本文以一個錯誤的設計方案為例，深入分析鉛酸蓄電池的充放電、極化以及極化電壓的動態變化，推導出對不均衡電量的串聯蓄電池組充電是無效的，并給出正確的設計方案。

1.引言

應急指揮通信車裝載多種類的通信設備，如短波、超短波、集群車臺，這些負載多為12V電源供電。為了滿足這類設備動中通的要求，設計人員有時會直接使用汽車的蓄電池給設備供電。如果原車蓄電池為單節12V電壓，可直接取電；若原車由兩節24V電池組提供啟動電壓，在工程實施過程中，一般采用中間抽頭，取后節電池提供設備電源。

2.實例簡述

某機動指揮通信系統裝載有常規的集群電臺，機動車發動機啟動電池為兩節電池串聯，電壓為直流24V,設計人員為了實現車輛行進中的集群通信，對兩節電池組中間抽頭，采用了后節電池給集群電臺提供電源。系統供電拓撲圖如圖1所示。

該機動車使用了一段時間后，汽車不能點火啟動，經檢查，前節電池開路電壓12.6V,后節電池電壓只有11V,使用過程中，汽車發動機是一直運轉的，原車發電機對兩節電池一直充電，為什么后節電池電壓過低？為了查出原因，下面對鉛酸蓄電池的充放電和極化過程進行深入分析。

3.鉛酸蓄電池的結構簡單介紹

鉛酸蓄電池一般由六個單元格組成，每個單元格由陽極板、陰極板、隔板和稀硫酸電解液組成；單元格串聯輸出12.6V電壓，耐酸、耐熱、耐震的硬橡膠或塑料殼體作為電池的外結構。

極板以鉛銻合金為骨架，涂一層松軟的鉛膏，化學處理后，陽極外層生成活性物質過氧化鉛（pbO2），陰極外層生成活性物質鉛（pb）。隔板有玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板以及塑料維隔板，其作用使正負極板絕緣，而電解液中的帶電離子可以自由通過。

4.鉛酸蓄電池的放電過程

鉛酸蓄電池放電是一個比較復雜的電化學反應過程。

陰極反應：陰極板外層的活性物質鉛在稀硫酸中發生氧化作用。反應方程式如下：

由于反應時極板產生的2價鉛，排斥溶液中的氫離子，陰極附近盡管有多余的氫離子，但不會從本極板上吸收電子，析出氫氣；由于反應的產物不能從反應點移出，從而阻止了反應持續不斷的進行，所以電池開路時，陰極反應是動態平衡的可逆反應。

陽極反應：在沒有外電荷作用下，少量氧化鉛與水發生作用，其過程也是動態平衡的可逆反應。反應方程式如下：

當電池開路時，陽極只有少量帶正電的4價鉛，同時附近的溶液中含有氫氧根離子，而陰極有多余的自由電子，兩極板以及電解液形成雙電層，產生電勢差，如圖2所示。蓄電池由六個單元格串聯，于是形成了蓄電池開路電壓，即蓄電池的電源電動勢ES.

當用導線和負載將兩極板連接時，在電場的作用下，陰極多余的自由電子向陽極定向移動，形成外部電流，陽極鉛離子捕獲2個自由電子，被還原后與硫酸反應生成難溶解的硫酸鉛，可逆反應式-2的動態平衡被破壞，持續向正向進行。同時，陰極附近的氫離子與陽極附近的氫氧根離子相互吸引，形成內部電流，相互作用后生成水；由于陰極反應產物（多余的自由電子）消耗到陽極反應，可逆反應式-1動態平衡也被破壞，反應式-1將持續進行。反應方程式如下：

從反應式-4可知，隨著放電反應繼續發生，溶液中的硫酸分子將逐漸減少，當硫酸的濃度少到一定的程度后，極板被硫酸鉛覆蓋，蓄電池電動勢降低，蓄電池需要充電。

5.鉛酸蓄電池的充電和極化

5.1充電過程

當外加充電器的電壓大于蓄電池的開路電壓時，兩極板之間的電荷將會發生反方向移動，即在充電器的作用下，電子從陽極強制遷移到陰極；同時，溶液中的氫離子在充電器產生的電場力的作用下，壓迫到陰極，參加陰極反應，可逆反應方程式將反方向持續進行，如圖3所示。

陽極反應方程式：

充電反應總方程顯示：隨著充電反應持續深入進行，溶液中的硫酸濃度提高，蓄電池的電量變大。

5.2極化過程

充電過程中極板發生三種極化過程：

歐姆極化、電化學極化、濃度差極化。

歐姆極化：充電過程中電子從陽極經過外部導線移動到陰極；同時，溶液中也存在正負離子定向移動，溶液中的離子需要克服極板、電解液、電池隔板的阻力，這種阻力形成蓄電池的歐姆極化內阻。歐姆極化電壓符合歐姆定律：UΩ=I*RΩ，充電過程蓄電池電極的發熱量符合焦耳定律：

Q=I2RΩt.

