串联蓄电池组抽头供电问题的研究

　　摘要：本文以一个错误的设计方案为例，深入分析铅酸蓄电池的充放电、极化以及极化电压的动态变化，推导出对不均衡电量的串联蓄电池组充电是无效的，并给出正确的设计方案。

　　1.引言

　　应急指挥通信车装载多种类的通信设备，如短波、超短波、集群车台，这些负载多为12V电源供电。为了满足这类设备动中通的要求，设计人员有时会直接使用汽车的蓄电池给设备供电。如果原车蓄电池为单节12V电压，可直接取电；若原车由两节24V电池组提供启动电压，在工程实施过程中，一般采用中间抽头，取后节电池提供设备电源。

　　2.实例简述

　　某机动指挥通信系统装载有常规的集群电台，机动车发动机启动电池为两节电池串联，电压为直流24V,设计人员为了实现车辆行进中的集群通信，对两节电池组中间抽头，采用了后节电池给集群电台提供电源。系统供电拓扑图如图1所示。

　　该机动车使用了一段时间后，汽车不能点火启动，经检查，前节电池开路电压12.6V,后节电池电压只有11V,使用过程中，汽车发动机是一直运转的，原车发电机对两节电池一直充电，为什么后节电池电压过低？为了查出原因，下面对铅酸蓄电池的充放电和极化过程进行深入分析。

　　3.铅酸蓄电池的结构简单介绍

　　铅酸蓄电池一般由六个单元格组成，每个单元格由阳极板、阴极板、隔板和稀硫酸电解液组成；单元格串联输出12.6V电压，耐酸、耐热、耐震的硬橡胶或塑料壳体作为电池的外结构。

　　极板以铅锑合金为骨架，涂一层松软的铅膏，化学处理后，阳极外层生成活性物质过氧化铅（PbO2），阴极外层生成活性物质铅（Pb）。隔板有玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板以及塑料维隔板，其作用使正负极板绝缘，而电解液中的带电离子可以自由通过。

　　4.铅酸蓄电池的放电过程

　　铅酸蓄电池放电是一个比较复杂的电化学反应过程。

　　阴极反应：阴极板外层的活性物质铅在稀硫酸中发生氧化作用。反应方程式如下：

　　由于反应时极板产生的2价铅，排斥溶液中的氢离子，阴极附近尽管有多余的氢离子，但不会从本极板上吸收电子，析出氢气；由于反应的产物不能从反应点移出，从而阻止了反应持续不断的进行，所以电池开路时，阴极反应是动态平衡的可逆反应。

　　阳极反应：在没有外电荷作用下，少量氧化铅与水发生作用，其过程也是动态平衡的可逆反应。反应方程式如下：

　　当电池开路时，阳极只有少量带正电的4价铅，同时附近的溶液中含有氢氧根离子，而阴极有多余的自由电子，两极板以及电解液形成双电层，产生电势差，如图2所示。蓄电池由六个单元格串联，于是形成了蓄电池开路电压，即蓄电池的电源电动势ES.

　　当用导线和负载将两极板连接时，在电场的作用下，阴极多余的自由电子向阳极定向移动，形成外部电流，阳极铅离子捕获2个自由电子，被还原后与硫酸反应生成难溶解的硫酸铅，可逆反应式-2的动态平衡被破坏，持续向正向进行。同时，阴极附近的氢离子与阳极附近的氢氧根离子相互吸引，形成内部电流，相互作用后生成水；由于阴极反应产物（多余的自由电子）消耗到阳极反应，可逆反应式-1动态平衡也被破坏，反应式-1将持续进行。反应方程式如下：