一種VRLA電池極群參數(shù)測(cè)試方法及應(yīng)用

王麗齋，田李燕，陳志雪，孫曉飛，溫少花， 趙從?。L(fēng)帆股份有限公司，河北 保定 071057）

一種VRLA電池極群參數(shù)測(cè)試方法及應(yīng)用

王麗齋，田李燕，陳志雪，孫曉飛，溫少花， 趙從印
（風(fēng)帆股份有限公司，河北 保定 071057）

摘要：在 VRLA 蓄電池的實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到 AGM 隔板不同而造成蓄電池性能變化的情況。本文分析了極群參數(shù)測(cè)試的必要性，設(shè)計(jì)了測(cè)試裝置和測(cè)試方法。通過實(shí)例證明，測(cè)試 VRLA 蓄電池極群參數(shù)對(duì)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：VRLA 電池；極群參數(shù)；AGM 隔板；飽和吸酸量；拉伸機(jī)；干/濕態(tài)壓力

0　前言

上世紀(jì) 90 年代開始，閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池在國(guó)內(nèi)迅速流行起來，尤其是在通信、鐵路、電子等行業(yè)逐步取代了傳統(tǒng)的富液式電池，為鉛酸蓄電池行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。 就像所有的工業(yè)產(chǎn)品一樣，閥控鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)也經(jīng)歷了從不成熟到成熟的發(fā)展階段。通過廣大從業(yè)人員的不斷努力，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、原材料純度、工藝布局、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制等進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，使閥控蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量不斷進(jìn)步，產(chǎn)品進(jìn)入了成熟穩(wěn)定、可規(guī)?；?、經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的階段。 但是在 VRLA 蓄電池的實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到下列問題：

（1）極群入槽時(shí)，實(shí)際裝配壓力與設(shè)計(jì)壓力不符；（2）更換不同廠家及不同批號(hào)隔板時(shí)，電池的裝配壓力發(fā)生明顯變化；（3）在灌酸時(shí)，實(shí)際灌酸量與設(shè)計(jì)酸量不符；（4）灌酸前后極群裝配壓力的變化數(shù)據(jù)不清晰；（5）設(shè)計(jì)的隔板厚度和酸量是否合適；等等。

因此，測(cè)試閥控式鉛酸蓄電池極群參數(shù)，特別是測(cè)試干濕態(tài)壓力變化，為生產(chǎn)提供參考是必要的。

1　測(cè)試原理

吸酸量的多少直接影響到蓄電池的電性能，隔板的吸酸值應(yīng)越大越好[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，細(xì)纖維含量高，漿液酸度低，烘干溫度低，能提高隔板的吸酸值，但可能造成強(qiáng)度降低。為此，選擇合適的吸酸值指標(biāo)對(duì)電池性能很重要[2]。VRLA 電池屬緊裝配電池，裝配壓力一般在 40～60 kg/dm2[3]，AGM 隔板在 VRLA 電池中處于壓縮狀態(tài)，因此，加壓吸酸量的測(cè)試很有實(shí)際意義。從吸酸量與壓縮率的關(guān)系可以看出，隔板的吸酸量是隨著其受壓狀態(tài)而變化的，壓縮率增大時(shí)其吸酸量相應(yīng)減少，呈非線性關(guān)系[4]。標(biāo)準(zhǔn) GB/ T 28535–2012 《鉛酸蓄電池隔板》對(duì)加壓吸酸量提出了要求，但對(duì)極群吸酸后的壓力變化缺乏規(guī)范。AGM 隔板是靠纖維材料相互搭接形成的（如圖 1），纖維結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較小。在壓力下纖維會(huì)發(fā)生一些位移，因此不同壓力下的隔板厚度會(huì)有明顯不同。由于玻璃纖維之間的結(jié)合力小，AGM 隔板吸收酸液后纖維發(fā)生松弛，表現(xiàn)為極群壓力的變小，而極群壓力的變化影響隔板與極板的接觸，對(duì)蓄電池的性能影響較大。

圖1　不同倍率的 AGM 隔板的 SEM 照片

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一套測(cè)量極群干態(tài)、濕態(tài)（加酸后）壓力變化的實(shí)驗(yàn)方法。試驗(yàn)是在拉伸機(jī)上完成的（見圖 2）。本拉伸機(jī)除具有拉伸功能外，還具有最大 2000 N 壓力的壓縮功能。由于拉伸機(jī)是一種精密設(shè)備，在試驗(yàn)過程中需要使用硫酸，因此在試驗(yàn)前，需要對(duì)拉伸機(jī)的主要部件、臺(tái)面進(jìn)行必要的保護(hù)，以免受到試驗(yàn)過程中濺出的酸滴、酸霧的腐蝕。

