汽车蓄电池容量的检测方法详解

汽车蓄电池容量的检测方法详解汽车蓄电池是汽车启动时的唯一电源， 在汽车发电机不工作时， 它可以在一段时间内向汽车的用电设备供电 （ 1～ 2h） ； 在发电机正常发电时， 它将发电机供给用电器后多余的电能转化成化学能储存起来，供下次启动或其它用电。蓄电池的工作能力随其规格型号不同而不同， 也随其生产的年代、 厂家牌号有较大区别。同一个蓄电池， 由于不同的使用维护水平， 其剩余的工作力也不同。 加上蓄电池自身的自行放电， 极板硫化等不可避免的因素作用， 也会使蓄电池的工作能力逐渐削弱以至报废。 因此，在必要时对蓄电池的工作能力进行检测就成为汽车维护与保养的重要工作之一。一、蓄电池的容量指标及其测定蓄电池的工作能力用 “容量”来衡量， 它是在规定的端电压范围内， 蓄电池对负载供给一定电流所能持续的时间（ t） ，即衡量蓄电池电能做功的能力 A=UIt （瓦秒） 。在实际运用中，蓄电池的容量指标 Q 常用安培小时（ Ah ）来表示：Q＝ I· t（ A· h）I—放电电流（ A） ； t—放电时间（ h）由于电流单位安培 (A) ＝库伦 /秒，所以容量的单位安培小时（ Ah ）＝库伦 /秒× 3600 秒=3600 库伦（ 3.6kC） 。库伦是电荷量单位， 1 库伦 =6.24× 1018（ 624 亿亿）个电子所带的电量，所以容量与电池的物质量（正负极板数、总面积、电解液密度）有关。对于标准正、负极板组而言，每片正极板的额定容量为 15Ah ，每个单格电池中负极板数总是比正极板多 1 片，因此可以算出一定容量的单格电池中正负极板的准确片数，如 3-QA-60Ah 蓄电池，其额定容量为 60Ah ，正极板数 =60（ Ah） /15（ Ah）＝ 4；负极板数＝ 4+1＝ 5。如果蓄电池的额定容量不是 15Ah的整数倍数，则极板的尺寸、厚度及材料就会有所区别。蓄电池的常用容量指标有“额定容量” 、 “储备容量”和“启动容量”三种。1. 额定容量根据 GB5008-91 规定， 额定容量是： 将充足电的新蓄电池在电解液温度为 25± 5℃条件下以 20h 率的放电电流（即 0.05Q20）连续放电至单格电池平均电压降到 1.75V 时输出的电量。额定容量是检定蓄电池质量的重要指标， 新蓄电池必须达到该指标， 否则被视为不合格产品。 额定容量的检测电路如图 1 所示。 检测时， 要注意随时调整镍铬合金电阻率的阻值大小。 因为放电时间长了， 蓄电池的端电压就会缓慢下降， 需随时调整负荷阻值才能维持放电电流不变；放电过程中镍铬合金线的滑动变阻器温升会有所上升，但在 4.5A 电流作用下，阻值上升不明显。 我们对 3 个品牌的额定容量为 45Ah 的免维护蓄电池在相同条件下， 以 10h放电率（ 45Ah/10h=4.5A ）进行放电测试，测试记录如表 1 所示。对三种品牌的同容量的免维护蓄电池加入相同电解液在同一充电机工作台上以相同的充电电流和充电时间充足电 （约 6h× 4A） ， 随机抽取各品牌电池各 1 个， 用 4.5A 电流放电，蓄电池端电压高于 10.50V 的延续时间（ h）与放电电流（ A）的乘积为 10h 率额定容量。所以在 3 个样品的测试记录中， A 厂蓄电池额定容量 Q＝ 9.16× 4.5＝ 41.22Ah ，为名义额定容量的 91.6%； B 厂蓄电池额定容量为 Q=7.7× 4.5＝ 34.65Ah，为名义额定容量的 77%； C 厂蓄电池的额定容量为 Q＝ 7.58× 4.5＝ 34.11Ah，为名义额定容量的 75.8% 。