VRIA电池极群结构的设计与计算-2009

，采用接触压力为 10±lkPa的仪器测量厚度)。而实际名义厚度是 用规定的压力厚度测量仪(应与厂家测量仪的压力 相同)测出的隔膜实际厚度。实际名义厚度与标称 名义厚度之差是隔膜厚度偏差，为相对偏差。 (3)工作厚度：组装成电池后，在装配压力的 作用下隔膜的实际厚度。工作厚度是极群结构中隔 膜厚度的终结点。如何选用和达到合理的隔膜T作 厚度就是设计的中心。 5．1．2厚度标准 AGM隔膜就是吸附性玻璃纤维毡。中国机械 行业标准JB肿630订名为“铅酸蓄电池超细玻璃 纤维隔扳”。标准中规定的厚度为标称名义厚度。 是用接触力为10±lkPa压力测5片样品后，求得 的每片平均厚度(修约为三位有效数字)。 过去，在电池生产厂中，都是采用10kPa压 力下的厚度为设计依据，但不知为何，约2006年 开始，在电动车电池行业中，隔膜的标称厚度都改 万方数据 为100kPa接触压力下测得的了。 5．1．3 隔膜的压力与厚度的关系 从以上的隔膜厚度概念中，可以看出厚度与压 力有关。表l中数据是依据文献列出的：取标称厚 度为O．5mm且面积为ldmz的隔膜30片，用极群 压力测试仪测出数据。并绘出图8曲线。 表1隔膜压力与厚度的关系 压力(kg) 厚度(mm) 0 lO 19．5 28．5 3713 64 77．8 93．7 100 29．3 25．5 24．2 22．4 21．8 19，5 17．9 17．4 16，8 辱度 “■} ＼ 、、乏 、噜 ’’_-■L． 压力(h， 图8隔膜压缩曲线 从表l、图8中可以看出，当压力为0时，30 片隔膜的厚度为293mm，单片隔膜的厚度为 29．3mlll／30片=O．98m“片，为没有压力的厚度即 自由厚度。隔膜的压力与隔膜厚度成反比：随差压 力的增大，隔膜厚度将减小。根据分析试验，当压 力小于40kPa时，随压力的增加，厚度减小较快， 压力与厚度按指数律成反比关系；而当压力大于 钧kPa后，压力与厚度变化近似于线性关系。这是 由于隔膜表面层纤维松软，孔率较大，刚性较小， 微小力的变化就能引起较大的变形。 不同压力的仪器测出的厚度是不一样的。例 如：当压力为lOkPa时，隔膜的厚度为25．5mm (30片)，单片平均厚度则为25．5mln，30片= 0．85舭Il，片；当压力为100kPa时，隔膜厚度为 16。8栅(30片)，单片平均厚度为16．8咖Ⅳ30片 =o，56m耐片。因此，有人认为，同一种隔膜，用 10kPa的压力测出的厚度误差较小(因为曲线斜率 大)，而用100kPa压力测出的厚度误差较大(因 为曲线斜率小)。笔者认为，电池的装配压力一 般在lO。60k鲋m2之问选取，如果采用lOkPa压 力下的厚度，应该有一个压缩比的计算。而采用 100kPa压力的隔膜厚度，压缩比这个概念就值得 考虑了。这是在设计极板同名中心距(焊接工装梳 形齿板)时必须考虑的问题。 5．2设计中隔膜参数及选择 极群结构设计必须考虑的隔膜参数如表2。 裹2设计中隔膜参数的选择 项目 参考值 厚度 大于正。负极板间距离 压缩比 5％一40％。最好取15％一20％ 吸酸饱和度 60％一90％，最好取80％一90％ 质量 1．5—2．O(始h) 高度 极板高度不大于350mm 5．2．1隔膜厚度与质量 应该明确的指出，极群结构设计计算中所用 “隔膜厚度”是指隔膜的“标称名义厚度”．即按照 我国JB厂Iv7630，应用接触压力为10±1kPa的示法 测量的厚度。