铅酸蓄电池板栅结构的模拟分析

杨明国，丁刚强



铅酸蓄电池板栅结构的模拟分析

杨明国1，丁刚强2

（1. 海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

铅酸蓄电池的充放电过程中电流传导主要依靠板栅来完成。板栅的形状、外型尺寸和结构是影响蓄电池性能的重要因素。通过建立铅酸蓄电池单电池的有限元分析模型，分析了板栅的高宽比，极耳的位置，筋条的设计对板栅的电位分布影响，最后得到适当降低板栅的高宽比，极耳的位置向板栅中部移动，增加板栅的竖筋数量有助于降低欧姆压降。

铅酸蓄电池 板栅 模拟

0 引言

板栅是电极活性物质的集流体和载体。它在蓄电池中占到20 %～30 %的成本。铅酸蓄电池的充放电电流导引主要通过板栅来完成[1]，板栅的形状、外型尺寸和结构是影响蓄电池性能的重要因素。

铅酸蓄电池的板栅设计是电池优化设计的重要内容之一。板栅设计的技术要求是保证板栅很好地完成附载活性物质和导引电流的作用[2]。大量研究结果表明，掌握板栅上电位及电流分布的规律，对于优化板栅设计具有重大的意义。可使板栅获得更为均匀的电流分布，从而更充分地利用活性物质，降低了板栅合金的用量和板栅上的欧姆损耗，提高蓄电池放电时端电压，这些都有助于蓄电池电性能提高[3,4]。本文通过建立铅酸蓄电池单电池的有限元分析模型，计算分析了不同设计条件下板栅结构的电位分布，为铅酸蓄电池的板栅优化设计提供了理论依据[5]。

1 分析模型

数学模型将板栅的每一条筋条看成一个有效电阻，电极的活性物质看成是由一个个电阻组成。正负极板均浸入稀硫酸溶液中，将硫酸溶液也看成是由一个个有效电阻并联而成。正负板栅对应的节点通过硫酸的有效电阻连接。数值计算模型示意图如图1所示。板栅筋条、活性物质和硫酸的有效电阻分别用g、a、l表示。

根据Kirchhoff定律，对于任意相邻的两节点和，

研究采用通用有限元分析软件ANSYS进行建模计算。

2 结果与讨论

2.1 标准模型

首先分析了标准模型在30 A放电电流条件下正板栅和负板栅的电位分布，计算结果如图2和图3所示。由图2和图3可见，在30 A放电电流条件下，正板栅上的欧姆压降为0.012049 V，负板栅上的欧姆压降为0.011929 V。接下来将对不同板栅结构的情况进行分析计算。

图2 正板栅电位分布

图3 负板栅电位分布

2.2 改变板栅的高宽比

在板栅面积不变的情况下，板栅的高宽比对板栅上的电位分布有较大影响。计算了面积相等但高宽比不同的板栅上的电位分布（放电电流为30 A），计算结果如图4和图5所示。从图中可以看出，当板栅的高宽比降低时，正板栅上的欧姆压降为0.011652 V，负板栅上的欧姆压降为0.011478 V，其值都比标准设计（正极0.012049 V，负极0.011929 V）有一定下降。板栅上的电位梯度较标准设计更为均匀（等值线的间距更为均匀），即电流分布更加均匀，这是因为高宽比的降低，使得板栅的高度降低和正负极极耳距离的增大，这将导致电流分布得更为均匀。因此，适当降低板栅的高宽比不仅有助于降低板栅的欧姆压降，提高铅酸电池的放电端电压，而且有助于电流分布的均匀化，从而更充分地利用活性物质。

图4 正板栅电位分布

图5 负板栅电位分布

2.3 改变极耳的位置

极耳作为板栅电流的汇集点，其位置对于整个板栅的电位分布有很大影响。一般板栅的极耳位于板栅的左上角或右上角，通过将极耳的位置向板栅中部移动，对其电位分布进行了计算（放电电流为30 A），计算结果如图6和图7所示。由图中可以看出，当极耳的位置向板栅中部移动后，正板栅上的欧姆压降为0.00896 V，负板栅上的欧姆压降为0.009616 V，其值都比标准设计（正极0.012049 V，负极0.011929 V）有明显下降。因此，将极耳的位置向板栅中部移动，能有效降低板栅的欧姆压降，从而提高铅酸蓄电池的放电性能。

图6 正板栅电位分布

图7 负板栅电位分布

2.4 改变筋条的设计

标准模型中考虑了筋条数量的设计，即在板栅面积不变的情况下，增大了正板栅极耳附近的竖筋数量，并计算了板栅的电位分布。为了体现增加筋条数量的重要性，本研究计算了未在正板栅上增加竖筋情况下板栅的电位分布（放电电流为30 A），以同前面标准设计进行对比。如图8和图9所示为分析结果。由图中可见，正板栅上的欧姆压降为0.012672 V，负板栅上的欧姆压降为0.011929 V。其正板栅上的欧姆压降比标准设计（正极0.012049 V，负极0.011929 V）有一定提高，而负板栅上的欧姆压降保持不变（因为负板栅结构不变）。因此，增加竖筋数量有助于减小板栅上的欧姆压降，提高放电的端电压。

3 结论

1）适当降低板栅的高宽比不仅有助于降低板栅的欧姆压降，提高铅酸蓄电池的放电端电压，而且有助于电流分布的均匀化，从而更充分地利用活性物质；

2）极耳的位置对板栅的电位分布有较大影响，将极耳的位置向板栅中部移动，能有效降低板栅的欧姆压降，从而提高铅酸蓄电池的放电性能；

3）增加板栅的竖筋数量有助于减小板栅上的欧姆压降，提高铅酸蓄电池的放电端电压。

图8 正板栅电位分布

图9 负板栅电位分布

[1] 朱松然. 蓄电池手册[M]. 天津: 天津大学出版社, 2008.

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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

杨明国（1966-），男，高级工程师。研究方向：机电一体化。