铅酸蓄电池设计.docx
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铅酸蓄电池设计
铅酸蓄电池设计
方法
铅酸蓄电池设计
本文以用于电动自行车能源的铅酸蓄电池设计为例，介绍有关设计中的计算和步骤，虽然针对铅酸电池系列，但其中的某些原则和方法，对其它系列的电池设计也有一定的参考价值。
设计要求:
设计:
、确定单体电池数目:
单体电池数目二工作电压/单体电池额定电压二24/2=12（只）
另外根据给定的外形尺寸和内腔尺寸，确定电池组应由12个单元格组
成双排结构。
二、单体电池的设计与计算:
1.电池容量的确定：
提高电性能的途径就是改善限制电极的性能因素,
而降低成本则是降低非限制电极因素的用量!
（1）额定容量：
根据给定条件，电池额定容量为:
工作电流X（行程/时速）二9AX（50km/20kmH-1）=22.5AH=23AH
（2）设计容量：
1.1额定容量=1・1X3=25・3（AH）
2.单体电池极板尺寸与数目的确定:
1）根据给定的内腔尺寸，确定极板尺寸为:
正极板（板栅）：
164X58X2.0;负极板（板栅）：
164X58X1.4
值得注意的是极板的厚度设计。
由于极板厚度直接影响着活物质的利用率。
极板放电产物PbS04的比容较大，随着放电过程的加深，极
板孔率下降，使H2SO4的扩散发生困难，因而极板越厚，活物质的利用率就越低，所以在选择极板厚度时应全面考虑用户提出的性能要求和使用条件。
首先应保证电池的性能指标，这样可能会影响到一些次要的性能指标，如对电池主要要求大功率，低温起动，则设计极板应薄些,然而相应地电池寿命可能就会降低。
反之，如对电池主要须耐较强冲击振动和较长的寿命，则就要设计极板厚些。
另外，负极板厚度至少为正极板的70〜80%以上才适宜。
（2）单片正极板容量：
据阿仑特（Arendt）经验公式：
C=LXHX0.154式中:
C：
单片容量；L:
极板宽度（cm）;
H:
极板高度（cm）D:
极板厚度（cm）
每片正极板容量G=5.8X6.4».154=6.55（AH）
（3）单体电池极板数目:
正极板数目二单体电池的容量/每片极板的额定容量=25.3/6.55=3.7=4
（片）
考虑到铅蓄电池正极易于脱粉，变形及利用率较低的情况，设计时总是
负极板比正极板多一片，此外，本设计为保证电池的容量取正极5片,
负极6片，因此利用隔膜为10片。
3.据极板厚度，参照有关文献数据，本设计电池活物质利用率估计为正
极为42%，负极为50%。
4.极板活物质用量的计算:
计算的一般步骤为：
先求出活物质的理论需要量，其公式为:
理论需量值二设计容量X电化学当量再据此值与活性物质的利用率求出实际用量；其公式为:
实际用量二理论值/利用率
其中两极活性物质的电化学当量为：
PbO2:
4.463g/AH;Pb:
3.866g/AH,
综上所述，每片极板活物质的实际用量由下面公式给出;
每片活性物质的用量二电池设计容量曲体电池片数＞电化学当量啪物质利用率所以：
每片正极的PbO2实际用量=25.3-5X4.463£.42=53.76（g/片）
每片负极的Pb实际用量=25.3©X3.866-.5=32.60（g/片）
5.生产上铅粉用量的计算:
由于生产上不是直接将一定量的正极（或负极）活物质涂在板栅上，而是将一定氧化度的铅粉涂在板栅上，经过化成制得活性物质，所以，还必须将上述计算活物质的量折算成铅粉的量。
每克铅粉能生产出氧化度为此75%的铅粉量为:
氧化铅的分子量-铅的原子量＞0.75+0.25=1.057（g）那么负板每片需用铅粉量=32.60＞.057=34.46（g/片）
1mol铅可转化1molPbO2,对于正极板:
（g/片）
正极板每片需铅粉量:
25.35X3.866-.42>.057=49.23
6.生产铅膏量的计算:
（1）本设计拟采用的铅膏配方:
原料极板类型
