鉛酸蓄電池板柵結構的模擬分析

楊明國，丁剛強

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鉛酸蓄電池板柵結構的模擬分析

楊明國1，丁剛強2

（1. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

鉛酸蓄電池的充放電過程中電流傳導主要依靠板柵來完成。板柵的形狀、外型尺寸和結構是影響蓄電池性能的重要因素。通過建立鉛酸蓄電池單電池的有限元分析模型，分析了板柵的高寬比，極耳的位置，筋條的設計對板柵的電位分布影響，最后得到適當降低板柵的高寬比，極耳的位置向板柵中部移動，增加板柵的豎筋數量有助于降低歐姆壓降。

鉛酸蓄電池 板柵 模擬

0 引言

板柵是電極活性物質的集流體和載體。它在蓄電池中占到20 %～30 %的成本。鉛酸蓄電池的充放電電流導引主要通過板柵來完成[1]，板柵的形狀、外型尺寸和結構是影響蓄電池性能的重要因素。

鉛酸蓄電池的板柵設計是電池優化設計的重要內容之一。板柵設計的技術要求是保證板柵很好地完成附載活性物質和導引電流的作用[2]。大量研究結果表明，掌握板柵上電位及電流分布的規律，對于優化板柵設計具有重大的意義。可使板柵獲得更為均勻的電流分布，從而更充分地利用活性物質，降低了板柵合金的用量和板柵上的歐姆損耗，提高蓄電池放電時端電壓，這些都有助于蓄電池電性能提高[3,4]。本文通過建立鉛酸蓄電池單電池的有限元分析模型，計算分析了不同設計條件下板柵結構的電位分布，為鉛酸蓄電池的板柵優化設計提供了理論依據[5]。

1 分析模型

數學模型將板柵的每一條筋條看成一個有效電阻，電極的活性物質看成是由一個個電阻組成。正負極板均浸入稀硫酸溶液中，將硫酸溶液也看成是由一個個有效電阻并聯而成。正負板柵對應的節點通過硫酸的有效電阻連接。數值計算模型示意圖如圖1所示。板柵筋條、活性物質和硫酸的有效電阻分別用g、a、l表示。

根據Kirchhoff定律，對于任意相鄰的兩節點和，

研究采用通用有限元分析軟件ANSYS進行建模計算。

2 結果與討論

2.1 標準模型

首先分析了標準模型在30 A放電電流條件下正板柵和負板柵的電位分布，計算結果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可見，在30 A放電電流條件下，正板柵上的歐姆壓降為0.012049 V，負板柵上的歐姆壓降為0.011929 V。接下來將對不同板柵結構的情況進行分析計算。

圖2 正板柵電位分布

圖3 負板柵電位分布

2.2 改變板柵的高寬比

在板柵面積不變的情況下，板柵的高寬比對板柵上的電位分布有較大影響。計算了面積相等但高寬比不同的板柵上的電位分布（放電電流為30 A），計算結果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，當板柵的高寬比降低時，正板柵上的歐姆壓降為0.011652 V，負板柵上的歐姆壓降為0.011478 V，其值都比標準設計（正極0.012049 V，負極0.011929 V）有一定下降。板柵上的電位梯度較標準設計更為均勻（等值線的間距更為均勻），即電流分布更加均勻，這是因為高寬比的降低，使得板柵的高度降低和正負極極耳距離的增大，這將導致電流分布得更為均勻。因此，適當降低板柵的高寬比不僅有助于降低板柵的歐姆壓降，提高鉛酸電池的放電端電壓，而且有助于電流分布的均勻化，從而更充分地利用活性物質。

圖4 正板柵電位分布

圖5 負板柵電位分布

2.3 改變極耳的位置

極耳作為板柵電流的匯集點，其位置對于整個板柵的電位分布有很大影響。一般板柵的極耳位于板柵的左上角或右上角，通過將極耳的位置向板柵中部移動，對其電位分布進行了計算（放電電流為30 A），計算結果如圖6和圖7所示。由圖中可以看出，當極耳的位置向板柵中部移動后，正板柵上的歐姆壓降為0.00896 V，負板柵上的歐姆壓降為0.009616 V，其值都比標準設計（正極0.012049 V，負極0.011929 V）有明顯下降。因此，將極耳的位置向板柵中部移動，能有效降低板柵的歐姆壓降，從而提高鉛酸蓄電池的放電性能。

圖6 正板柵電位分布

圖7 負板柵電位分布

2.4 改變筋條的設計

標準模型中考慮了筋條數量的設計，即在板柵面積不變的情況下，增大了正板柵極耳附近的豎筋數量，并計算了板柵的電位分布。為了體現增加筋條數量的重要性，本研究計算了未在正板柵上增加豎筋情況下板柵的電位分布（放電電流為30 A），以同前面標準設計進行對比。如圖8和圖9所示為分析結果。由圖中可見，正板柵上的歐姆壓降為0.012672 V，負板柵上的歐姆壓降為0.011929 V。其正板柵上的歐姆壓降比標準設計（正極0.012049 V，負極0.011929 V）有一定提高，而負板柵上的歐姆壓降保持不變（因為負板柵結構不變）。因此，增加豎筋數量有助于減小板柵上的歐姆壓降，提高放電的端電壓。

3 結論

1）適當降低板柵的高寬比不僅有助于降低板柵的歐姆壓降，提高鉛酸蓄電池的放電端電壓，而且有助于電流分布的均勻化，從而更充分地利用活性物質；

2）極耳的位置對板柵的電位分布有較大影響，將極耳的位置向板柵中部移動，能有效降低板柵的歐姆壓降，從而提高鉛酸蓄電池的放電性能；

3）增加板柵的豎筋數量有助于減小板柵上的歐姆壓降，提高鉛酸蓄電池的放電端電壓。

圖8 正板柵電位分布

圖9 負板柵電位分布

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The Simulation Analysis of Lead-acid Batteries Grid Structure

Yang Mingguo1, Ding Gangqiang2

(1. Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2014）10-0049-03

2014-05-06

楊明國（1966-），男，高級工程師。研究方向：機電一體化。