阀控式铅酸动力电池装配压力的设计.pdf

交流与探讨2024 No.2 Vol.6197收稿日期：2023-10-09*通信作者阀控式铅酸动力电池装配压力的设计梅生猛，吴标*，缪春平，张旭，王晨浩（河南晶能电源有限公司，河南 孟州 454750）摘要：装配压力是阀控式铅酸动力电池制造工艺的重要参数之一。研究了装配压力对电池初期性能、电池储液量、开路电压、一次放电合格率的影响，以及循环过程中湿态压力的变化。结果表明，装配压力过高或过低都会对电池的性能产生影响。确定装配压力的一个合理范围，保持合适的压缩比，可以对电池的初期性能、电池储液量、开路电压、一次放电合格率有可靠保证。关键词：阀控式铅酸电池；动力电池；装配压力；储液量；开路电压；一次放电合格率中图分类号：TM 912.1文献标识码：B文章编号：1006-0847(2024)02-97-04Design of assembly pressure VRLA power batteryMEI Shengmeng,WU Biao*,MIAO Chunping,ZHANG Xu,WANG Chenhao(Henan Jingneng Power Supply Co.,Ltd.,Mengzhou Henan 454750,China)Abstract:Assembly pressure is one of the important parameters of valve-regulated lead-acid power battery manufacturing process.The effects of assembly pressure on the initial performance,liquid storage capacity,open circuit voltage,pass rate of primary discharge,and the change of wet pressure during the cycle were studied.The results show that too high or too low assembly pressure will affect the performance of the battery.To determine a reasonable range of assembly pressure and maintain a suitable compression ratio can guarantee the initial performance of the battery,the battery liquid storage,the open circuit voltage and the pass rate of a discharge.Keywords:valve-regulated lead-acid battery;power battery;assembly pressure;liquid storage capacity;open circuit voltage;pass rate of primary discharge0 引言装配压力是阀控式铅酸动力电池制造工艺的重要参数之一，在电池的生产过程中具有重要影响1。装配压力的大小是否在合理范围内，不仅会影响着电池的性能，而且也会影响正常的生产制造过程2-5。但是对于装配压力的合理范围众说纷纭，有些学者认为装配压力应被控制在 19.759.2 kPa6，而有些人认为装配压力应被控制在 2080 kPa7，还有的认为装配压力应被控制在 4060 kPa8。因此，笔者通过设计实验，收集数据，从多个方面、多个指标进行对比验证，以此来对装配压力的合理范围进行探究。1 实验在保持电池外形尺寸不变的情况下，装配压力与极板的厚度、数量，以及 AGM 隔板的厚度、压缩率、回弹性等有关。如果极板的厚度与数量一定，那么极群装配压力就与隔板的厚度、压缩率、回弹性密切相关。Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.6198在实际生产过程中，阀控式铅酸动力电池的装配压力主要是通过极板搭配不同厚度 AGM 隔板纸来进行调节的。但是，由于不同厂家生产 AGM 隔板纸的原料配比、执行标准及生产工艺有差别，即使使用厚度相同的隔板纸，装配压力也会有所不同。所以，在实验过程中，采取相同厂家不同厚度 AGM 隔板纸进行实验9。