铅粉
BaSO4
C
C.F
H2SO4（d=1.10）
正极
250kg
1.25kg
70g
37L（40.7kg）
负极
250kg
0.7kg
1.25kg
70g
37L（40.7kg）
2）两极板中的铅粉含量:
正极铅膏中的铅粉含量==85.61%负极铅膏中的铅粉含量==85.4%设计中按铅膏密度为4g/cm2计算。
（3）据设计容量计算铅膏需用量:
每片正极板所需铅膏量=49.33£.8561=57.51（g/片）那么铅膏体积为=57.51£=14.38（g/片）每片负极板所需铅膏量=34.46£.854=40.35（g/片）铅膏体积为=40.35£=10.09（cm3/片）三、板栅的设计与计算:
极板尺寸确定以后，板栅的设计主要解决板栅的结构，板栅合金组成,板栅的体积和重量。
1.选择板栅筋条的截面形状及板栅的结构:
板栅筋条的截面形状，常见的有三角形，菱形和椭圆形。
它们各有其特点：
三角形截状板栅的主要优点是在铸造时易于脱模，但对活物质的
保持能力较差。
菱形截面筋条对活物质保持能力较强，但要求模具精度要高且脱模较三角形困难。
圆形截面筋条主要优点是耐腐蚀能力强，因
为在其截面积与其它形状相同时，具有最小的同界长度；在其活物质保持能力和脱模难易方面界于三角形和菱形之间。
按本设计要求，可以选定板栅纵筋截面形状为菱形，横筋截面形状为三角形。
面形板栅中纵筋和横筋的排列结构既会影响电流的均匀分布程度，也会影响活物质的保持能力，为较好地保持活性物质，通常是采用纵筋粗而少，横筋细而多的形式。
根据设计要求并参照极板尺寸数据，确定极板结构参数列与下表：
（单
位mm）
名称
正极
负极
板栅高度（H）
164
164
板栅宽度（B）
58
58
板栅厚度（b）
2.0
1.4
纵向边框宽度（A）
3.0
3.0
横向边框宽度（A'
2.5
2.5
纵筋条数（n）
3
3
横筋条数（n‘）
32
32
菱形短对角线（a）
1.2
1.0
三角形底边长度（a‘）
1.2
1.0
极脚高度（d）
3.0
3.0
极脚宽度
1.0
1.0
极耳宽度
16
16
2.板栅筋条中心距的计算:
由于选定正负极板栅的筋条形式，数目及板栅高度，宽度均相同，因而正负极板栅的筋条中心距也相同。
纵筋中心距=（板栅宽度-2＞纵向边框宽度）/（纵筋条数+1）
=（58-2*3）/（3+1）=13.0（mm）横筋中心距=（板栅高度-2＞横向边框宽度）/（横筋条数+1）
=（164-2*2.5）/（32+1）=4.8（mm）3.板栅体积计算:
板栅体积可以分成由纵筋，横筋，纵向边框，横向边框，极耳和极脚等若干部分所组成，其体积可以按各部分的几何形状分别计算加和而成。
（1）、纵筋体积计算:
据本设计确定纵筋截面为菱形如下图所示:
纵筋体积计二纵筋截面积X纵筋高度X纵筋数目
=菱形面积X菱形高度X纵筋数目=1/2*b*a*（H-2A'd）*n
其中：
b------板栅厚度（或菱形长对角线）a------菱形短对角线
正极纵筋体积=（1/2）X0.20
区12X16.4-2X.25-0.3）>3=0.562（cm3/
片）
负极纵筋体积=（1/2）X0.14
X10X16.4-2X.25-0.3）>3=0.328（cm3/
片）
（2）、横筋体积计算:
据本设计确定横筋截面为三角形如下图（3-2）所示:
图（3-2）板栅边框示歳霁皿55
横筋体积二横筋截面积X横筋高度X横筋数目
二三角形面积X三菱柱长度X横筋数目
=1/2*（1/2b*a）*（B-2A-na）*n'
其中：
b------板栅厚度（或菱形长对角线）a'------横筋截面三角形底边
长度
n-----纵筋条数
正极横筋体积=1/2X（1/2*0.20（X12）X（5.8-20.3-3*0.12）X32=0.928
（cm3/片）
负极横筋体积=1/2（1/2>0.14>0.10）X（5.8-20.3-3*0.10）>32二0.549