所以 A 厂的6-QA-45 容量最高， B 厂的 6-QAW-45 次之， C 厂的 N45 再次之。如果用 2.25A 电流放电，容量值还会上升一些。从放电记录还可以看出，在以 10h 率放电时，蓄电池端电压每小时下降率越来越大。如 A厂的 6-QA-45 ，电解液密度每小时下降 0.015 ～ 0.03 ，电解液温度上升不明显。2. 储备容量根据 GB5008.1-91 规定：充足电的蓄电池在电解液为 25 ± 2 ℃条件下以 25A 恒流放电至单格电池平均电压降到 1.75V 时的放电时间称为蓄电池的储备容量，单位为分钟（ min ） 。储备容量表达了在汽车充电系统失效时，蓄电池作为唯一电源能为照明和点火系统等用电设备提供 25A 恒流的能力。储备容量首先从美国开始应用。 调研认为 20h 率的额定容量不能完全反映汽车运行的实际情况，若充电系统一旦发生故障， 如发电机皮带断裂、 调节器失效等，这时不知道由蓄电池单独供电还能使汽车行驶多久？25A 恒流放电时考虑的因素为：点火系 2 ～ 4A ；照明 10 ～ 15A ；仪表 2～ 3A ；雨刮器3 ～ 4A ；除霜器约 6～ 9A 。耗用总电流取中间值约为 25A 。用储备容量代替 20h 率额定容量有明显的实用价值。 再从设计角度考虑， 同样体积的蓄电池，当极板减薄而增加片数时，启动性能会提高很多，而 20h 额定容量却要减少。停止使用 20h 率额定容量对电池技术发展是有利的。国家标准规定 12V45Ah 蓄电池在电解液温为 25 ℃的室温条件下以 25A 恒流放电，蓄电池端电压维持在 10.50V （单格电压 1.75V ）以上的时间不得少于 67min 。经测试， A厂的 6-QA-45 蓄电池储备容量较高（ 75min ） ，为规定的 112% ； B 厂的 6-QAW-45 为5.5min ，为规定的 82% ， C 厂的 N45 为 64min ，约为规定的 95.5% 。由于放电电流为 2.5A ，所以蓄电池的端电压下降很快，如 6-QA-45 每 10min 的下降率分别为： 0.74 → 0.08 → 0.09 → 0.13 → 0.15 → 0.2 → 0.22 → 0.27 ，比放电电流为 5A 时要快近 6 倍。电解液的密度也下降很快，每 10min 下降 0.02g/mL ，也比放电 5A 时快近6 倍。进行储备容量放电测试时的电路连接与额定容量时基本相同，只是将负荷电阻调得更小些，在端电压接近或低于 10.50V 时电压下降很快，所以不一定要等到间隔 10min 才去记数。储备容量的测试更接近实用，测试时间缩短了很多。储备容量的测试电路与图 1 基本相同，但要注意滑动变阻器的允许电流值、电流表量程及其分流器的选择。3. 启动容量国家标准曾规定：当电解液温度为 -18 ℃时，以 3 倍或 4 倍额定容量数值的电流放电2.5min （ 150s ）单格电压降至 1V 所提供的电量为蓄电池的启动容量。如 6-QAW-45Ah免维护干荷蓄电池的启动放电电流应为 3× 45=135A ，放电 2.5min （ 150s ） ，蓄电池端电 压 降 到 6V 时 的 电 量 ， 如 果 能 维 持 6V 至 2.5min ， 则 其 启 动 容 量 为Q=It=135A × 0.042h=5.6Ah 。 这说明铅酸蓄电池放电电流特别大时， 电化学反应极其剧烈，产生的 PbSO4 晶粒也很粗大，容易将极板海绵状组织的缝隙堵塞，电化学反应难以深入到极板内层，容器中的硫酸分子也难以渗透到极板孔隙中去，所以启动容量很小。低温启动能力是衡量汽车蓄电池能力的最主要指标，它直接关系到汽车的操纵性能。