VRIA电池极群结构的设计与计算-2009

VRI。A电池极群结构的设计与计算 张胜永1，杨凡科2 (1．申华车业电池部，四川成都610015；2．长广蓄电池制造有限公司，浙江长兴313100) 摘要：电池是由极板、隔膜、电解液等装配而成的，其核心就是极群结构。本文讨论了电池极群结构 的设计和计算，以便使电池的电性能得到应有的提升和保障。 关键词：ⅥuA电池；极群结构；设计计算 中图分类号：TN912．4文献标识码：A 文章编号：1006-0847(2010)0l一33—09 DesignandcomputationofthestuctureofgroupsofVRLAbatteries ZHANGSheng—yon91，YANGDi—fan2 (1．BmteryDep叭懈m《s沁n醇MB泌yckInd∞吣Co．，Ltd．，Ckn配us谢m觚6lool5；2． C‰g酗ongBmteUM帆咖n疯ngco．，Lta．，chm酵tngz呐丑哦g3l3loo，Ch汛∞ Abstnct：kad—acidbatteryiscomposedofplates，separatorsalldelectrolyte舳d∞on．711lecoreoftIIe lead—acidbatteryisthestrLlctureofthegroup．Thedesi印arIdcomputation0fthet|lestructuresof伊oupsof VRLAbatteriesarediscussedino耐ertIlattheek地tricpe而彻aIlceoft}lebatterie8canbeimpmved锄d gua砌teed． 1(eywords：VRLAbattery；伊叫pstructure；desi印锄dcomputation 1 1+1=3是电池装配组合的重大内涵 电池是一个能给出电能的装置。其实质是将 “电池元件”，如正、负极板、隔膜等经组合进行特 定的加工，如焊接汇流排、极柱，加入隔膜成 为正、负极群，装入电池槽，封合电池槽、盖，注 入电解液而成为电池。 如果我们将各“电池元件”称为“l”的话， 可将组合装配叫作“l+l”。而简单的组合(电池) 若是“l+l-2”，“2”代电池电性能，那么简单 “l+l=2”电池不会具备良好的电性能。电池装配 的要求和内涵就是“电池元件”这个“l”经过电 收稿日期：2009-08一ll 池装配加工后，其电池电性能必须得到提升，达到 “l+1=3”的效果。这“3”就表明元件优化组合 后，电池性能得到提升与保障。如何使“1+1=3”． 就是电池装配的重大内涵。 因此，电池组装不是各“元件”的简单组合， 而是一个充分发挥各元件优异性能的极其重要工 序： (1)组装是电池生产的归结。即是说，生产极 板等电池元件的目的是为了构成电池，它是一个可 提供电能的“总成”。这个“总成”必须是一个提 供优良电性能的电源装置。 (2)电池组装不是各种元件(成品)的简单组 合，而是对各元件要经过严格的加工，而使各元件 达到最佳组合，能在组装成电池后充分发挥性能， 使电池“l+l=3”地大幅提升。这也是为什么尽管 不同厂家都使用相同的元件，组装成的电池却可以 围 万方数据 得出十分不同的电性能的原因所在。 (3)电池组装是一个独立的、严谨的加工工 艺。 (4)组装工艺的核心是极群结构的设计和计 算。 以上可见，电池是一个商品，因而它就必须贯 彻商品的所有属性：即经济性——最佳的成本，以 便有合适的价格；使用性——能充分发挥电池使用 中的电性能，如故障少、寿命长；安全f生——性能 可靠、使用安全；科学性——始终与现代科技与时 俱进。这些也是极群结构设计要考虑的要求。 2极群结构是保障电池电性能的核心 图1是一个单体电池的极群结构示意。 正极极板组 图l极群结构示意 在极群结构中，有些参数是元件本身带入的、 不变的，如正、负极板的厚度、电池槽内径尺寸 等；有些是要计算的，如正、负板之间的空隙，同 种极板的中心距，隔膜厚度、装配松紧度、隔膜压 缩比、极群装配压力等等。如何求得最佳的配合， 就是极群结构设计和计算的内容。我们不妨分别加 以讨论。 3铅零件与汇流排 3．1极柱(铅零件) 3．1．1极柱的形状 国 』』也』 陟咿睑4 图4跨越式连接方式 图5穿壁焊连接方式 }J隔 万方数据 3．1．