12 V高功率鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)與探討

苗壯，王金生

（山東圣陽(yáng)電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

目前，高功率蓄電池被廣泛應(yīng)用在通信基站、UPS 機(jī)房、大型數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)所，在不間斷電源UPS 中發(fā)揮著舉足輕重的作用。2 V高功率電池由于可輸出功率較大而受到市場(chǎng)青睞。它的端子一般位于電池頂部?jī)蓚?cè)，豎直向上。但是，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于大組并聯(lián)安裝使用維護(hù)不太方便，所以筆者探討了12 V高功率鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，一般采用1×6結(jié)構(gòu)和2×3結(jié)構(gòu)，而且分別采用頂端子和前置端子[1]。尤其是，由于安裝維護(hù)都是從電池前端進(jìn)行的，前置端子設(shè)計(jì)方式使得安裝、使用、維護(hù)、巡檢更加方便，而且可采用柜式、架式或組合式等多種安裝方式，提高了空間的利用率，節(jié)省了安裝空間。另外，12 V高功率鉛酸蓄電池具有更高的單格功率，而且重量比功率和體積比功率相比于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池更高，在常用UPS中配置，可有效減少并聯(lián)電池的數(shù)量，更適用于大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

1 12 V高功率鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)

針對(duì)12 V高功率鉛酸蓄電池的使用特點(diǎn)，主要從以下幾個(gè)方面綜合考慮：

1.1 高功率板柵設(shè)計(jì)

板柵作為鉛膏的承載體，在蓄電池設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用。針對(duì)高功率蓄電池短時(shí)高倍率放電的特點(diǎn)，需要適當(dāng)提高板柵合金中錫的含量，提高板柵的耐腐蝕性能。并且，采用放射狀筋條設(shè)計(jì)，使筋條分布更加科學(xué)合理，并適當(dāng)增加主筋條數(shù)量并加粗，提高板柵的機(jī)械強(qiáng)度，提升筋條大電流承載能力，增加筋條與鉛膏結(jié)合的有效面積，使其更有利于的電子的高效傳導(dǎo)。另外，針對(duì)極耳部位，采用寬極耳設(shè)計(jì)，提高極耳焊接操作工藝性及電子導(dǎo)通能力。

1.2 高功率鉛膏配方

采用傳統(tǒng)鉛膏配方已不足以滿(mǎn)足蓄電池高功率性能要求，需要特殊設(shè)計(jì)，并且采用特殊的添加劑。文獻(xiàn)中有硫酸鋇、木素等材料提高蓄電池功率性能等方面的相關(guān)理論闡述。對(duì)于高功率蓄電池，筆者認(rèn)為還應(yīng)著重考慮幾種添加劑的使用，比如：在鉛膏配方中添加4BS晶種，保證蓄電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命；適當(dāng)添加硫酸亞錫，提高蓄電池高功率性能及充電接受能力；通過(guò)添加劑的合理搭配有效解決產(chǎn)品壽命及高功率性能的平衡。

炭材料的使用對(duì)蓄電池的高功率性能尤為關(guān)鍵。適當(dāng)提高負(fù)極配方中炭材料的含量，可以有效地改善高倍率部分荷電態(tài)充放電循環(huán)下，極板活性物質(zhì)中硫酸鉛的積累，從而提高鉛酸蓄電池在此應(yīng)用場(chǎng)景下的循環(huán)壽命[2]。Masaaki Shiomi 對(duì)該現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行深入研究，并首次提出導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)理論（見(jiàn)圖1[3]）。他認(rèn)為，負(fù)極中添加的炭材料在硫酸鉛顆粒中間形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使得負(fù)極板中的硫酸鉛更容易被還原為鉛。由于炭材料具有較高的比表面積，可有效分布于硫酸鉛與硫酸鉛晶粒之間，從而抑制因硫酸鉛晶粒的長(zhǎng)大效應(yīng)造成的電池失效。同時(shí)，可增加鉛膏的比表面積，提高蓄電池的充電接收能力。并且，在高倍率大電流放電時(shí)，炭材料因其優(yōu)良的導(dǎo)電性能具有電容效應(yīng)，可以有效地緩解大電流放電對(duì)鉛膏結(jié)構(gòu)帶來(lái)的沖擊，提升高功率性能。

圖1 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)

1.3 極板設(shè)計(jì)

由蓄電池放電特性可知，蓄電池的放電過(guò)程，總是從極板表面向極板深處逐步進(jìn)行的。放電一開(kāi)始，活性物質(zhì)表面及孔隙中的硫酸被消耗，硫酸濃度立即下降。然而，硫酸的擴(kuò)散是緩慢過(guò)程，不能立即補(bǔ)償放電過(guò)程中所消耗的硫酸，尤其是在高倍率放電時(shí)。若硫酸不能及時(shí)補(bǔ)充到極板活性物質(zhì)及微孔處，會(huì)造成電池電壓急劇下降，從而引起容量輸出受限。因此，需要減小極板之間的距離，即減小極板面間距，所以增大反應(yīng)表面積尤為重要。這樣就需要將極板設(shè)計(jì)的更薄，即采用薄極板多片設(shè)計(jì)，增加正極板和負(fù)極板的數(shù)量，以此來(lái)提高功率放電性能，減小高倍率短時(shí)放電過(guò)程中濃差極化和電化學(xué)極化程度。