在汽车维修的竣工质量标准中（ GB/T15746.2-1995 ）规定 “ 当环境温度不低于 -5 ℃时，应启动顺利，允许连续启动不多于 3 次，每次启动不多于 5s” 。 “ 若启动超过 3 次或多于 5s均为不合格 ” 。在启动机和控制电路以及内燃机正常的前提下，蓄电池能否提供强大电流、保持蓄电池端电压在规定值以上并持续相当时间，是评价蓄电池启动能力的重要指标。对免维护干荷蓄电池的新产品， 若其额定容量为 60Ah ， 首次注以规定密度的电解液后，不经初充电启动放电电流为 300A ，放电终止电压为 6.0V 时的连续放电时间应不小于1.4min 。对普通蓄电池，当液温为 -18 ℃以下，启动放电电流为 348A ，连续放电 30s ，其端电压应不低于 7.2V 。该项试验允许进行 3 次，有 1 次达到即为合格。日本汽车蓄电池启动能力中规定的放电电流比较容易操作， 如 N 系列蓄电池额定容量在60Ah 以下者规定为 150A ； 60 ～ 100Ah 的蓄电池启动放电电流规定为 300A ； 100 ～200Ah 蓄电池启动放电电流规定为 500A 。放电持续时间在 2.6min 、 3.6min 不等， 5s后端电压不低于 8.2V ， 7.6V 不等。部分日本蓄电池性能举例如表 3 所示。部分国产和欧洲蓄电池性能如表 4 所示。表 3 中日本蓄电池型号是逐步小型化、 高性能化的 （ N 为标准型） 。 从表中数据可见， 在容量相等或相近的不同电池中放电时间有所增长， 30s 后电压有所上升， 总体质量有所减少。在进行启动容量检测时应当注意以下几个问题：(1) 放电电流在 100 ～ 1000A 范围内，持续时间比较长（ 1 ～ 3min 以上） ，要慎重选择放电负荷。一般用合金钢丝绕制的滑动变阻器已不可用，必须选购直径Φ2 ～ 4mm 的镍铬合金钢丝。此外，合金钢丝在通电开始瞬间电流很大，甚至可达 400A以上，几秒钟后电阻丝烧红了，阻值迅速上升，电流就降到 160A 左右，端电压又回升到11V 左右。为此建议：电阻丝必须浸泡在水中通电加热，产生的热量可以随时散入水中，从而维持电阻丝的温度阻值不变，获得稳定的放电电流。(2) 电阻丝与开关、蓄电池极拄、电流表之间需用黄铜螺栓连接紧固，连接导线需用16mm2 以上的多芯软铜线。(3) 电流表量程要慎重选择。一般应为 300A 到 1000A 左右的，被测电流应为表头量程 1/3 ～ 2/3 为好， 电流表的分流器应与表头正确匹配。 分流器需用热稳定性良好的康铜为材料。(4) 必须选用 100A/380V 以上容量的闸刀开关或磁力接触器作为放电电路的控制总闸， 使放电电路的接通与数码显示计时器的动作同步， 使放电电路的断开与数码显示计时器的停止同步。蓄电池启动容量的测定电路见图 2。按上述方法我们测得 A 、 B、 C 厂 12V45Ah 干荷免维护蓄电池的启动放电记录如表 5所示。国家标准规定：对于 12V45Ah 蓄电池的启动能力，要求电解液温度在 -18℃时，恒流放电 180A ，历时 60s，蓄电池端电压不低于 8.4V（单格电池 1.4V ） 。三种电池放电时间超过 100s 时，端电压均在 9.85V 以上（单格电池电压平均 1.645V） ，所以均为合格。在三种蓄电池中， A 厂生产的 6-QAW-45 蓄电池，用 180A 恒流放电持续至 200s，端电压仍在 10.00V 以上，居于第一位； C 厂的 N45 型蓄电池也可在 200s 以内维持电压 9V 以上（单格 1.5V） ，居于第二； B 厂的 6-QA-45 蓄电池在放电 100s 时端电压最低。