CN112798964A - 一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法 - Google Patents
一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，所述方法首先制作两块分别用于测试正极和负极活性物质利用率的试验电池，并使用无限逼近法设置的放电功率对化成后的试验电池进行放电实验，找出放电时间16.5min时对应的放电功率值，再根据正、负极板涂膏量和正、负板数量，计算正、负极活性物质量，根据测试的放电功率值和放电容量，计算出正、负极活性物质利用率，进而计算出额定功率下放电需要的正、负铅膏量。本发明通过实验确定放电时间16.5min时对应的放电功率值，在此基础上计算出活性物质利用率，进而得到额定功率下放电需要的正、负铅膏量。该方法能确保蓄电池的放电时间符合标准要求，避免产品批量报废给企业造成经济损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，特别是一种15min功率铅蓄电池的设计方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着大数据、互联网+、云计算的迅猛发展，数据中心作为以上技术应用的核心基础配套设施，显现出了强劲的发展势头，越来越多的企业涉足数据中心领域，越来越多的大型数据中心相继建设投产。大量资金的投入以及关注度的显著提高，带动了相关技术产业的迅猛发展。电源系统自动化的发展、备用电源系统并机带载性能提高，为数据中心不间断电源系统后备电池时间的缩短提供了必要条件。高倍率电池作为适应短时间、大电流、持续放电应用场景的新产品，被引入到数据中心的建设之中。
在实际应用中，以BAT(百度、阿里、腾讯)为代表的大型互联网企业以及三大运营商通过长期的实践积累及专项研究，均已将蓄电池后备时间降到了15min(含)以下，因此研究设计符合15min率放电的电池是蓄电池生产企业亟待解决的问题。
采用传统方法设计蓄电池时，正、负铅膏量是按照额定功率乘以铅膏重量功率密度来计算的，一般正膏重量功率密度为3.82g/W(湿膏)、负膏重量功率密度为2.83g/W(湿膏)。如设计一个12V700W的电池，每单格需要的正膏量(湿膏)为：700×3.82＝2674g，负膏量(湿膏)为：700×2.83＝1981g。这种计算方法简单、快速，但欠准确，尤其是当铅粉中加入了新型材料，导致铅膏的粘度、针入度发生变化，为满足涂板要求需要对铅膏视密度进行调整时(增加或减少水的添加量)，按传统计算方法设计的电池，放电时间将出现一定偏差，偏差大小随视密度变化幅度而变化，当偏差过大，超过标准要求时(YD/T 3427-2018通信用高倍率阀控式密封铅酸蓄电池功率一致性要求：同组蓄电池以P15额定功率试验时，最大放电时间与最小放电时间差值应不大于8％)，整批产品就会报废，从而给企业造成较大的经济损失。因此寻求一种能够保证放电时间要求的通信用高倍率铅蓄电池的设计方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，以确保蓄电池的放电时间符合标准要求，防止产品批量报废给企业造成较大的经济损失。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，所述方法首先制作两块分别用于测试正极和负极活性物质利用率的试验电池，并使用无限逼近法设置的放电功率对化成后的试验电池进行放电实验，找出放电时间16.5min时对应的放电功率值，再根据正、负极板涂膏量和正、负板数量，计算正、负极活性物质量，根据测试的放电功率值和放电容量，计算出正、负极活性物质利用率，进而计算出额定功率下放电需要的正、负铅膏量。
上述通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，所述方法包括以下步骤：
a.制作用于测试正极活性物质利用率的试验电池：
蓄电池极群的两端均为负极板，负极活性物质和电解液过量，制作第一试验电池；
b.制作用于测试负极活性物质利用率的试验电池：
蓄电池极群的两端均为正极板，正极活性物质和电解液过量，制作第二试验电池；
c.测试各试验电池放电时间16.5min时对应的放电功率值：
对各试验电池进行化成，设定P15额定功率放电时间为16.5min，采用无限逼近法设置放电功率，利用放电器对各试验电池进行放电，找出放电时间16.5min时对应的功率值；
d.计算P15额定功率放电条件下的正极板活性物质利用率，即计算第一试验电池的正极活性物质利用率，计算过程如下：
①计算正极板正膏涂膏量：
正膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的正极板片数
②计算化成后正极活性物质量：
正极活性物质量＝正膏涂膏量×正板涂膏量转化为活性物质的比例系数
③计算化成后正极活性物质理论容量：
化成后正极活性物质理论容量＝正极活性物质量/正极活性物质电化当量
④计算正极活性物质利用率：
