铅酸蓄电池设计计算.docx
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铅酸蓄电池设计计算
VRLA电池酸量确定
VRLA电池相对于以前的开口富液式电池，其最大的优势是在电池寿命期间不需要添加电解液或水维护，电池可以任意位置放置使用等等。
这就要求电解液被完全固定在AGM隔板和活性物质中不能流动，并且为了实现其寿命期间不需要加酸加水维护，就必须要实现电池寿命期间的氧循环，即不能有电解液的损失。
而形成氧循环的关键一点要求就是要严格限定电池的的酸液总量，并且必须保证AGM隔板留有10%左右的孔不被电解液所淹没，从而为氧气的循环复合提供通道。
但是又必须要求电池中电解液的总量能够维持活性物质放电反应的需要。
要想使电池中电解液总量完全够用，又能够为氧气的循环复合提供通道，就需要根据电池的实际用途，正确确定和控制电池的加酸量，下面将从三个大的方面来探讨VRLA电池加酸量确定的问题。
1、最低加酸量
VRLA电池需要的酸体积，取决于电池放电态与荷电态所要求的电解液密度以及电池放电过程输出的总电量和放电率。
通常在VRLA设计时，荷电态的电解液密度要求1.28-1.30g/cm3,当其放出100%额定容量时又希望电解液密度为1.07-1.09g/cm3.这就要求电池中电解液总量至少必须满足能够维持电池在一定条件下放出其额定容量所必须消耗的电解液总量，因此VRLA电池的最低用酸量可根据电池反液压方程式推导如下：
PbO2+Pb+2H2SO4 =2PbSO4+2H2O
根据电池充放电反应的方程式，结合充放电态物质各自的电化学当量值可知，电池每放出1AH的电量，要消耗纯的H2SO43.66g，生成水0.67g.
设放电开始时电池中电解液密度为ρ1（15℃），对应的质量百分比浓度为m%，放电终了时电解液密度为ρ2，对应的质量百分比浓度为n%。
当电解液浓度由ρ1降到ρ2时，反应开始时加入的密度为ρ1的酸的体积为Vml。
则根据电池反应式中每放出1AH电量所消耗的硫酸量为3.66g，生成的水的质量为0.67g，经过方程式两边等值计算，整理得出VRLA电池中每放出1AH电量的最低用酸体积V的表达式为：
V=（3.66-2.99n）/[（m-n）ρ1]
如果设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm3，放电态的电解液密度为1.08g/cm3，则将各自对应的质量百分比数值带入最低用酸体积V的表达式中可以得出放电容量为C的电池的最低用酸体积为：
V=（3.66-2.99×11.5%）/[（36.8-11.5）%×1.28]C=10.24C
10.24C就是在15℃下设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm3，放电态为1.08g/cm3的最低加酸体积。
当然，电池中实际的加酸体积还需要根据电池的用途，以及为此进行的电池结构设计和活性
2、电池中硫酸的来源
不同生产工艺制造的VRLA电池，由于生产方式的不同，最终电池中硫酸电解液的来源也不同。
对于极板化成来说，在化成过程中，生极板中的硫酸全部转化为游离的电解液，经过水洗、干燥后，极板中基本上已经不再含有电解液了，酸的唯一来源就是电池装配后补充电前所加的电解液，按照设计要求进行加酸即可。
对于电池化成来说，又分为一次注液化成和二次注液化成，二次注液化成由于过程中有抽酸的过程，因此，具体极板中酸液的引入量不好计算。
目前VRLA电池普遍采用的化成方法是一次注液化成。
因此，这一部分主要讨论一次注液化成VRLA电池电解液硫酸的来源。
对于一次注液电池化成的VRLA电池，硫酸的来源主要有两个，一是正、负极铅膏制备时加入的硫酸通过合膏、固化以及化成完全转化为硫酸，这一部分硫酸直接按照合膏中的加酸比例计算电池中活性物质的酸含量即可。
另一部分则是电池化成前加入的酸量，这一加酸量是电池的结构分析在保证电池中氧复合条件下所最多可以吸收的硫酸量，并且要考虑电池在化成过程中的酸液损失来确定这个加酸量。
此数值的确定必须要考虑电池中隔板的压缩比以用电池中隔板的总量，因为AGM隔板是VRLA电池中电解液的主要载体，而隔板的压缩比又极影响其吸酸量。
但是不论电池的结构如何变化，电池的加酸量必须不能小于第一部分分析的电池的最低加酸量。
3、电池中酸液的分配
众所周知，VRLA电池中的没有游季酸存在，酸液被全部吸收在极板活性物质空隙中和AGM的空隙中。
极板活性物质的吸液量与活性物质的孔率和质量有关。
电池设计时，通常活性物质的质量都是预先确定的，因为在设计和组装电池时，单极板的额定容量通常都是已经确定了的。
如此，活性物质对吸酸量的影响主要是其孔率的大小等。
而活性物质的孔率主要与极板固化前铅膏所含的水分密切相关，从数值上说，基本相等。
但是实际空隙体积在极板固化过程中由于金属铅的进一步氧化，碱式硫酸铅的重结晶等影响而会有复杂的变化。
并且极板在实际吸酸时还由于在极板表面形成一层液膜。
这些因素综合影响的结果是极板的实际吸酸量要略大于极板的空隙体积。
在通常的正极铅4.0-4.2g/cm3视密度围，正极铅膏的吸酸量为每克活性物质吸酸0.15ml；负极铅膏在4.2-4.4g/cm3视密度围吸酸量为每活性物质0.155ml.
