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