2极柱电性能与尺寸 极柱是电池内外部电流的通道，因此要求截面 积必须能承受最大的充，放电电流。一般可按下列 公式计算： s=IPl_n6 式中：s-—-极柱的横截面积(mm2)； ，-—一大电流放电电流4(A)； 卜汇流排合金电阻(Q)； ￡——极柱从底台上沿到顶端长度(mm)；l卜系数。 在工厂现场，可用较简单方法，即当自然散热 时，允许通过的电流密度为15—2A／mmz，总电流 通过量是电池额定容量的4倍以上。 3．2汇流排 3．2．1汇流排含义 顾名思义，汇流排就是电池充／放电流汇集成 流的通道。装配时，将正极板或负极板分别在其极 耳上部用焊接合金将极柱与众多的同性极板，焊接 起来，这个“焊排”部位就是汇流排。其实质就是 将正、负极板与极柱固定、并联，如图6示意。 卜-2I砌 ““”。““”7 一 I I ( ： l I 一6l d l d I l 图6汇流排 3．2．2汇流排的长度、宽度和厚度计算 汇流排的长度如图6所示，正比于并联极板 (极耳)的数目，并每侧长度余2咖，使边极板 (耳)能牢固地焊在汇流排上。汇流排的厚度是根 据所允许的横截面积来计算的。其厚度要保证最大 电流通过时不严重发热，以致熔化。一般要求为通 过数倍容量的放电电流不融、不断，同时要考虑电 压降因素。通常可按通过电流1．5—2‰m2来考 虑。汇流排的宽度，一般可按极耳宽度每侧加 2咖考虑。 铅零件和汇流排的设计往往为人所忽视，认为 这不是极群结构的范畴。笔者由现场经验认为，这 是一个较大的失误，特别是对于小型密封电池，就 有这样的教训：曾有60％一70％的质量故障(如 鼓包、落后)都是由于铅零件或汇流排里极耳焊接 质量不良、虚假焊所造成的。之所以造成虚假焊就 是由于汇流排四周宽度没有2mm的余量，造成焊 接不牢。造成这种现象是焊接工装设计不到位。 4极板、极群结构与参数 此处所谓“极板、极群结构”是指除前述铅零 件、汇流排外的同名极板中心距、正负极板间隙、 隔膜厚度、压缩比、装配压力等。 4．1极板、极群结构中同名极板中心距 将同名的单片极板并联为极群，其同名极板中 心距公式为： D=d正+d负+2d隔式中：卜同名极板中心距离(mm)； d正——正极板厚度(栅)； d负——负极板厚度(mm)； d隔一隔板压缩后厚度(mm)； 经分析，式中正、负极板厚度都是固定的，唯 一可变化参素是隔膜，如隔膜的厚度、量、压缩比 以及其所涉及到的吸酸量等问。就这是极板、极 群结构设计计算必须涉及的，因此本文加以重点讨 论。 VRLA电池之所以称为“免维护电池”，采用 AGM隔膜是重要的技术之一。VRLA电池的核心 技术有两大块：一是采用Pb—Ca无锑合金，提高 析氢过电位；二是采用AGM隔膜，使电池成为贫 液式，而且为正极充电时产生的氧留出通向负极的 通道，在负极被吸收。前者“消氢”，后者“灭氧” ——就完成了“免维护”技术。所以，AGM隔膜 俗称为免维护电池第三极。因此，vRLA电池极 板、极群结构设计以隔膜参数为核心就不足为奇 了。 隔膜应用涉及到那些参数呢?阀控电池中隔 膜的用量、厚度，在极群中的压缩比、装配压力和 吸酸量等就是极群结构设计、计算的必须涉及的内 容。 国 万方数据 4．2电池组装的松紧度 (1)电池组装的松紧度是电池极群结构的表观 总体现。所谓松紧度是表示极群在电池槽内装配松 紧程度的参数。可用公式表示如下： S：业％ He式中：卜松紧度(％)； 日，，-一隔膜名义尺寸总厚度(mm)； 日广正负极板总厚度(mm)； 日广一电池槽内径(mm)； (2)松紧度的参数见图7。极群压缩后的最大 外廓尺寸——极群总厚(如图7中日力与电池槽 内径(如图7中Hc)相等，即日c=H舯。这就是装 配松紧度的参数。但是，依笔者之见，此处的电池 槽内径(Hc)是指电池槽上口的内径，由于制造 关系，上、下口内径是不一致的，一般是上大、下 小。下部内径尺寸是应该加以考虑的。 H(．_Hzn h 8 图7极群参数 (‰—单片正极板厚度；^，_单片负极板厚度；卜正、负 极板之间空隙；所=Z，—一电池槽内径等于极群总厚度。) 过去，在早期免维护电池制造中，有一个装配 松紧度为80％～85％的说法，现在看来，特别是 对于小电池，松紧度=l或总结

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