鉛酸蓄電池板柵結(jié)構(gòu)的模擬分析

楊明國(guó)，丁剛強(qiáng)

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鉛酸蓄電池板柵結(jié)構(gòu)的模擬分析

楊明國(guó)1，丁剛強(qiáng)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(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

鉛酸蓄電池的充放電過(guò)程中電流傳導(dǎo)主要依靠板柵來(lái)完成。板柵的形狀、外型尺寸和結(jié)構(gòu)是影響蓄電池性能的重要因素。通過(guò)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(shè)計(jì)對(duì)板柵的電位分布影響，最后得到適當(dāng)降低板柵的高寬比，極耳的位置向板柵中部移動(dòng)，增加板柵的豎筋數(shù)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(zhì)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(dǎo)引主要通過(guò)板柵來(lái)完成[1]，板柵的形狀、外型尺寸和結(jié)構(gòu)是影響蓄電池性能的重要因素。

鉛酸蓄電池的板柵設(shè)計(jì)是電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。板柵設(shè)計(jì)的技術(shù)要求是保證板柵很好地完成附載活性物質(zhì)和導(dǎo)引電流的作用[2]。大量研究結(jié)果表明，掌握板柵上電位及電流分布的規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化板柵設(shè)計(jì)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(zhì)，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(shí)端電壓，這些都有助于蓄電池電性能提高[3,4]。本文通過(guò)建立鉛酸蓄電池單電池的有限元分析模型，計(jì)算分析了不同設(shè)計(jì)條件下板柵結(jié)構(gòu)的電位分布，為鉛酸蓄電池的板柵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[5]。

1 分析模型

數(shù)學(xué)模型將板柵的每一條筋條看成一個(gè)有效電阻，電極的活性物質(zhì)看成是由一個(gè)個(gè)電阻組成。正負(fù)極板均浸入稀硫酸溶液中，將硫酸溶液也看成是由一個(gè)個(gè)有效電阻并聯(lián)而成。正負(fù)板柵對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)硫酸的有效電阻連接。數(shù)值計(jì)算模型示意圖如圖1所示。板柵筋條、活性物質(zhì)和硫酸的有效電阻分別用g、a、l表示。

根據(jù)Kirchhoff定律，對(duì)于任意相鄰的兩節(jié)點(diǎn)和，

研究采用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行建模計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模型

首先分析了標(biāo)準(zhǔn)模型在30 A放電電流條件下正板柵和負(fù)板柵的電位分布，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可見(jiàn)，在30 A放電電流條件下，正板柵上的歐姆壓降為0.012049 V，負(fù)板柵上的歐姆壓降為0.011929 V。接下來(lái)將對(duì)不同板柵結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2 正板柵電位分布

圖3 負(fù)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(duì)板柵上的電位分布有較大影響。計(jì)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(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)板柵的高寬比降低時(shí)，正板柵上的歐姆壓降為0.011652 V，負(fù)板柵上的歐姆壓降為0.011478 V，其值都比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（正極0.012049 V，負(fù)極0.011929 V）有一定下降。板柵上的電位梯度較標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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?yàn)楦邔挶鹊慕档停沟冒鍠诺母叨冉档秃驼?fù)極極耳距離的增大，這將導(dǎo)致電流分布得更為均勻。因此，適當(dāng)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(zhì)。

圖4 正板柵電位分布

圖5 負(fù)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(diǎn)，其位置對(duì)于整個(gè)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(guò)將極耳的位置向板柵中部移動(dòng)，對(duì)其電位分布進(jìn)行了計(jì)算（放電電流為30 A），計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖中可以看出，當(dāng)極耳的位置向板柵中部移動(dòng)后，正板柵上的歐姆壓降為0.00896 V，負(fù)板柵上的歐姆壓降為0.009616 V，其值都比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（正極0.012049 V，負(fù)極0.011929 V）有明顯下降。因此，將極耳的位置向板柵中部移動(dòng)，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(fù)板柵電位分布

2.4 改變筋條的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)模型中考慮了筋條數(shù)量的設(shè)計(jì)，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(shù)量，并計(jì)算了板柵的電位分布。為了體現(xiàn)增加筋條數(shù)量的重要性，本研究計(jì)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比。如圖8和圖9所示為分析結(jié)果。由圖中可見(jiàn)，正板柵上的歐姆壓降為0.012672 V，負(fù)板柵上的歐姆壓降為0.011929 V。其正板柵上的歐姆壓降比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（正極0.012049 V，負(fù)極0.011929 V）有一定提高，而負(fù)板柵上的歐姆壓降保持不變（因?yàn)樨?fù)板柵結(jié)構(gòu)不變）。因此，增加豎筋數(shù)量有助于減小板柵上的歐姆壓降，提高放電的端電壓。

3 結(jié)論

1）適當(dāng)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(zhì)；

2）極耳的位置對(duì)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(dòng)，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(shù)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(fù)板柵電位分布

[1] 朱松然. 蓄電池手冊(cè)[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2008.

[2] 胡俊梅, 郭永榔. 板柵電阻分布測(cè)量及其影響因素的分析[J]. 蓄電池, 2005,42(2): 84~97

[3] 吳敏, 王夢(mèng)陽(yáng). 試論鉛酸蓄電池板柵設(shè)計(jì)與制造結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)[J]. 電器工業(yè), 2007,7 (1): 56~59

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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(guó)（1966-），男，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)電一體化。