为了实验结果的准确性，使用同一生产批次极板作为正、中、边极板，并且控制极板厚度的误差值在（0 0.1）mm、重量的误差值在（0 0.3）g，组装统一型号的 6-DZF-20 阀控式铅酸动力电池。从电池初期性能、电池储液量、开路电压、一次放电合格率，以及循环过程中湿态压力的变化多方面进行对比，研究不同装配压力对电池性能的影响，以此来确定一个合理的装配压力范围。2 结果与分析2.1 隔板厚度对装配压力的影响由表 1 可以看出，阀控式铅酸动力电池的装配压力可以通过极板搭配不同厚度 AGM 隔板纸来进行调节。并且装配压力随着隔板厚度的变厚而增大。2.2 装配压力对电池储液量、开路电压、隔板含酸量、初始容量的影响由图 1 可以看出，装配压力影响着电池的储液量，并且随着装配压力的增大储液量呈减小趋势。由表 2 来看，装配压力在 3555 kPa 的范围内隔板含酸量呈上升趋势，装配压力超过 55 kPa 后隔板含酸量明显呈下降趋势。从开路电压和放电时间来看，装配压力在 3555 kPa 的范围内时差异不大。但是装配压力超过 55 kPa 后开路电压和放电时间呈下降趋势。尤其是当装配压力达到 65 kPa 时，电池的初始容量受到显著影响。而且，结合隔板含酸量变化可以看出，此时电池的化成效果也开始受到影响。但是，考虑到动力电池的使用工况，必须具有一定的装配压力才能满足对耐振动能力的要求。因此，从实验结果上看，4555 kPa 的装配压力是比较适中的。序号极群质量/g最大装配压力/kPa静置时装配压力/kPa隔板厚度/mm11 079.736.330.11.1821 080.547.944.71.2431 079.664.058.61.3441 077.872.566.01.36表 1 隔板厚度不同时装配压力图 1 不同装配压力放电时间和电池储液量2.3 装配压力对一次放电合格率的影响由图 2 可以看出，装配压力对一次放电合格率的影响非常显著。当装配压力小于 50 kPa 时，电池放电合格率的差异不大，而且一次放电合格率能稳定在 98%左右。当装配压力大于 50 kPa 时，一次放电合格率呈明显下降趋势。结合上述装配压力对隔板含酸量和电池初始容量的影响可以分析出，随着装配压力增大，已经开始影响到电池的化成，从而导致电池的初始容量低，表现出来就是一次放电合格率低。根本原因在于随着装配压力增加，极群与电池壳之间的压缩率越来越大。此时隔板的孔径、孔率都呈减小的趋势。当装配压力在 50 kPa 以下时，装配压力增大时隔板厚度也会增加，因此隔板总的孔率变化不大。再加上电池加酸后隔板由干储液量/交流与探讨2024 No.2 Vol.6199态转变为湿态后，装配压力缩小，对孔径孔率影响减小，并不会影响到电池的化成过程。所以，在装配压力在 50 kPa 以下时电池放电合格率的差异不大。然而，当装配压力增加到 50 kPa 以上时，若要再变大，隔板受到的挤压力就会更大。隔板里面短纤维受到挤压，导致隔板的孔径、孔率随着变化。当孔径减小到一定程度，就会影响到电解液里面的离子扩散，导致极板化成不均匀，初始容量不一致，从而影响电池的一次放电合格率10。2.4 循环对极板厚度及湿态压力的影响由表 3 和图 3 可以看出，在动力电池进行循环时，湿态装配压力大小是呈上升趋势的。与循环开始时（循环 0 次）相比，第 200 次循环时，湿态压力增长 1 倍，因此可以分析出在电池循环过程中极群是逐渐膨胀的。因此，在设计时应考虑到随着循环进行极群膨胀导致的电池的壳破裂的问题。测量完装配压力，为进一步探究产生湿态压力增大的原因，对循环过程中极板的厚度进行测量。由表 4 可以看出，随着动力电池循环，正板逐渐变厚，而中板和边板的厚度变化不大。结合表 3 可以分析出，在循环过程中湿态压力随着极板厚度增加而增大。2.5 装配压力对于生产的影响装配压力过大或过小不仅直接或间接影响电池性能，也会影响电池的生产制造过程。装配压力设表 2 不同装配压力下的电池储液量、酸含量、开路电压和放电时间序号装配压力/kPa电池储液量/g含酸量/%开路电压/V放电时间1351 38345.2813.271 h 56 min 20 s2451 37245.3613.281 h 56 min 20 s3551 36145.5013.261 h 56 min 10 s4651 35444.1213.251 h 54 min 20 s5751 35644.1913.201 h 53 min 50 s图 2 不同装配压力下的一次放电合格率图 3 循环过程湿态装配峰值与静置压力变化表 3 循环过程中湿态装配压力变化循环序次极群质量/g最大湿态压力/kPa静置时湿态压力/kPa0935.547.027.450930.556.738.4100921.857.540.5150919.958.144.4200923.271.955.4Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.61100计过大，不仅会加大极群入槽的难度，不利于生产制造的效率，而且容易出现下槽不良。