正、负极间到底需要多厚的隔膜，在 表2中提出“大于正、负极板间距离”，这是指对 10kPa压力测得的“标称名义厚度”。正如上面所 述，如采用100kPa压力下测得的厚度，此处的 “大于正、负极板间距离”之说就应该加以考虑了。 在vRLA电池中无游离酸存在，酸被全部吸 收在极板活性物质孔隙中和超细玻璃纤维隔膜中。 所以，确定采用多大的隔膜厚度，就要对这两部分 吸酸量情况有所了解。 5．2．¨极板对电解液的吸收量取决于活性物质的 质量和孔隙度 袭3极板吸酸量 立方体质量 每克活性物质吸收酸的体积(mL) 鬯心 对瓣 62 3．78 64 3，90 66 4JD3 68 4，15 70 4．27 72 4．39 74 4．52 76 4．“ 正极 Q176 0．167 0。159 O．15l 0．144 O．137 O．130 负极 O．178 O．170 0．162 O。155 0．148 0．141 o’135 万方数据 试验表明，极板对酸液吸收量大于计算的空隙 体积，因为有表面液膜存在。表3依文献列一组数 据，说明极板所吸收酸量是铅膏表观密度的函数。 5．2．1．2隔膜的吸酸量与隔膜的压缩比和厚度成反 比 表4为文献列出的一组数据。由VRLA电池 用酸量推导可知，用相对密度为1．300出m3的 H2so。，其最低量为8．6ml／Ah，其中2．67mUAh为 极板所吸收，隔膜所吸收的酸量为5．94mL／Ah。以 百分数计算，则极板吸收酸为3l％；隔膜吸收酸 为69％。极板的吸酸量是由电池极板制造设计所 决定，不在本文讨论范畴，本文只讨论隔膜部分。 隔膜质量是先决条件。以压缩比15％一20％为例， 据文献推荐，有如下两种计算方法，可以计算出电 池所需隔膜的质量。 (1)根据表4的数据计算，当压缩比为15％时， 单位质量隔膜所吸收H2SO。量为6．5g，由计算可 知，要求吸收酸量为5．94muAh。对于密度 为1．3()()加m3的酸液，酸量为5．94×1．300= 7．72(∥Ah)，则所需隔膜的量由下式求得：嗍肌丽赢糕燃嫠‰ 当隔膜的饱和度为0。8时，则 形(隔膜)。淼21·485(舭h) 即每lAh电池需隔膜1．485g。与表4中的1．5— 2．09／Ah接近。 表4隔膜压缩比与吸酸量的关系 (2)根据资料介绍计算，设每克隔膜吸酸的 体积(mL)为V，则受压部分隔膜的吸酸量可按 下式确定： 国 y=6．45一f0．06×压缩分数) 式中：6．45可理解为每克隔膜具有的孔体积，即隔 膜饱和状态时最大吸酸量(m地)；0．06表示隔 膜受压缩时，每压缩l％，孔隙体积相应减少 0．06mL。考虑到每克有15％未受到压缩，所以上 式修正为： 0．85×(6．45—0．06×压缩分数)+8．5× 0．15=6．75—5．1×压缩率(mug)所需隔膜质量=石而‰=0．99(g，Ah) 若取隔膜饱和度为80％，则每1Ah电池需隔 膜量为0．99，0．80=1．24(g，Ah)，与前式结果相同。 在要求的隔膜质量确定之后，所要求的厚度也就确 定了。经验说明，隔膜的厚度必须大于0．66mm， 否则电池很容易短路。 (3)笔者的经验简易法是，首先依极板尺寸确 定并预先设定隔膜厚度和片数，裁制出相应尺寸的 隔膜；然后，称取隔膜重量，根据表2中隔膜质量 1．5．2g，Ah(分片极板容量)，评估是否达到要求， 并进行增减；再后，装配试验电池，测定装配压力 在合适范围，注入酸液，调整为贫液状态，称取电 池重量，评估电池储存酸量是否达规定状态，对酸 量吸收按极板3l％、隔膜69％比例评估隔膜吸酸 的概量。 