在通常正负极板厚度比例为1比0.6左右的围，正极活性物质所吸收的电解液总量为电解液总量的22%左右，负极为13%左右，另外的酸都吸收在AGM隔板中。
些处的计算考虑了负极板通常比正极板多一片。
AGM隔板的孔率高达95%左右，在VRLA电池中是电解液的主要载体。
而隔板的吸酸量与隔板的材质和其压缩有关。
压缩率高，则吸酸量少。
对于目前国普遍采用的不含憎水纤维的AGM隔板来说，在一定围，隔板的吸酸量（每单位质量隔板的吸酸体积）与压缩率之间有如下线形关系：
吸酸量（ml/g）=6.45-（0.06×压缩率）
式中6.45可理解为每克隔板具有的孔体积，即隔板在没有受压情况下饱和状态的最大吸酸量；0.06表示隔板受压缩是时，每压缩1%，孔体积相应减少0.06ml。
但是，通常为了预防电池正负极板之间的短路等，隔板的表面积相对于极板面积有15%左右的富裕，这就意味着这一部分隔板没有受到压缩。
资料显示，这一部分没有受到压缩的隔板反倒是有些膨胀，要比自然状态下的隔板多吸收一些酸，吸酸量大约为8.5ml/g。
这一同有压缩的隔板吸收的酸液只有在电池以小电流放电时才能够应用于电极反应，因此在设计电池加酸总量并且为此确定隔板使用量的时候必须要综合考虑各种因素。
在VRLA电池中，通常极板活性物质中所贮存的电解液量仅够10%左右的活性物质参加电化学反应，另外的电解液都有要来自于AGM隔板。
这就要求根据电池电化学反应所需要的酸液量以及硫酸的分配情况，结合电池中使用环境，来考虑和设计隔板的压缩率以及隔板的用量，以确保电池中电解液的总量能够满足电池电化学反应的需要。
通常，在电池正负极板面间距确定下来以后，如果隔板的压缩比增大，则电池正负极板间受压缩隔板吸收的电解液量就要减少，则为了能够有相同量的电解液来维持极板活性物质的放电反应，就必须增加电解液量。
即要想增加电解液量，就要增加隔板的面间距。
所以说，通常情况下，要想维持电池吸液量的恒定，极板压缩比的增大必须伴随着极板面间距的增大。
总之，在电池的实际设计时，要根据电池的使用环境要求，结合电化学反应，来确定电池的加酸量。
并要根据电池壳体情况等，结合活性物质孔率、隔板压缩率和加酸量，来确定电池中隔板的投料，并要考虑电池中酸液的分配情况。
并且不论电池的使用环境如何和结构设计如何变化，都有要求电池的加酸量必须要大于电池的最低加酸量。
并且增加电解液必须伴随着隔板用量的增加，因为在正负极活性物质总量确定的情况下，酸液总量增加要求必须保证AGM隔板中至少有10%左右的孔隙来为氧气的部复合提供气体通道。
某些用途的铅蓄电池要求在高速率下放电，若以10min率（10min率或更高速率放电，这时在极板孔储存的酸量就够。
各种阀控式铅蓄电池在不同放电率时，实际使用的总酸量列于表2-2-92。
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铅酸蓄电池设计---方法一
标签：
battery design 铅酸蓄电池设计 2009-12-1518:
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下文是03年偶得的一个学习教材，里面容有不少是不合理的。
网上也有看到此文，但不全面。
在此稍加完善一下图片。
这种设计模式我称之为方法一，它比较偏重于理论化，跟实际设计还是有一定的差别。
国通用的实际电池设计，正在整理中，只能待续了。
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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：
电池用途和要求：
电动自行车能源，行程50公里，时速20公里。
工作电压：
24V 工作电流：
9A 循环寿命：
250个周期
电池组外形尺寸：
233×133×204 单腔格尺寸：
60×33×178
设计：
一、确定单体电池数目：
单体电池数目=工作电压/单体电池额定电压=24/2 = 12（只）
另外根据给定的外形尺寸和腔尺寸，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×（行程/时速）=9A×（50km/20kmH-1）=22.5AH≒23AH
（2）设计容量：
1.1×额定容量=1.1×23=25.3（AH）
2.单体电池极板尺寸与数目的确定：
（1）根据给定的腔尺寸，确定极板尺寸为：
正极板（板栅）：
164×58×2.0； 负极板（板栅）：
164×58×1.4
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PbSO4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=L×H×0.154 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Ct=5.8×16.4×0.154=6.55（AH）
（3）单体电池极板数目：
正极板数目=单体电池的容量/每片极板的额定容量=25.3/6.55≒3.7=4（片）
而对起动型铅蓄电池，其极板额定容量的标准化数据为14AH/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=设计容量×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=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=电池设计容量÷单体电池片数×电化学当量÷活物质利用率