装配压力设计过小时，极群占用电池壳空间较小，不利于化成后对电池余酸进行处理。电池内余酸过多也会影响到电池的循环寿命。结合动力电池的使用环境，车辆在行驶时会产生震动。如果装配压力过小，电池内部就会产生活动，不利于电池的循环寿命。3 结论装配压力过大会影响电池的储液量，严重的还会影响的电池的化成效果，从而影响到电池的容量和寿命，而且也不利于生产制造过程。装配压力过小会导致余酸抽不净，以及电池的抗震动能力下降。经过实验验证，装配压力在 4555 kPa 这一范围内时，初期性能、电池储液量、开路电压、一次放电合格率和耐振动性能都有很好的表现。参考文献：1 朱松然.蓄电池手册M.天津:天津大学出版社,1998.2 德切柯巴普洛夫.铅酸蓄电池科学与技术M.段喜春,苑松,译.北京:机械工业出版社,2015.3 国外铅酸蓄电池文献选编（三）C.王琰,译.沈阳:沈阳蓄电池研究所,2007.4 陈红雨,熊正林,李中奇.先进铅酸蓄电池制造工艺M.北京:化学工业出版社,2010.5 刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论M.北京:机械工业出版社,2008.6 柴树松,吴淳.压力对密封铅酸蓄电池性能的影响J.电池,1998(3):120122.7 陈体衔,郑君铣,张瑞恩.电池装配压力对玻璃纤维隔膜的影响J.蓄电池,1996(2):1012.8 曲经滨.电动车用阀控密闭铅酸蓄电池极群装配压力的研究J.电动自行车,2009(11):2628.9 倪君,周夏,宋德华,等.铅酸蓄电池 AGM 隔板研究综述J.蓄电池,2020,57(6):295298.DOI:10.16679/ki.21-1121.2020.06.012.10 孙廷猛,郭志刚,吴伟,等.装配压力对电动自行车用铅酸蓄电池的影响J.蓄电池,2018,55(6):261263.表 4 循环过程中极板厚度变化循环序次正板厚度/mm中板厚度/mm边板厚度/mm02.391.521.07502.581.440.931002.641.551.061502.941.471.142003.381.581.174 结束语对一款未知制式的充电器进行评估时,首先需获得其大致的充电曲线，从而分析出该制式的充电阶段与模式，然后再使用直流电子负载，通过模拟电池不同荷电状态、电流的输入信号和测试时间，让测试结果在最优的测试范围和最短时间内得到。测试时需要注意的是，充电器的特殊保护措施，如断电保护、开机保护、温度保护等。在检测中如果遇到类似情况，可通过复检、延长开机测试时间、降级检测等方法重新测试。特别是当充电器是依照某个标准制式进行测试时，每一个充电参数都须通过试验测得，不能以标准的参数值作为检测时的依据参数。参考文献：1 刘孝伟,周明明,周龙瑞.电动助力车用蓄电池充电器的改良J.蓄电池,2005(4):180182.2 肖莉,陈雪锋.蓄电池的种类与充电方法J.江西化工,2014(1):250252.3 WONG Y S,HURLEY W G,WOLFLE W H.Charge regimes for valve-regulated lead-acid batteries:Performance overview inclusive of temperature compensationJ.Journal of Power Sources,2008,783791.4 COLEMAN M,HURLEY W G,LEE C K.An improved battery characterization method using a two-pulse load testJ.IEEE Transaction On Energy Conversion,2008,23(2):708713.5 张毅,丁鼎.直流电子负载的工作原理及使用方法J.上海计量测试,2018,45(2):5455.(上接第 85 页)