5．2．2隔膜压缩比 隔膜的压缩比是极群结构设计的关键。要弄清 的几个问题是：①压缩比的含义；②为什么压缩； ③怎样压缩；④压缩多少(即压缩比)；⑤压缩比 与装配压力、装配松紧度等的关系。 当极群插入电池槽时，隔膜被压缩而发生变形 (主要是厚度)。隔膜的压缩量与隔膜自由厚度之 比，即为隔膜的压缩比。可用下列公式表示。 、Hg口一Hg龋s k2可2万 式中：Ar隔膜的压缩比H厂隔膜自由厚度 日f一隔膜压缩后总厚度 为什么压缩是免维护电池的常识性问题。这里 要重复的是，隔膜经过压缩后，仍保持有一定(如 约20％)的间隙通道。这个间隙通路，可叫做 “氧通道”，即在电池充电时，正极产生的氧气能经 万方数据 过此通道向负(阴)极转移，在阴极上被吸收、还 原为水。“阴极吸收”是免维技术的核心之一。所 以说隔膜压缩是免维护电池的关键环节。 由公式与由图7中可理解，隔膜的压缩比等于 单格隔膜的压缩量与单格隔膜的自由厚度之比。图 7中卜正、负极板之间的空隙是其来源。正、负 极板间空隙(酌实际上是由同名极板中心距—— 另一极板厚度而求得。也可用以下公式计算： 6=芋式中：卜正、负极板之间空隙，亦等于单格隔 膜压缩后的厚度； 九厂一单片正极板厚度； h，，-一单片负极板厚度； l——正、负极板中心距； 而，一皇鲨堕凼堡堕尘二璺笪要堑星鏖盟! 一 正极板片数(∽ 例如极群参数是：①隔膜标称名义厚度O．53 mm；②单格隔膜片数为2片；③单格隔膜实际名 义厚度2×0．53=1．06mm；④负极板厚2nun，正极 板厚2．3mm；⑤正极板7片，负极板8片；⑥电 池槽内径55nⅡn，求隔膜压缩比。那么计算结果如 下： 隔膜总自由厚度：2×7×2×1．06=29．7(mm) 极板中心距： (55—2)／7=7．57(咖) 单格极板空隙： (7．57—2—2．3)／2：1．64(mm) 单格隔膜压缩量：1．06×2—1．64=0．48(mm) 隔膜总压缩量：2×7×048=6．72(姗) 隔膜压缩比：6．72，29．7=0．23=23％ 压缩比与装配松紧度成正比关系：压缩比增大 时，松紧度加大。要注意的是，隔膜厚度采用的测 名义厚压力，如当压缩比在o．1。0．3之间时，用 100kPa下测出的隔膜名义厚度计算，松紧度s在 0．8～0．9之间；用lokPa测量出的隔膜名义厚度计 算，松紧度S在O．95～1．05之间。 例：已知压缩比为23％；极板厚为32．1mm； 隔膜实际名义厚度(压缩后)为14．8mm；隔膜自 由厚度为29．7栅，那么： 松紧度㈣= 极板总厚㈣+隔膜实际名义厚度饵胛) 电池槽(日c) ：三竺：!±!垒：塑=0．85=～=¨．6] 55 隔膜受压后的孔率将发生变化，可以理解为单 位表观体积所占有的空隙。 Q：型兰．％ y 式中：伊—-孑L率； y——表观体积，是隔膜的外形轮廓面所包 容的体积； y厂真实体积，是隔膜所排开空气的 体积。 隔膜的初始表观体积所对应的厚度为隔膜的自 由厚度。由公式可知，隔膜的压缩比为： 、H曲一Hg&HyQ—y s H曲HEo yq 式中：y广一隔膜的初始表观体积； l，——隔膜受压后的表观体积。 上式说明，隔膜的厚度压缩比等于体积压缩 比。如隔膜压缩比为23％，则隔膜孔率也减少 23％。 5．2．3装配压力 松紧度、压缩比、装配压力等极群参数有时容 易混淆，其实极群是多方面的统一体。不同参数相 互关系紧密，但又有各自的指数。