牵引用阀控式铅酸电池的研发

2021-07-10沈旭培方明学

电池 2021年3期

沈旭培,方明学,陈群

( 天能电池集团股份有限公司,浙江湖州 313100 )

清扫车、环卫车、旅游观光车和高空作业车等对电池的放电要求非常苛刻。这些车辆每天的正常工作时间约为5～7 h,平均放电深度均在80%以上,而高空作业车的升降系统和抓取系统会同时工作,耗电量更大。

近年来,环卫车和高空作业车基本已选用免维护阀控式铅酸(VRLA)电池取代燃油,清扫车和旅游观光车也由深循环型富液式牵引电池改用免维护VRLA 电池,以防止电解液渗漏,避免腐蚀车辆。早期使用的富液式牵引电池,多采用管式正极板[1],需要定期加水维护;而贫液式VRLA 电池有运输方便和免维护等优点,但对电池本身的要求更严格。如每逢夏季,电池在连续使用时,内部温度可达约65 ℃,使正极板栅电化学腐蚀速度、正极活性物质软化速度加快,电池鼓胀概率提高。

本文作者主要结合板栅、活性物质、外壳强度和使用环境等方面综合考虑,设计长寿命、牵引用VRLA 电池。

1 电池设计

1.1 极板设计

采用涂膏式极板制造的电池,几乎都存在正极活性物质软化脱落的问题[2],在高温环境和深放电条件下尤为明显。常规的动力电池,设计思路多以高容量为主,使车辆的续航里程增加,以保证在短时间内获得用户的好评,而电池使用寿命却要在相当长的一段时间内才能得以体现。常规的动力电池活性物质含量相对偏高,板栅质量相对偏低,栅格面积较大,在高温环境和高密度电解液条件下使用,板栅耐腐蚀性较差,正极活性物质也容易软化脱落。

重力浇铸的板栅存在以下缺点:纵筋条截面积大,导电性好;横筋条截面积小,耐腐蚀性不好;间距大,不利于活性物质的保持。基于此,采用以下方案设计DP-24.0-M 板栅:①板栅筋条质量增加20%～24%,以提高耐腐蚀性;②横筋条间距减小15%,并采用倒三角截面形状设计[见图1(a)],阻碍活性物质脱落;③采用近疏远密的纵筋条排布[见图1(b)],均衡活性物质利用率[3]。

图1 横筋条和板栅的设计图Fig.1 Design drawings of cross section bar and grid

据市场调研,MNE800FB/清扫车、MNH50 高压清洗车、ST4QY1500E 环卫车和J4045R 高空作业车等车辆均属于低速牵引车,对电池初期容量的要求相对较低,但由于车辆载重较大,对深放电的要求较高。为了保证电池的使用寿命,采用正极活性物质冗余8%、负极活性物质冗余5%、电解液密度由1.360 g/cm3调整至1.330 g/cm3和装配压强增加10～15 kPa 的设计方案。

1.2 外壳设计

在高温使用和内部压强的影响下,与极板平行的电池槽侧面容易鼓胀。这是动力VRLA 电池在使用过程中普遍发生的现象。若充电器使用不当或电池过充电,侧面鼓胀更为严重,甚至会导致电池槽粘连且不可复原。据清洁车和高空作业车用户反馈,在售后电池中,电池槽鼓胀的比例每年约有3.7%,尤其是夏季,可达到5.8%。

有鉴于此,本文作者采用侧面深藏式设计,即电池槽侧面预留约15～18 mm 的空间;采用拱形加强筋结构设计[4],利用球面受力分散和均衡的特点,消除电池内部压强产生的应力,以防止侧面鼓胀。拱形加强筋电池槽示意图见图2,成品电池示意图见图3。

据公司统计,采用该设计方案的以3-DF-260 型、4-DF-190 型和6-DF-140 型等为代表的数10 款电池,自2018 年至今,在市场上累计使用的约19.8 万只电池中,无一例鼓胀。

2 实验验证

取公司生产的采用DP-24.0-M 板栅与采用普通板栅的4-DF-190 型牵引电池各180 只,按每组9 只,分别安装在40辆72 V 电压系统的LQ-A19 型观光车上。在电池装车使用后的第8 个月至第20 个月进行售后跟踪,并对退回的电池进行解剖分析。板栅腐蚀的数据列于表1。

表1 板栅腐蚀时间统计表Table 1 Statistical table of grid corrosion time

对退回的电池进行解剖,分析可知:采用普通板栅的电池,从第8 个月开始连续出现板栅腐蚀现象,第11～13 个月尤为严重;采用DP-24.0-M 板栅的电池,从第13 个月才开始出现板栅腐蚀现象,腐蚀约延缓了5 个月,第20 个月后,仍有12 只电池在使用。这说明,使用DP-24.0-M 板栅和新外壳的电池,耐腐蚀性增强,使用寿命更长。