铅酸蓄电池设计.docx

1、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

2、速)二 9A X(50km/20kmH-1) =22.5AH = 23AH （2）设计容量：1.1额定容量=11 X3=253 （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

3、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7080%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 =5.8 X6.4 .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

4、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： P bO2:4.463g/AH; P b: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

5、 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）1mo

6、l铅可转化1mol PbO2,对于正极板:(g/片)正极板每片需铅粉量:25.3 5X3.866 -.42 .057= 49.236.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BaSO4CC.FH2SO4 (d=1.10)正极250kg1.25kg70g37L(40.7kg)负极250kg0.7kg1.25kg70g37L(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）

7、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

8、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）164164板栅宽度（B）5858板栅厚度（b）2.01.4纵向边框宽度（A）3.03.0横向边框宽度（A2.52.5纵筋条数（n）33横筋条数（n ）3232菱形短对角线（a）1.21.0三角形底

9、边长度（a ）1.21.0极脚高度（d）3.03.0极脚宽度1.01.0极耳宽度16162.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

10、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- 2Ad）*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12 X16.4-2 X.25-0.3) 3= 0.562( cm3/片)负极纵筋体积=(1/2) X0.14X10 X16.4-2 X.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

11、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=1/2 X( 1/2* 0.20 (X12) X( 5.8-2 0.3-3*0.12) X32= 0.928(cm3/片)负极横筋体积=1/2 (1/2 0.14 0.10) X( 5.8-2 0.3-3*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（33）板栅边框示意图每

12、一横向边框体积二（B-2A ） X A 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

13、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= 1.68 X.9 X.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:

14、 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1.220kg/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 1.220 kg/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 (

15、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=25.3 AHW=25.3X3.66 仕39仁 236.8(ml)

16、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) X6.0 X3 = 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=3.978 X+ 2.617 6X 35.5 (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

17、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 14.41 5X4X0.854( 0.25/11.3+0.75/10.5) = 23(cm3/单格） 负极干物质实体积 二 10.12 XX4X0.854(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

18、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）=2.0 5.4 X(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=2.0 X+1.4 X+1.4 X0=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

19、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(1/4 n D)=8O,推出：D=(2 X 80)/(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

20、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: 42 mm2 )。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34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 =12.45 X (1+0.4)

21、 =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