正极活性物质利用率＝放电容量/化成后正极活性物质理论容量
其中，放电容量为以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取的放电容量；
e.计算P15额定功率放电条件下的负极活性物质利用率，即计算第二试验电池的负极活性物质利用率，计算过程如下：
①计算负极板负膏涂膏量：
负膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的极板片数
②计算化成后负极活性物质量：
负极活性物质量＝负膏涂膏量×负板涂膏量转化为活性物质的比例系数
③计算化成后负极活性物质理论容量：
化成后负极活性物质理论容量＝负极活性物质量/负极活性物质电化当量
④计算负极活性物质利用率：
负极活性物质利用率＝放电容量/化成后负极活性物质理论容量
其中，放电容量为以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取的放电容量；
f.计算额定功率下放电需要的正、负铅膏量：
正膏量＝电池的放电容量×正极活性物质电化当量/正极活性物质利用率/正板涂膏量转化为活性物质的比例系数；
负膏量＝电池的放电容量×负极活性物质电化当量/负极活性物质利用率/负板涂膏量转化为活性物质的比例系数。
上述通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，测试各试验电池放电时间16.5min时对应的放电功率值时，采用无限逼近法设置放电功率的方法如下：
按照正膏3.82g/W、负膏2.83g/W计算出15min功率P，再按3％的偏差设置上限放电功率和下限放电功率，即上限放电功率＝103％P，下限放电功率＝97％P；
先以15min功率P放电至1.67V，记录放电时间，若放电时间小于16.5min，则按下限放电功率再次放电至1.67V，记录放电时间，如果仍然没有达到16.5min，则继续调整放电功率，调整幅度为1.5％，依此类推至放电时间达到16.5min，得到P15额定功率；若放电时间大于16.5min时，按上限放电功率再次放电至1.67V，记录放电时间，如果仍然没有达到16.5min，则继续调整放电功率，调整幅度为1.5％，至放电时间达到16.5min，得到P15额定功率。
本发明通过实验确定放电时间16.5min时对应的放电功率值，在此基础上计算出活性物质利用率，进而得到额定功率下放电需要的正、负铅膏量。该方法能确保蓄电池的放电时间符合标准要求，避免产品批量报废给企业造成经济损失。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是第一试验电池的极群结构示意图；
图2是第二试验电池的极群结构示意图。
图中各标号为：1、极柱，2、汇流排，3、负极板，4、隔板，5、正极板。
具体实施方式
本发明提供了一种用于通信用高倍率铅蓄电池15min功率设计方法，采用该方法，可准确设计额定功率下(15min功率)放电需要的正、负铅膏量，及15min功率裕量。
本发明设计了2个用于测试正极二氧化铅和负极铅利用率的实验，并使用无限逼近法设置放电功率，最终找出放电时间16.5min左右时对应的功率值，根据正、负板涂膏量和正、负板数量，计算正、负极活性物质(PAM、NAM)质量，根据测试的放电功率值和放电容量，计算出正、负铅膏利用率，进而计算出额定功率下放电需要的正、负铅膏量。
具体实施步骤如下：
蓄电池主要由绝缘外壳、电解液和极群构成，绝缘外壳设有多个容纳电解液的槽，每个槽中放入一个极群，极群是由正极板、负极板、隔板组成的，每片正极板和每片负极板均由隔板包封，包封后的正极板与负极板间隔叠放在一起，相同的极板之间通过汇流排连接，汇流排上设有极柱。极群中隔板的数量由极板数量决定，正、负极板的数量是由电池的容量或功率决定的。
正极板由正板栅和附着在其表面的活性物质构成，负极板由负板栅和附着在其表面的活性物质构成，活性物质是由涂覆在正、负板栅表面的铅膏通过化成过程转换而成的。化成之前的极板称为生板。
(1)制作用于测试正极活性物质利用率的蓄电池：
负极活性物质和电解液过量，所用正、负板栅尺寸为：148×158×1.5(mm)/1.2mm(高×宽×正板栅厚/负板栅厚)，适合的涂板厚度为：正生板厚＝正板栅厚+(0.3～0.5)mm,负生板厚＝负板栅厚+(0.2～0.4)mm,本实验正、负板栅双片涂膏量分别是：340g/大片、270g/大片，固化后正、负生极板厚度分别是：1.9mm、1.6mm。
市场上高倍率电池最小型号为230W左右，因此本实验的极群设计以接近230W电池为宜。通过简略计算，正、负极板数量分别是：正极板5片负极板6片，隔板厚度1.1mm(20kPa下)，隔板压缩率为18％,极群厚度是38.9mm，极群铸焊后入槽、槽盖粘接、封端子、灌酸，标记为第一试验电池(即用于测试正极活性物质利用率的蓄电池)。
(2)制作用于测试负极活性物质利用率的蓄电池：