1.4 隔板選擇

隔板是鉛酸蓄電池的重要組成部分，被稱(chēng)為鉛酸蓄電池的“第三極”[4]。AGM 電池通常采用的是玻璃纖維棉，主要有防止正負(fù)極板活性物質(zhì)接觸短路，提供氧復(fù)合通道，保持電解液等作用。高功率蓄電池對(duì)隔板的要求更加苛刻。一般需要選擇較薄的隔板，因?yàn)楦舭逶奖。娮杈驮叫。瑥亩稍鰪?qiáng)隔板中離子的傳導(dǎo)能力。而且，隔板應(yīng)具有優(yōu)良的吸收電解液和保留電解液的能力，以便提高電解液的利用率。另外，隔板要具有較高的抗穿刺能力和濕態(tài)回彈率，一方面可以克服裝配壓力對(duì)隔板造成的沖擊，另一方面在頻繁高倍率放電時(shí)提高隔板使用壽命，降低由隔板濕態(tài)彈性失效造成的裝配壓力降低，從而影響高功率電池有效功率輸出。

1.5 提高裝配壓力

提高極群的裝配壓力，保證隔板和極板的有效接觸，有利于提高大倍率放電時(shí)硫酸的利用率。并且，提高裝配壓力可以抑制因頻繁高倍率充放電造成的活性物質(zhì)膨脹及泥化脫落，降低蓄電池的內(nèi)阻，以此來(lái)提升蓄電池功率性能。筆者采用不同裝配壓力的12 V高功率蓄電池進(jìn)行恒功率放電實(shí)驗(yàn)（放電到 1.67 V/單體），得到表1所示結(jié)果。

表1 不同裝配壓力下電池恒功率放電結(jié)果

從恒功率放電結(jié)果來(lái)看，裝配壓力增大后，蓄電池功率性能有所提升，但不能無(wú)限度地提高裝配比，因?yàn)檠b配比過(guò)高，會(huì)造成極群入槽異常困難，而且注液的難度也會(huì)大大提升，甚至?xí)霈F(xiàn)注液無(wú)法達(dá)到極板底部，造成極板化成不良等副作用。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，筆者認(rèn)為高功率蓄電池裝配壓力應(yīng)控制在18 %～25 %，不僅不影響裝配工藝的可操作性，而且可以提升電池的功率性能，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1.6 飽和度控制

飽和度過(guò)高，影響電池中氧的再化合效率，間接影響鉛酸蓄電池的壽命。飽和度過(guò)低，使氧化合速率增快。由于反應(yīng)過(guò)程中放熱，過(guò)快的氧氣再化合速率會(huì)加速電解液的損失，甚至?xí)鹦铍姵氐臒崾Э噩F(xiàn)象發(fā)生，造成極大的安全隱患，因此控制電池中的飽和度是鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。由于高功率蓄電池需要短時(shí)大倍率放電，過(guò)低的飽和度電解液不足以短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充放電過(guò)程中硫酸的消耗，影響功率性能。但是，飽和度過(guò)高，會(huì)使充電效率降低，影響高功率電池的充電接收能力，從而影響高倍率循環(huán)性能。因此，一般高功率蓄電池飽和度控制在92 %～98 %為宜。

2 12 V高功率電池測(cè)試

結(jié)合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了12 V高功率鉛酸蓄電池，目前已批量投產(chǎn)。筆者從批量化生產(chǎn)的電池中，隨機(jī)抽取一組2只12 V高功率鉛蓄電池，按照 YD/T 3427—2018標(biāo)準(zhǔn)中第7.24.2條驗(yàn)證其高倍率恒功率循環(huán)壽命。將電池串聯(lián)，經(jīng)完全充電后，在25 ℃±5 ℃環(huán)境中進(jìn)行恒功率循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)。具體測(cè)試方法如下：①以700 W恒功率放電至電壓1.67 V/單體，即整組終止電壓為20.04 V；②以0.15C限流，在2.35 V/單體（即14.1 V/只，28.2 V/組）條件下恒壓充電16 h；③重復(fù)步驟 ①～②進(jìn)行循環(huán)，前15次放電時(shí)間不低于15 min，當(dāng)放電時(shí)間低于12 min時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)；④ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合不小于 60 次的要求。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，所測(cè)電池前15次循環(huán)放電時(shí)間大于15 min，恒功率循環(huán)共進(jìn)行 241 次，有效循環(huán)為240次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)圖 2。

圖2 恒功率循環(huán)放電曲線（2只電池）

3 結(jié)束語(yǔ)

12 V高功率鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是針對(duì)高倍率短時(shí)放電的需求。從板柵設(shè)計(jì)、鉛膏配方、極板設(shè)計(jì)、隔板選擇、裝配壓力、飽和度等因素綜合考慮設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)程控制，提升產(chǎn)品均一性，以便能夠保障電池的高功率放電性能、恒功率循環(huán)壽命及使用可靠性。