池的电动势ES增大，极化电压ΔU逐渐减小，当充电完成后，蓄电池电动势ES为12.6V,极化电压为1.4V,此时硫酸的浓度不再变化，极板的充电反应也已经完成，所以，不存在浓度差极化和电化学极化。

此时，极板的电化学反应不是有效充电的电化学反应，而是水的电解反应，阳极析出O2,阴极析出H2,ΔU为溶液中离子定向移动欧姆电阻引起的电压。电化学反应方程式如下：

能斯特方程可以证明，蓄电池充电时，发生充电反应极板的电位高于析气电解反应极板的电位。正是由于极化的作用，铅酸蓄电池充电时，由于极板电位的偏移，本应该是析气的电解反应，变成了带极化作用的充电反应。当蓄电池电量充电完成，硫酸扩散完成，极化作用消失，充电反应变成析气的电解反应。

当用一个U=26V的恒压充电器对电量严重不均匀的两节串联电池组充电时，对放电量较大的蓄电池充电无效。

实验数据如下：第一节蓄电池的放电量10%,测得开路电压ES1=12.4V;第二节蓄电池放电80%,测得开路电压ES2=11.2V.实验测得两节电池的极板电压严重不均衡，第一节蓄电池分得充电器14.7V的电压，而放电量80%的蓄电池得到充电电压仅仅只有11.3V;如图5所示。

这是因为两节电池串联，充电电流相等;充电初始时刻，由于第一节蓄电池极板只有少量硫酸铅覆盖，所以充电的电化学反应速度快，极板附近的硫酸浓度高，产生较高的浓差极化电压ΔU1;而第二节电池极板被大量的硫酸铅覆盖，反映速度慢，产生较低的浓差极化电压ΔU2;经过多次正反馈，到达平衡状态后，ΔU1≈U-(ES1+ES2)，ΔU2≈0,放电量大的蓄电池并没有发生极化，其极板只是产生了析气的电解反应。

通过蓄电池充电过程中极化电压动态分析，可以得出如下结论：恒压充电器对两节串联蓄电池组充电时，如果两节蓄电池放电量严重不均衡，放电量大的蓄电池充电无效。

7.结论

在机动指挥通信系统中，设计人员对机动车两节电池组中间抽头，采用了后节蓄电池12V,提供集群电台的电源，这样的设计将导致后节蓄电池放电量大，引起汽车引擎发电机无法对蓄电池组进行有效的充电，最终导致蓄电池失效。

正确的设计方式：取消电池组中间抽头设计，增加一台24V转12V的直流降压变换器，然后再给12V负载供电，如图6所示。