再看放电终了电解液密度， A 厂下降幅度最大，电压下降较慢，说明电化学反应进行得彻底，有较多的活性物质和电解液参与了反应。而 B 厂的产品的电解液密度下降较少，电压下降较快，说明电化学反应进行得不如 A 厂的产品彻底，给出的容量则较少。以上三种容量检测方法比较严格、准确，但耗用时间很长，也需要较多仪器设备。二、日常维修保养时检测蓄电池的方法1. 用密度计检测蓄电池的存电量在日常维修保养时， 检测蓄电池容量的方法必须简便易行。 采取测试电解液密度与充足电时的密度相比较的方法， 即可知道存电容量为多少。 例如， 东北地区冬季最低气温在 -40℃以下，充足电时的电解液密度为 1.29（夏季充足电时应为 1.26） 。不同程度放电的电解液密度如表 6 所示。 因此， 从密度便可推知放电的百分比。 不同地区气候条件下充足电时的电解液密度各不相同，要注意区别。密度计在使用时要注意保持垂直，不使浮子与玻璃管粘住。电解液密度每下降 0.04，蓄电池便相应地放电大约 25%的额定容量。密度计的使用及浮子上的刻度如图 3 所示。 图中红区 （低于 1.150 ） 表示 “电已放完” ；绿区（ 1.150 ～ 1.250 ）表示“存电约一半” ；黄区（ 1.250 ～ 1.300 ）表示“电已充足” 。测试前要先了解本地区该季节该型号蓄电池充足电的电解液密度值， 再将所测密度值换算成标准温度 （ 25 ℃） 下的密度值。 按公式 P25 ℃＝ Pt ＋ 0.00075 （ t － 25 ） 计算。 式中 P25 ℃- 标准温度下的电解液密度（ g/cm3 ） ； Pt- 测试时电解液密度； t- 测试时的电解液的温度。例如，某蓄电池在－ 25 ℃时测得其电解液密度为 1.26 ；该电池充足电时的电解液密度为1.29 ，那么，其放电程度如何呢？是否需要补充电？为此先计算标准温度下的密度值：P25 ℃＝ P-25-0.00075 ×（ 25+25 ）＝ 1.26-0.0375 ≈ 1.223 其密度降低值为 1.29-1.223 =0.067 实践证明：电解液密度每降低 0.01 ，则相当于放电 6% ，由此可以估算该电池放电程度为： 0.067/0.01 × 6%=40.2% 该蓄电池已放电 40.2% ，超过了冬季放电允许值（ 25% ） ，应当立即从汽车上拆下来补充电。 如果不经过换算修正，仅看电解液在密度计上的刻度 1.26 ，可估计为“充电已足”或放电 18% （见图 3 ） ， 仅看密度计上红、 绿、 黄区判断存电程度只是一种粗略简便的方法，但误差太大。2. 用蓄电池的检测栓判断存电量目前较高档的蓄电池的免维护程度更高， 不需添加蒸馏水或电解液， 甚至采用全封闭的结构。这样的蓄电池存电的多少就采用检视孔或检测栓的办法，仍然是利用存电量与电解液密度的相互关系来进行判断，如台湾产的统一牌“ N50Z-MF ”免维护蓄电池即为一例。(1) 铰链浮子式检测栓台湾产 “统一 N50Z-MF ” 免维护蓄电池由日本电池投资合作， 天津经济开发区提供技术服务。该电池有以下主要特点：采用全白塑料外壳；能清晰显示电解液的多少；电解液面高出极板近 70mm ，因此极板高度及面积为一般同体积容量蓄电池的 2/3 ，且极板外面有白色（玻璃棉丝）色套，能有效地防止活性物质脱落造成极板之间短路。电解液高出极板上缘 70mm 以上，比一般电池的电解液容量多得多，不会发生极板外露导致极板氧化、硫化的弊病。在每个蓄电池的 6 个单元格中有 1 个单格设有 1 个技术状态检测栓，当蓄电池为荷电干极状态时，小孔显示白色，表示“未灌电解液” ；当灌入足量合格密度的电解液（如1.285 ～ 1.300 ）之后，检查孔呈浅蓝色；如果在使用中电解液密度下降到“电已放完” ，检查孔也会呈现白色。