铅酸蓄电池设计计算Word文档格式.docx
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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:
34
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。
。
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):
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÷
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
0.7kg
(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
板栅高度(H)
164
板栅宽度(B)
58
板栅厚度(b)
2.0
纵向边框宽度(A)
3.0
横向边框宽度(A’)
2.5
纵筋条数(n)
3
横筋条数(n’)
32
菱形短对角线(a)
1.2
1.0
三角形底边长度(a’)
极脚高度(d)
极脚宽度
极耳宽度
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×
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×
=1/2*(1/2b*a’)*(B-2A-na)*n’
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)×
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×
板栅边框总体积=2[H×
A×
b+(B-2A)×
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×
0.14]=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×
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×
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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