（cm3/片）
（3）、板栅边框体积的计算:
本设计板栅边框截面形状为六边形，为了方便计算，可简化为矩形，板
栅边框可分为四个矩形菱柱体，即两个横向边框如图3-3所示。
图（3・3）板栅边框示意图
每一横向边框体积二（B-2A）XA'X
每一纵向边框体积二H
同。
片）
片）
（4）每片板栅体积计算:
每片板栅体积二纵筋体积+横筋体积+边框体积
每片正极板栅体积=0.563+0.928+2.488=3.978（cm3/片）
每片负极板栅体积二0.328+0.549+1.740=2.617（cm3/片）四、隔离板的选择与尺寸的确定:
隔离板的主要作用在于防止正负极短路，但又不要使电池内阻明显增加。
因此隔离板应是多孔的，允许电解液自由扩散和离子迁移，具有比较小的电阻，当活性物质有些脱落时，不得通过细孔而达到对方极板,即孔径要小，孔数要多，扩散面积大，此外要求机械强度好，耐H2SO4腐蚀，以及不能析出对极板有害的物质。
目前使用较多的是微孔橡胶隔离板，合树脂隔板及聚烯树脂微孔隔离板等，近年来，超薄隔离板研制成功，以及新型袋式板的发展给开发免维护电池创造了条件。
本设计电池为负极吸附式密闭蓄电池，薄膜选择超细玻璃纤维，厚度选定为1.44mm,孑L率为92%。
隔离板实际体积二隔板几何体积X（1-孔率）＞片数
=1.68X.9X.14（1-0.92）1X=11.10（cm3）
五•验证铅膏是否能够全部填涂于板栅上，比较板栅孔体积与极板所需
铅膏体积大小:
正，负极板栅孔体积均大于正，负极板所需铅膏体积，所以正负极铅膏可以全部填于板栅上。
六、电解液浓度的选择及其用量的估计:
硫酸的电阻随其浓度和温度变化而变化。
密度在1.100—1.30kg/L之间
电阻最小。
蓄电池电解液多用此范围的硫酸。
电阻最低值在密度为1.220
kg/L。
从电池内阻小的角度看，作为电解液希望用电阻率最小的1.220kg/L左右的稀H2SO4。
但为获得所规定的放电容量需有一定量的硫酸
量。
另外，由于受蓄池电槽尺寸的限制，故而本设计采用密度为.290—1.300kg/L的硫酸。
电池所须电液量可从理论上计算。
据电池反映可知，每2F（法拉弟）电量需2mol硫酸，即每AH电量需3.66g硫酸同时生成0.67g水。
因此,对每AH电量，放电前后电液量的差为：
3.66-0.67=2.99（g）理论上计算每CAH电量将生成电液量W，设硫酸在放电前后质量百分
比分别为：
Po和P；则放电前：
电液中硫酸质量为PoW;
含水量为W-PoW;
放电后：
电液量为W-2.99C;
水量为W-PW+0.67C;
电液中硫酸质量为P*（W-2.99C）;
水量又为W-2.99C*（P-2.99C）;
所以，W-PW+0.67=W-2.99C*（P-2.99C），解得
W=C（3.66-2.99P）/（P。
-P）
如果P二0当硫酸浓度为1.300kg/L时，P0=0.391
又，电池容量C=25.3AH
W=25.3X3.66仕39仁236.8（ml）
实际上蓄电池用硫酸量比理论值多。
对于固定型蓄电池为1.5—5倍，移
动型蓄电池为1.1—2倍，本设计采用实际量的1.1倍。
W实际=W<1.1=260（ml）
七、验证电池组单元格内是否容纳所需电解液:
1.单格电池有效内腔体积计算:
设计单格有效内腔高度按电解液面高于极板13mm处计算，故:
单格有效内腔体积二（16.4+1.3）X6.0X3=350.5（cm3）
2.板栅总体积计算:
板栅总体积二正极板栅体积X正极板片数+负极板栅体积X负极
板片数
=3.978X+2.6176X35.5（cm3/单格）
3.铅膏（铅粉）实体积计算:
铅粉实体积二极板铅膏量X铅膏密度X铅膏中铅粉含量X（铅粉中纯铅含量十铅密度+氧化铅含量+PbO密度）
正极干物质实体积二14.415X4X0.854（0.25/11.3+0.75/10.5）=23（cm3/