统一牌蓄电池存电检测栓的结构原理如图 4 所示，检测栓通体长约 70mm ，由透明有机玻璃制成。 在其下端浮子架内侧有一锥形结构， 能起到凸透镜放大作用， 显示浮子颜色。在检测栓上部用 M16 × 2.0 螺塞与电池上盖拧紧持平。偏心双色浮子用塑料铸成，它的密度在水和电解液之间，放在水中下沉，但在 1.285电解液中有较大浮力， 用力下按也不沉， 白蓝两面均可保持不沉， 可见内部材质是均匀同一的。将偏心浮子的销轴轻轻压入浮子架的支承孔中（支承孔径 Φ 1.8mm ，浮子销轴直径 Φ1.5mm ） ，浮子可在孔中自由转动。当电解液密度足够大（应大于 1.24 ） ，而令浮力达到一定值时，则上浮力矩使浮子上转至蓝色面（英文指示“ OK” ） ，表示“电已充足” ；当电解液密度下降至某一值（如 1.15 ～ 1.12 左右） ，浮力下降，重力矩使浮子向下偏转，使白色面向上， 表示 “电已放完” 或 “电解液不足” ， 必须充电或加注蒸馏水 （英文指示 “ charging necessary or add distilled water ” ） 。(2) 双色浮球式检测栓另一种蓄电池技术状态检测栓的结构和工作原理如图 5 所示。这种检测栓又称蓄电池内装式密度计， 由透明塑料管、 底座和一红一蓝两只小球组成， 通过螺纹安装在蓄电池上盖内侧。 两只小球装在塑料管与底座之间的中心孔内，红球在上、蓝球在下。这两只小球是由不同密度的塑料制成，因此可随电解液相对密度的变化而上下浮动。该蓄电池检测栓是根据光学折射原理来反映蓄电池技术状态的。当蓄电池电量充足，电解液密度大于 1.22 时，两只小球向上浮动到极限位置，通过内部光线折射，在观察孔上端形成“内红外蓝” （中心呈红色圆点，周围呈蓝色圆环） ，表示蓄电池技术状态良好，英文说明标以“ OK” （图 5b ） 。当蓄电池电量不足， 电解液密度过低时， 蓝色小球下沉到极限位置，则观察孔呈现 “内红外无色” （中心呈红色圆点， 周围是无色透明圆环） ， 表示蓄电池亏电严重， 必须立即充电，英文说明标为“ charging necessary ” 。当电解液液面过低时，两只小球都将下落到极限位置，此时观测孔上呈“外红内无色”（中心呈无色透明圆点，周围是红色圆环） ，表示电解液不足，说明蓄电池不能继续使用，必须更换。如果这种检测栓装在干荷蓄电池上，则表示必须添加蒸馏水。英文说明标示为“ Add distilled water ” 。蓄电池是一种易损耗的大型零部件，其寿命长的可达 3 ～ 4 年，短的 1 ～ 2 年，而且越是经常行驶的汽车 （尤其是长途使用） ， 蓄电池寿命越长； 越是经常停放的汽车或公共汽车，经常放电却又充电不足，蓄电池寿命反而更短。蓄电池的自行放电和极板逐渐硫化是铅酸蓄电池不可避免的“渐生故障” ，只是随着对产品材料和工艺日趋严格的要求，如变铅锑合金为铅钙合金， 又逐步变为“全程免维护”而已。 有些人习惯仅使用电压表或万用表的电压档不加负载来检查蓄电池的存电是否充足， 这是很不可靠的。 因为即使是启动放电终了的蓄电池， 只要一旦停止放电， 蓄电池的正负极板和电解液之间马上就能够达到开路电压——电动势， 马上就能恢复它们之间的电位差， 每单格约 2.1V ，整个电池约 12.6V 以上。单单测量电压时， 消耗电流极少， 故而不会在电池内部产生大的压降，所以显示电压并不低，但若加上相当的负载，如前照灯（ 10 ～ 15A ） 、喇叭（ 6～ 12A ） ，电瓶便会使灯光暗淡、喇叭沙哑，从而显示出存电不足。