极群设计、计算 中必须满足不同的指数要求。 5．2．3．1装配压力的内涵与意义 极群的装配压力是影响电池性能的一个至关重 要的因素。装配压力太大，极群装配困难，加酸 慢，电池槽容易产生膨胀，甚至破裂与开胶。适当 的装配压力能阻止活性物质膨胀和收缩所引起的极 板翘曲，防止活性物质脱落，增强电池的放电性 能。尤其是正极板，在充／放电过程中，由于 PbsO。和PbO：的相互转化引起的体积膨胀非常明 显，在正、负极板间空隙不变的情况下，适当地增 加装配压力(实际上是增加隔膜)能增加电池吸酸 量，在其它条件不变的情况下，这是获得电池容量 和寿命的途径。因为电池的早期失效往往是由于过 度失水引起的，酸量增加对减小过渡失水是有益 的。适当的增加装配压力还可以减小电池内阻，这 是由于压力增加时，正、负极板与隔膜的接触电阻 减小，而且隔膜受压而变薄，极板间距减小，就减 小了内阻。适当的增加装配压力，最重要的一点是 可以加速氧气的复合。在贫液状态下，极板与隔膜 围 万方数据 的良好接触能在阴极板表面造成稳定的固、液、气 三相界面，极大地提高氧的复合速度。 5．2-3．2装配压力的选择 阀控电池的装配压力一般在10。60k酬m2之 间选取。通常作法，根据初步计算的隔膜厚度。用 极群压力仪测出装配压力，然后在吸酸量、装配压 力、隔膜厚度之间取得平衡，最后选定装配压力和 隔膜厚度。 这里要了解装配力与装配压力的不同含义：装 配力一是指在用装配压力仪测试时所表示的给与极 群的总力(kg)；装配压力一是指极群(极板与隔 膜)单位面积(kg／dm2)的压力。表5所列是极群 最低装配力和装配压力(如有条件，可适当提高)。 系 如果极群装配压力可以进行事先的“预算”， 那么可提高成功率。极群压力的预算关键是要求出 弹性模数㈣：茎里垫鱼 压缩比价J 隔膜的弹性模数。 极群装配压力则为P2_E×A。×凡式中：Pl一装配力；蜮配压力；卜隔膜弹性模数；卜隔膜的 受压面积(取极板面积)。只要知道弹性模数，就 能较方便的求出任一压缩比时对应的压力。 例：取标称名义厚度为0．5mm的隔膜30片， 隔膜面积F=100cm2=ldm2，单片自由厚度 表5极群最低装配力和装配压力 表中装配力与装配压力可按下列经验公式计算 求出： Pl=19．25P酤 路‰ 式中：尸l——装配力(kg)； 巴一装配压力(kg／dm2)；卜极板面积(dm2)。 例：已知极板面积0．5dm2，求最低所需装配 力和装配压力。 装配力：Pl=19．25×0．5Q63=12．44(kg)a；12(kg) 装配压力：％=12。％．5：24．88(k曲。25(k曲： 24．88=25kg 有学者指出，在现场工艺上，当选定隔膜后， 最简单的办法是用极群压力仪测试，看是否能达到 表中所列数据。 5．2．3．3极群装配压力的预测计算及与压缩比的关 囤 1．06mm．总自由厚度=30×1．06=31．8mm，在极群 压力仪上将厚度压缩到21．68mm，此时压力指示 15．4kg。压缩比=等=o．318=31．8％ 隔膜压力尸=15．4kg／l咖2=15．4kg／咖2 弹性膜数￡=么。=15‘％．318=48．3(kg／锄2) 如求压缩比20％的压力，则P=E×AF48．3× 0．2_9．66他g)。压缩比与弹性模数关系如图9所示。 弹性模数是隔膜的重要参数。隔膜的模数大， 则刚性大，抗变形能力强；模数小，则弹性好，刚 性差。图9绘出了不同厚度(样品ldm2)时压缩 比与弹性模数关系。可以看出，同一种厚度，随着 压缩比增大，弹性模数加大。