正极活性物质和电解液过量，本实验正、负板栅双片涂膏量分别是：360g/大片、260g/大片，固化后正、负生极板厚度分别是：2.0mm、1.55mm。本实验的极群设计以接近230W电池为宜，通过简略计算，正、负极板数量分别是：正极板6片负极板5片，隔板厚度1.1mm(20kPa下)，隔板压缩率为18％,极群厚度是39.6mm，极群铸焊后入槽、槽盖粘接、封端子、灌酸，标记为第二试验电池(即用于测试负极活性物质利用率的蓄电池)。测试各试验电池放电时间16.5min时对应的放电功率值：
根据正板涂膏量计算充电量，充电量按照600Ah/kg铅膏计算，第一试验电池的充电量为：340/2×5×600/1000＝510Ah，第二试验电池的充电量为：360/2×6×600/1000＝648Ah，按常规电池化成方法化成，化成后在标准温度(25℃)实验室测试15min功率放电，依据YD/T 3427-2018通信用高倍率阀控式密封铅酸蓄电池和高功率阀控式铅酸蓄电池中国移动通信企业标准要求：放电终止电压1.67V，放电时间大于15min，同组蓄电池15min恒功率放电偏差不大于8％。设定P15额定功率放电时间为16.5min，测试所用设备为2V500A大电流放电器。
放电功率的设置采用无限逼近法，最终找出放电时间16.5min时对应的功率值：传统15min功率计算法中按照正膏3.82g/W、负膏2.83g/W计算，经计算第一试验电池的15min功率P是222W，偏差按3％设置,上下限放电功率分别是229W、215W。
先以222W放电至1.67V，记录放电时间，当小于16.5min时，按下限放电功率215W再次放电至1.67V，记录放电时间，当大于16.5min时，按上限放电功率229W再次放电至1.67V，记录放电时间，如果仍然没有达到16.5min，则继续调整功率，调整幅度为1.5％，至放电时间达到16.5min时的功率值为P15额定功率，本实验测得放电16.5min时的功率值为223W。
同样的，设置第二试验电池的15min功率P及上下限放电功率，分别是230W、237W、223W，根据实际放电时间调整功率值大小，再次放电，直至放电时间达到16.5min时的功率值为P15额定功率，本实验测得放电16.5min时的功率值为232W。
(4)计算P15额定功率放电条件下的正极活性物质利用率
根据正极板涂膏量和正极板数量，计算正极活性物质量，根据测试的15min率放电功率值和放电容量，计算第一试验电池的正极活性物质利用率，计算过程如下：
a.正膏涂膏量计算公式：
正膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的正极板片数
340g/2×5片＝850g(340为双片膏量，计算时除以2)，
b.化成后正极活性物质量计算公式：
正极活性物质量＝正膏涂膏量×正板涂膏量转化为活性物质的比例系数
(正板涂膏量转化为活性物质的比例系数与铅膏配方中的液体添加量有关，一般取0.9)
850×0.9＝765g(0.9为正板涂膏量转化为活性物质的比例)，
c.化成后正极活性物质理论容量：
化成后正极活性物质理论容量＝正极活性物质量/正极活性物质电化当量
(正极活性物质电化当量为4.46g/Ah)
765g/4.46g/Ah＝171.5Ah
d.正极活性物质利用率计算：
正极活性物质利用率＝放电容量/化成后正极活性物质理论容量
以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取放电容量为33.1Ah，计算正极活性物质利用率为：33.1Ah/171.5Ah＝19.3％
(5)计算P15额定功率放电条件下的负极活性物质利用率
根据负极板涂膏量和负板数量，计算负极活性物质量，根据测试的15min率放电功率值和放电容量，计算第二试验电池负极活性物质利用率，计算过程如下：
a.第二试验电池负膏涂膏量计算公式：
负膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的极板片数
260g/2×5片＝650g(260为双片膏量，计算时除以2)，
b.化成后负极活性物质量计算公式：
负极活性物质量＝负膏涂膏量×负板涂膏量转化为活性物质的比例系数
(负板涂膏量转化为活性物质的比例系数与铅膏配方中的液体添加量有关，一般取0.8)
650×0.8＝520g(0.8为负板涂膏量转化为活性物质的比例)，
c.化成后负极活性物质理论容量：
化成后负极活性物质理论容量＝负极活性物质量/负极活性物质电化当量
(负极活性物质电化当量为3.87g/Ah)
520g/3.87g/Ah＝134.4Ah
d.负极活性物质利用率计算：
负极活性物质利用率＝放电容量/化成后负极活性物质理论容量
以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取的放电容量为34.5Ah，计算负极活性物质利用率为：34.5Ah/134.4Ah＝25.7％
(6)以6-GFMHR-390W电池为例，设计涂膏量过程如下：
正膏量＝电池的放电容量×正极活性物质电化当量/正极活性物质利用率/正板涂膏量转化为活性物质的比例系数
负膏量＝电池的放电容量×负极活性物质电化当量/负极活性物质利用率/负板涂膏量转化为活性物质的比例系数