電化學極化：充電器向極板輸送電荷速度大于極板上的電化學反應速度，來不及參加反應的電荷駐留在極板上，使得陽極板電勢向正向偏離，陰極板電勢向負向偏離。電化學極化電壓理論上為：U1=（RT/nF）*Ln（I/Io）。

濃度差極化：兩個極板的充電反應都會產生硫酸，將導致極板附近的硫酸濃度升高，不能很快的擴散，反應產物來不及移除，抑制了反應的速度，需要等到極板附近的硫酸分子擴散開，反應速度才能恢復。因此，充電過程中，充電器也需要克服濃度差極化電壓：U2=（RT/nF）*Ln（Id/（Id-I））。

根據對蓄電池的充電和極化過程的分析可以得出如下結論：充電時，充電器需要克服蓄電池極板開路電壓和極化電壓，充電電壓U=ES+ΔU.其中ΔU為歐姆極化電壓、電化學極化電壓以及濃度差極化電壓之和。

6.鉛酸蓄電池充電過程中極化電壓動態分析

充電時，蓄電池的極化電壓是動態變化的。如14V恒壓充電器對單個的11V蓄電池充電，如圖4所示，充電電壓器電壓U=ES+ΔU,充電初始時刻，極化電壓為3V,濃差極化電壓占主導。因為初始時刻，溶液中的硫酸濃度低，反應速度快，在極板附近迅速產生高濃度的硫酸，高的濃差極化電壓；隨著充電持續進行，蓄電池的電量變大，電池的電動勢ES增大，極化電壓ΔU逐漸減小，當充電完成后，蓄電池電動勢ES為12.6V,極化電壓為1.4V,此時硫酸的濃度不再變化，極板的充電反應也已經完成，所以，不存在濃度差極化和電化學極化。

此時，極板的電化學反應不是有效充電的電化學反應，而是水的電解反應，陽極析出O2,陰極析出H2,ΔU為溶液中離子定向移動歐姆電阻引起的電壓。電化學反應方程式如下：

能斯特方程可以證明，蓄電池充電時，發生充電反應極板的電位高于析氣電解反應極板的電位。正是由于極化的作用，鉛酸蓄電池充電時，由于極板電位的偏移，本應該是析氣的電解反應，變成了帶極化作用的充電反應。當蓄電池電量充電完成，硫酸擴散完成，極化作用消失，充電反應變成析氣的電解反應。

當用一個U=26V的恒壓充電器對電量嚴重不均勻的兩節串聯電池組充電時，對放電量較大的蓄電池充電無效。

實驗數據如下：第一節蓄電池的放電量10%,測得開路電壓ES1=12.4V;第二節蓄電池放電80%,測得開路電壓ES2=11.2V.實驗測得兩節電池的極板電壓嚴重不均衡，第一節蓄電池分得充電器14.7V的電壓，而放電量80%的蓄電池得到充電電壓僅僅只有11.3V;如圖5所示。

這是因為兩節電池串聯，充電電流相等；充電初始時刻，由于第一節蓄電池極板只有少量硫酸鉛覆蓋，所以充電的電化學反應速度快，極板附近的硫酸濃度高，產生較高的濃差極化電壓ΔU1;而第二節電池極板被大量的硫酸鉛覆蓋，反映速度慢，產生較低的濃差極化電壓ΔU2;經過多次正反饋，到達平衡狀態后，ΔU1≈U-（ES1+ES2），ΔU2≈0,放電量大的蓄電池并沒有發生極化，其極板只是產生了析氣的電解反應。

通過蓄電池充電過程中極化電壓動態分析，可以得出如下結論：恒壓充電器對兩節串聯蓄電池組充電時，如果兩節蓄電池放電量嚴重不均衡，放電量大的蓄電池充電無效。

7.結論

在機動指揮通信系統中，設計人員對機動車兩節電池組中間抽頭，采用了后節蓄電池12V,提供集群電臺的電源，這樣的設計將導致后節蓄電池放電量大，引起汽車引擎發電機無法對蓄電池組進行有效的充電，最終導致蓄電池失效。

正確的設計方式：取消電池組中間抽頭設計，增加一臺24V轉12V的直流降壓變換器，然后再給12V負載供電，如圖6所示。