当压缩比小于0．3 时，压缩比与模数呈线性关系，大于o．3后，变化 加快。所以在设计中，压缩比一般都不超过0．3。 现在，用经验公式进行预算。 万方数据 E 躲 钐 lIf ， 户．J | l }p， |p ?· 2’ }7 ．≯． ．， ／ ， ／ ∽Z／ ，J 杉钐 ／ r／ 膨∥ l nl 00O．3 O．4 0．5 O西 n7 蝴品矗 l ，Sm— l 2|硼 3 如肭 ● 42聃 5 投阳峨 晨霸眦h 图9曲线图 例：已知隔膜总自由厚度H庐29．7咖，压缩 比AF=o．23，极板面积雎2．4dm2，求装配力。 装配压力B=o．05A2·厶瞄u =0．05×0．232×29．71·15 =0．13l(k咖∞=13．1伥鲋m2) 装配力P1=尸2·肚13．1×2．4=31．4(k曲 5．2．4吸酸量 VRLA电池结构设计中的“酸量”问题往往为 人们所忽视。众所周知，硫酸电解液是电池电性能 的基础条件之一。所以“酸量”也是结构设计的重 要内容。电池所需酸量有两方面，一是参加电化学 反应酸量，二是满足离子导电的酸量。所以，我们 应该了解：酸量与利用率之间的关系；需要多少 酸；贫液结构电池能吸多少酸。 5．2．4．1酸量与利用率 图10示出了酸量与利用率之间的关系。这里 要引出一个“最低额定比酸量”、 “有效额定比酸 量”的概念。从图10中看出，当额定比酸量小于 11．4mUAh时，电池容量随电解液量增加而增加， 每毫升电解液约提高容量9％，而大于11．4矗L／Ah 时，容量提高就缓慢了，所以称11．4mL／Ah这点 为“有效额定比酸量”。 当电池达到额定容量时，所对应的额定比酸量 为lO．2mL／Ah，在10．2一11．4mLAh额定比酸量之 间是容量变化较大的范围。当小于10．2muAh时， 容量则发生量变到质变的转折。即容量由合格变为 不合格，故称此点为“最低额定比酸量”。最低额 比酸量所对应的电解液利用率为78％。在容量合 格的前提下，此数值电解液的利用率最高，称为最 高电解液利用率。 从图lO中可以看出，固定型电池的最低用酸 量为26．5muAh，电解液最高利用率为48％，有 效额定比酸量为32m叭h。在此数值之前，电池 的容量随额定比酸量的增加而增加。额定比酸量每 增加lmL，电池容量上升8％。按单体电池最少 用酸量计算：对于VRLA电池，最低用酸量(mL) 为8．6．9mUAh。 额定比能量(量l／^H) 图10固定型电池酸量及电池利用率的关系 (1一l为额定比酸量与容量的关系；2—2为额定比酸 量与电池利用率的关系) 5．2．4．2饱和吸酸量 当电池加液后，极板、隔板中微孔及电池槽内 空隙充满电解液。在系统的条件如温度、压力等不 变的情况下，不能再加入电解液，也不会出现溅 漏，此时的电池为饱和状态，对应的吸酸量为饱和 吸酸量。 5．2．4．3贫液 所谓“贫液”，是指在保证所需(电化反应、 导电)酸量的前提下，隔膜处于一种不饱和(即部 分微孔没有被电解液充满)状态。贫液是VRLA 电池的特性，一定的贫液状态，是电池正常丁作的 必要条件。没被电解液充满的空隙是氧气扩散的通 道。但不能把贫液理解为电解液不够，贫液状态过 低时，隔膜中充满电解液的微孔过多，造成单位体 积隔膜含酸量低，在极板和隔膜接触的界面上电解 液缺乏，电化学反应很难进行，同时隔膜对电解液 离子的迁移阻力增大，电池内阻增加，电池电性能 会急剧下降。 5．2．4．4饱和度 饱和度是衡量电池贫液状态的参数。