从放电器上读取390W电池放电16.5min时的放电容量为56.9Ah，计算所需正膏量为：
56.9×4.46/19.3％/0.9＝1461g
其中，56.9:390W电池放电16.5min时的放电容量
4.46:正极活性物质电化当量
19.3％:15min率电池的正极活性物质利用率
0.9：活性物质转化为正板涂膏量的比例
负膏量为：
56.9×3.87/25.7％/0.8＝1071g
其中，56.9:390W电池放电16.5min时的放电容量
3.87:负极活性物质电化当量
25.7％:15min率电池的负极活性物质利用率
0.8：活性物质转化为负板涂膏量的比例
市场上6-GFMHR-390W电池的通用外形尺寸是：331×174×216×222mm(长×宽×高×总高)，电池中格宽度是50.5mm，为达到高倍率及长循环寿命的要求，极群设计为正8负7片结构，正负板大片涂膏量分别是：
正板涂膏量：1461/8＝183g/小片＝366g/大片
负板涂膏量：1071/7＝153g/小片＝306g/大片。
Claims (3)
1.一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，其特征是，所述方法首先制作两块分别用于测试正极和负极活性物质利用率的试验电池，并使用无限逼近法设置的放电功率对化成后的试验电池进行放电实验，找出放电时间16.5min时对应的放电功率值，再根据正、负极板涂膏量和正、负板数量，计算正、负极活性物质量，根据测试的放电功率值和放电容量，计算出正、负极活性物质利用率，进而计算出额定功率下放电需要的正、负铅膏量。
2.根据权利要求1所述的一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
a.制作用于测试正极活性物质利用率的试验电池：
蓄电池极群的两端均为负极板，负极活性物质和电解液过量，制作第一试验电池；
b.制作用于测试负极活性物质利用率的试验电池：
蓄电池极群的两端均为正极板，正极活性物质和电解液过量，制作第二试验电池；
c.测试各试验电池放电时间16.5min时对应的放电功率值：
对各试验电池进行化成，设定P15额定功率放电时间为16.5min，采用无限逼近法设置放电功率，利用放电器对各试验电池进行放电，找出放电时间16.5min时对应的功率值；
d.计算P15额定功率放电条件下的正极板活性物质利用率，即计算第一试验电池的正极活性物质利用率，计算过程如下：
①计算正极板正膏涂膏量：
正膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的正极板片数
②计算化成后正极活性物质量：
正极活性物质量＝正膏涂膏量×正板涂膏量转化为活性物质的比例系数
③计算化成后正极活性物质理论容量：
化成后正极活性物质理论容量＝正极活性物质量/正极活性物质电化当量
④计算正极活性物质利用率：
正极活性物质利用率＝放电容量/化成后正极活性物质理论容量
其中，放电容量为以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取的放电容量；
e.计算P15额定功率放电条件下的负极活性物质利用率，即计算第二试验电池的负极活性物质利用率，计算过程如下：
①计算负极板负膏涂膏量：
负膏涂膏量＝双片膏量/2×每极群的极板片数
②计算化成后负极活性物质量：
负极活性物质量＝负膏涂膏量×负板涂膏量转化为活性物质的比例系数
③计算化成后负极活性物质理论容量：
化成后负极活性物质理论容量＝负极活性物质量/负极活性物质电化当量
④计算负极活性物质利用率：
负极活性物质利用率＝放电容量/化成后负极活性物质理论容量
其中，放电容量为以放电时间16.5min时对应的功率放电时，从放电器上读取的放电容量；
f.计算额定功率下放电需要的正、负铅膏量：
正膏量＝电池的放电容量×正极活性物质电化当量/正极活性物质利用率/正板涂膏量转化为活性物质的比例系数；
负膏量＝电池的放电容量×负极活性物质电化当量/负极活性物质利用率/负板涂膏量转化为活性物质的比例系数。
3.根据权利要求2所述的一种通信用高倍率铅蓄电池的设计方法，其特征是，测试各试验电池放电时间16.5min时对应的放电功率值时，采用无限逼近法设置放电功率的方法如下：
按照正膏3.82g/W、负膏2.83g/W计算出15min功率P，再按3％的偏差设置上限放电功率和下限放电功率，即上限放电功率＝103％P，下限放电功率＝97％P；
先以15min功率P放电至1.67V，记录放电时间，若放电时间小于16.5min，则按下限放电功率再次放电至1.67V，记录放电时间，如果仍然没有达到16.5min，则继续调整放电功率，调整幅度为1.5％，至放电时间达到16.5min，得到P15额定功率；若放电时间大于16.5min时，按上限放电功率再次放电至1.67V，记录放电时间，如果仍然没有达到16.5min，则继续调整放电功率，调整幅度为1.5％，至放电时间达到16.5min，得到P15额定功率。
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