所以：
每片正极的PbO2实际用量＝25.3÷5×4.463÷0.42＝53.76（g/片）
每片负极的Pb实际用量＝25.3÷6×3.866÷0.5＝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=32.60×1.057=34.46（g/片）
1mol铅可转化1molPbO2，对于正极板：
正极板每片需铅粉量:
25.3÷5×3.866÷0.42×1.057＝49.23（g/片）
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÷0.8561=57.51（g/片）
那么铅膏体积为＝57.51÷4=14.38（g/片）
每片负极板所需铅膏量＝34.46÷0.854=40.35（g/片）
铅膏体积为＝40.35÷4=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=纵筋截面积×纵筋高度×纵筋数目
=菱形面积 ×菱形高度×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
H-----板栅高度 d-----极脚高度
A’-----板栅横向边框宽度 n-----纵筋条数
正极纵筋体积=（1/2）×0.20×0.12×（16.4-2×0.25-0.3）×3=0.562（cm3/片）
负极纵筋体积=（1/2）×0.14×0.10×（16.4-2×0.25-0.3）×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：
横筋体积=横筋截面积×横筋高度×横筋数目
=三角形面积 ×三菱柱长度×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
B-----板栅宽度 A-----板栅纵向边框宽度
n’-----板栅高度 a-----纵筋截面菱形短对角线长度
n-----纵筋条数
正极横筋体积=1/2×（1/2*0.20×0.12）×（5.8-2×0.3-3*0.12）×32=0.928（cm3/片）
负极横筋体积=1/2（1/2×0.14×0.10）×（5.8-2×0.3-3*0.10）×32=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。
每一横向边框体积=（B-2A）×A’×b
每一纵向边框体积=H×A×b
板栅边框总体积=2[H×A×b+（B-2A）×A’×b] 式中符号意义与前同。
正极边框体积=2[16.4×0.3×0.2+（5.8-2×0.3）×0.25×0.2]=2.488（cm3/片）
负极边框体积=2[16.4×0.3×0.2+（5.8-2×0.3）×0.25×0.14]=1.740（cm3/片）
（4）每片板栅体积计算：
每片板栅体积=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=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，孔率为92％。
隔离板实际体积=隔板几何体积×（1-孔率）×片数
=1.68×5.9×0.14（1-0.92）×10=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：
正极板栅孔体积 正极板铅膏用量
15.05 ＞ 14.41
负极板栅孔体积 负极板铅膏用量
10.70 ＞ 10.09
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围的硫酸。
电阻最低值在密度为1.220kg/L。
从电池阻小的角度看，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：
P0和P；则放电前：
电液中硫酸质量为P0W；
含水量为W-P0W；
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）/（P0-P）
如果P=0,当硫酸浓度为1.300kg/L时，P0=0.391
又，电池容量C=25.3AH
W=25.3×3.66÷0.391=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、验证电池组单元格是否容纳所需电解液：
1.单格电池有效腔体积计算：
设计单格有效腔高度按电解液面高于极板13mm处计算，故：
单格有效腔体积=（16.4+1.3）×6.0×3.3=350.5（cm3）
2.板栅总体积计算：
板栅总体积=正极板栅体积×正极板片数+负极板栅体积×负极板片数
=3.978×5+2.617×6=35.5（cm3/单格）
3.铅膏（铅粉）实体积计算：
铅粉实体积=极板铅膏量×铅膏密度×铅膏中铅粉含量×（铅粉中纯铅含量÷铅密度+氧化铅含量÷PbO密度）
正极干物质实体积=14.41×5×4×0.854（0.25/11.3+0.75/10.5）=23（cm3/单格）
负极干物质实体积=10.12×6×4×0.854（0.25/11.3+0.75/10.5）=19.4（cm3/单格）
4.单元格电池腔孔体积
=单元格腔有效体积–正极板实体积–负极板实体积–隔离板实体积
=350.5–35.5–23–19.4-11.10=261.5（cm3/单格）
那么电池腔体积（261.5cm3）＞电解液的需用量，所以电池单元格可容纳所需电解液。
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