单格）负极干物质实体积二10.12XX4X0.854（0.25/11.3+0.75/10.5）=19.4（cm3/
单格）
4.单元格电池内腔孔体积二单元格内腔有效体积-正极板实体积-负极板实体积邛隔离板实体
=350.5-35.5-23-19.4-11.10=261.5（cm3单格）
那么电池内腔体积（261.5cm3）＞电解液的需用量，所以电池单元格内可容纳所需电解液。
八、电池其它零部件的设计与计算
1.汇流排的设计与计算:
1）汇流排长度计算
正极汇流排长度二正极板栅厚度X片数+负极板栅厚度X［负极片数-2）+隔离板厚度X（片数-2）
=2.05^.4X（6-2）+1.4（W-2）=26.8（mm）
负极汇流排长度二正极板栅厚度X片数+负极板栅厚度X负极片数+隔离板厚度X片数
=2.0X+1.4X+1.4X0=32.4（mm）
2）汇流排宽度与厚度的计算:
汇流排宽度与厚度（或截面积）可根据极板的极耳截面积数据来计算，而
极耳截面积则根据承受电流密度的大小来确定，通常汇流排的截面积应接近于极耳总截面积，或视电池具体情况而定。
本设计电池单元格串联为桥式联接，极柱偏向一端，故汇流排取偏梯形，窄边长度为76mm,宽边长度为20mm,厚度为4mm.
2.极柱的设计与计算:
（1）本设计电池单元格串联为桥式联接，故极柱设计为半圆柱体，其截面
积可选取梯形，汇流排的最大截面积，即20X4=80（mm2）。
（2）截面积的半圆直径计算:
由圆的面积公式：
S=1/2（1/4nD）=8O,推出：
D=（2X80）/（1/4^t4）-3（mm）
即，半圆形截面直径为14.3mm.
3.验证总线，极柱是否有被熔断的可能?
（1）熔断电流与截面积的关系式如下:
K=（12/Il）/（S2/S1）或S2=I2S1/I1K
式子中:
S2---欲求某一固定长度的导电体通过电流12时的最小截面积（即熔断电
流面积）
Si---实验曲线的导体截面积（如图3-4中曲线的实验用导体截面积:
42mm2）。
Ii----按设计确定的某一固定长度时，从实验曲线上找到对应的熔断电
流值。
12----通过所设计导体的最大电流值（通常为额定容量的3—4倍）
K----比例系数，通常取0.8。
（2）按本设计求熔断电流面积:
以本设计正极汇流排度度26.8mm,在图（3-4）上查得所对应的h值
为320A，按本设计电池的12=25.3為=75.9（A）
代入上述公式：
S2=（42/0.8）（75.9/320）=12.45（mm2）
再加上40%的保险系数，总线的最小截面积:
S2'=12.45X（1+0.4）=17.43向口
本设计总线截面积，极柱截面积均大于此熔断电流面积，因此它们均不会熔断。
4、电池外壳材料选择及尺寸的选择从略。
。
极板的设计基准
1.设计前的已知技术参数
我们不论设计何种类型的电池，一定要从电池的外观开始，而电池的外观尺寸一般来说要受限于某一行业标准（如JISQIN标准等）或客户的特定要求，因此，电池壳盖尺寸的确定是我们设计电池的先决条件。
2.不同类型电池对极板尺寸的要求
我们都知道，不同用途场合对电池的要求也不一样，有的是要求大电流放电的（UPS,Starting）,有些是要求循环寿命的（Motive,Solar），有些则是
要求长寿命的（Station）,电池极板设计必须参照客户的使用用途，方能扬长避短，达到最佳性能。
因此，电池内部结构的设计也各不相同。
2.1不同用途电池对阳极板反应面积的要求2.2极板高度，宽度，片数的确定
221极板高度的设计基准
2.2.2极板宽度的设计基准
2.2.3极板片数的设计基准
.隔离板设计基准
1.隔离板长度和宽度的设计基准2.隔离板厚度的设计基准
2.1隔离板压力一度一缩率
2.2隔离板的压缩率和吸液量
三•酸量与隔离板饱和度的设计与核算
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