电池的实 (下转第48页) 回 万方数据 电率都是每月百分之几。因此，即使不用，也应定 期给蓄电池再充电。必须在25℃下几个月定期给 蓄电池充电，在更高的温度下要更频繁。如果不这 样做，就会形成非常缴密的硫酸铅晶体，造成不 可逆的损坏。9)蓄电池与应用条件不相适也有损 蓄电池。储能蓄电池结构是极板较少但较厚，具有 较好的深循环寿命，而“高功率”蓄电池采用较多 且较薄的极板，具有较高的峰值功率。把这两种蓄 电池混淆，用在错误的应用中，通常会损害蓄电池 的寿命。 备用功率混合动力系统—-VRLA蓄电池的应用 GeryBOndue¨e Enersys公司 Bonduelle先生一开始就描述了混合蓄电池的 应用，其特点是蓄电池在受控的循环在连续充，放 电，与另一种电源并联工作。这种应用的一个典型 例子是一个12h循环，在这个循环中发电机支持 负载，而且给蓄电池再充电。 在许多偏远地区，混合动力系统也可以是蓄电 池、柴油发电机和太阳能阵列的组合。在这些及其 它应用中蓄电池长寿命的设计关键是失效模式的正 确管理。例如， “板栅腐蚀”是一种典型的失效模 式，通过控制蓄电池的温度、调节充电电压、选择 合适的酸浓度、使用适当的板栅合金及仔细控制板 栅铸造工艺而使其得到改善。 另一个VRLA蓄电池所特有的失效模式就是 酸分层。通过适合选择和使用改良的AGM隔板、 仔细控制和规定的充电方法及电池的设计可以很好 地控制这种蓄电池退化源。 在经受连续充／放电循环的蓄电池中，活物质 的退化必须加以管理。并且必须最小化正极活物质 的脱落和仔细控制负极活物质表面积的损失。 通过适当设计电池和极板及优化充电方法可以 最小化这两种现象。对此，Enersys公司提出了一 种方法，特点是标称充电电流为蓄电池安时容量的 17％，且充电电压极限为2．4V／单体。他总结说， 迄今在这些混合动力应用中充电条件是蓄电池寿命 长的关键之一。 (上接第4l页) 景加譬霎皇璺翌苎垡‘在压配压力作用下)之 6小结 比，为该体系的饱和度。 。 ⋯ 饱和度= 实际加酸量国 极群饱和吸酸量㈤ 极群饱和酸量=隔膜饱和吸酸量(g)+极板饱和 吸酸量(g) 5．2．4．5酸容比与压缩比关系 酸容即有压力时，单位重要隔膜的饱和吸酸 量。图9上绘出了不同自由厚度时压缩比与酸容比 日的曲线图。由图上可知压缩比相同时，自由厚度 大的酸容比大。同一种自由厚度，随着压缩比加 大，酸容比也加大。当自由厚度大于30mm时， 且压缩比在O．3以下时，随着压缩比的增加，酸容 比增加较缓慢。压缩比在0．3以上后，压缩比酸容 比仍呈线性关系增加。综上叙述，有学者提出一个 酸量量化：考虑电化反应和导电需要，当酸密度为 1．280一1．30加m3时，硫酸量取9～12mL／Ah。 囤 电池装配是电池生产的重要归结，装配质量决 定了电池电性能与质量标准的高低。装配质量的关 键是电池极群结构的设计。笔者认为，过去不少厂 家，特别是中小厂往往忽视了“极群结构设计”。 本文的目的，就在于慎重的提起这个课题，引起大 家的重视。 参考文献： 【1】陈兴礼．阀控式铅酸蓄电池极群的结构设计与 计算．第五届全国铅酸电池学术会论文，1996． 【2】 DavidLinden，1'IIomasB·Reddy．电池手册【M1． 北京：化学工业出版，2007． 【3】朱松然．蓄电池手册【M】．天津：天津大学出版， 2()()7． [4】张胜永．电动自行车电池装配组装(讲义)． 申华车业电池部，2007． 15]张胜永．铅电池产品设计与计算(待发表)． 万方数据