铅酸蓄电池设计文档格式.docx
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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,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1.220kg/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=(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.单元格电池内腔孔体积
=单元格内腔有效体积–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=正极板栅厚度×
片数+负极板栅厚度×
(负极片数-2)+隔离板厚度×
(片数-2)
=2.0×
5+1.4×
(6-2)+1.4×
(10-2)=26.8(mm)
负极汇流排长度=正极板栅厚度×
负极片数+隔离板厚度×
=2.0×
6+1.4×
10=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20×
4=80(mm2)。
(2)截面积的半圆直径计算:
由圆的面积公式:
S=1/2(1/4πD2)=80,推出:
D=(2×
80)/(1/4×
π)≒14.3(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=(I2/I1)/(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I2时的最小截面积(即熔断电流面积)
S1---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)。
I1----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。
I2----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I1值为320A,按本设计电池的I2=25.3×
3=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×
(1+0.4)=17.43(mm2)
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。
铅酸蓄电池设计---方法二
一。
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JIS,DIN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
2.2.1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
二.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──厚度──压缩率
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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- 蓄电池 设计