用密度计来检测蓄电池的存电量也有一定的局限性。 首先是要知道蓄电池在当时 （夏季或冬季）当地（东北、华北、华中、华南等）充足电时电解液的密度是多少？以此为基准才好进行比较类推。 其次是在日常或定期维护时注意补加纯水而不要加电解液， 特别是不要加入浓度高的电解液，有时可以加入低浓度的（如 1.15 ）的稀电解液。如果加入高浓度电解液甚至浓硫酸，则不仅会使极板严重硫化，损害电池寿命，还会形成“密度高而存电少”的后果。在日常保养及维修中真正能够一针见血而又方便快捷地检测蓄电池存电多少， 还是使用“大电流放电叉”较为准确。以前许多教科书将这种放电叉称为“高频放电计”是不妥的，因为被测的蓄电池电流、 电压均为直流电， 与 “频率” 没有关系。 后来改为了 “高率放电计” ，尚可。 又由于这种仪器除了进行启动放电之外，还可以进行发电机的检测， 一般称为“蓄电池检测仪”较好。3. 蓄电池检测仪蓄电池检测仪实际上是根据图 2 的启动放电测试原理组合而成的，是在几秒钟内检测蓄电池存电多少的一种便携式工具， 主要由直流电压表、 大电流放电电阻丝、 粗软铜线所接的触笔（刀、锥）或大鱼夹等组成。直流电压表、 量程应在 0 ～ 20V 之间， 有时为了测量单格、 3 格蓄电池电压， 还须有 0 ～2.5V 、 0 ～ 9V 等刻度。该电压表在断开放电电阻丝的情况下还可以测量与蓄电池并联的发电机的充电电压，其正常范围在 13.5 ～ 14.8V 之间，因此表盘上限应为 20V 以下。老式放电叉电压表量程只有 2.5V ，这是因为只测单格。大电流放电电阻丝或电阻片，其直径为 1.5 ～ 2.0mm 或更粗些，如为片状，截面积常为 8× 1mm ；如为螺旋状，圈径约 20mm 、 16 ～ 20 圈。我们曾用气门弹簧或滑动变阻器电阻丝做实验，测 N50Z 蓄电池的启动放电电流，开始接入电路，冷态电阻很小，可以高于 400A ；待电阻丝温度上升后（在 6s 内） ，即降到 200A ；等到电阻丝达到红热状态，电流则降到 120A 以下，蓄电池端电压却恢复到 11V 以上。所以， 选做蓄电池检测仪的极电电阻丝的材料应当是阻值不随温度变化的金属材料。 有一种电炉的电阻丝在冷态下为 15 Ω ，在 220V 红热状态下的电阻只增加 0.1 Ω ，是可以入选的， 只是阻值、 直径和长短应能适合蓄电池检测仪的需要。 如果放电电阻丝的阻值相对变化很小， 则蓄电池的放电电流只与蓄电池的电动势和内阻有关， 在蓄电池电解液密度变化不大的情况下， 电动势的数值相对稳定， 但内阻变化是随放电而持续不断进行的。 蓄电池内阻和极板、隔板材料、面积、电解液密度及温度、放电程度密切相关，如果放电电流的大小保持一个相对稳定的数值， 随着放电程度的增加、内阻的加大， 蓄电池端电压逐渐下降， 放电电流也会逐渐减小。 但这并不影响人们在几十秒内得到一个相对不变的大电流而测定蓄电池端电压，从而确定其放电程度。大电流放电电阻丝可以与直流电压表固定并联（这种检测仪只能检测启动放电能力） ，也可以经过按钮式开关再与电压表并联， 从而可以测得非启动状态的蓄电池电动势或在充电状态下的蓄电池与发电机电压。假如在端电压（电阻丝、蓄电池、电压表三者并联时）为10V 时，维持稳定的电流为 300A ，则电阻丝的红热时电阻约为 R＝ 10V/300A ＝ 0.033Ω 。若电流为 500A ，则电阻丝红热状态下的阻值应为 0.02 Ω 。蓄电池是否能达到规定的电流，取决于蓄电池的额定容量和内阻，如前述的极板片数、规格、充放电程度、电解液密度等。