通過拉伸機(jī)對(duì)置于特制 ABS 塑料盒中的極群施壓，至單格厚度；加酸至飽和狀態(tài)，測(cè)量施壓過程中的壓力變化。根據(jù)測(cè)試結(jié)果推測(cè)電池組裝時(shí)的入槽壓力，確定極群入槽的可操作性，評(píng)判各批次隔板的穩(wěn)定性，評(píng)估成品電池中活性物質(zhì)所受的壓力，以預(yù)測(cè)電池性能；通過測(cè)定極群灌酸前后隔板的質(zhì)量變化，來計(jì)算隔板在壓力狀態(tài)下的吸酸量（加壓吸酸量[5]），為準(zhǔn)確計(jì)算單格灌酸量提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)于臥放電池，本實(shí)驗(yàn)方法誤差較小，對(duì)于正放電池，所測(cè)壓力含極群重量所產(chǎn)生的壓力，對(duì)壓力及隔板吸酸量的計(jì)算有一定影響。

圖2　本實(shí)驗(yàn)方案用到的拉伸機(jī)

2　測(cè)試過程

2.1工裝及設(shè)備

試驗(yàn)需要一臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)、一個(gè) ABS 塑料盒（長(zhǎng)度、寬度要大于極群尺寸 10 mm 以上，高度大于極群厚度 35 mm 以上，在側(cè)面底部打孔，安裝帶有截止閥的酸液排放管。）、兩片 15 mm 厚ABS 壓塊（壓塊施壓面積大于極板面積）、一把卡尺和一個(gè)鬧鐘。

2.2測(cè)量極群干態(tài)壓力

預(yù)先稱量好極群的質(zhì)量 m0和極群中隔板的質(zhì)量 m1，將極群疊好待測(cè)。圖 3 中極群壓縮試驗(yàn)裝置可根據(jù)所用極群大小更改，但極群大小不得超過拉伸機(jī)壓塊尺寸。在 ABS 塑料盒中先放入一片 ABS壓塊（下部壓塊），再放入要測(cè)試的極群， ABS壓塊、極群底部和一側(cè)面緊貼 ABS 塑料盒一角，要求極群完全在塑料墊板上，在極群正上方再放另一片 ABS 壓塊（上部壓塊），兩塊壓塊對(duì)齊，拉伸機(jī)以一定速度，緩慢將極群壓縮至規(guī)定的厚度（注意壓力不能超過試驗(yàn)機(jī)最大量程），讀取此時(shí)的峰值壓力 P1，隨后壓力值逐漸降低。1 min 后，壓力值趨于穩(wěn)定，記錄壓力值 P2。

圖3　極群壓縮試驗(yàn)裝置圖（1—拉伸機(jī)支架；2—上下壓塊；3—墊板；4—極群；5—塑料盒；6—酸液排放管；7—截止閥；8—拉伸機(jī)底座）

2.3測(cè)量極群過飽和態(tài)壓力

在塑料盒中加酸，并開始計(jì)時(shí)，要求在 2 min時(shí)間內(nèi)加酸至上部壓塊部分浸入酸中，液面不得超過上部壓塊上表面。之后酸液面持續(xù)下降，隨時(shí)注意液面變化并及時(shí)補(bǔ)液，確保上部壓塊 1/2 左右浸入酸中。7 min 時(shí)，壓力值趨于穩(wěn)定，記錄壓力值P3（極群處于過飽和狀態(tài)）。

2.4測(cè)量極群飽和態(tài)壓力

打開酸液排放管的截止閥閥門，將 ABS 塑料盒中的酸液排空，此時(shí)記錄酸液排空后的顯示壓力值 P4。

2.5測(cè)量并計(jì)算隔板在測(cè)定壓力下的吸酸量

操作拉伸機(jī)，回到零壓力狀態(tài)，移開上部壓塊，取出極群中的隔板，稱量其質(zhì)量 m2，計(jì)算出在 P4的壓力下極群的吸酸量（m2-m1）。

2.6計(jì)算不同狀態(tài)時(shí)的極群壓力

通過 P1、P2、P3、P4和極群面積 S 可定量計(jì)算不同狀態(tài)時(shí)的極群壓力。

3　應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

3.1應(yīng)用實(shí)例

使用厚度分別相同的正負(fù)的極板，正極板尺寸 147 mm ×131 mm×1.8 mm， 負(fù)極板尺寸 147 mm ×131 mm×1.4 mm；不同廠家的隔板，厚度為1.5 mm（10 kPa）。取 8 片正極板 9 片負(fù)極板組成三組樣品，每種隔板三個(gè)相同樣品，共 9 個(gè)極群，分別測(cè)量不同極群的干態(tài)壓力、過飽和壓力、飽和壓力，取平均值后作圖，見圖 4。同時(shí)測(cè)定了三家隔板的飽和吸酸量（表1），硫酸密度均為 1.275 g/cm3。

表1　三家隔板飽和吸酸量測(cè)定值

3.2結(jié)果分析

圖4 顯示，不同隔板的干態(tài)壓力、過飽和壓力、飽和壓力值有所不同。3# 隔板壓力最高，1#最低。表 1 表明三種隔板壓縮至相同厚度時(shí)，飽和吸酸量有所不同，2# 隔板的吸酸量最大。

圖4　不同隔板極群組在不同狀態(tài)下的壓力

AGM 隔板的成本是由玻璃纖維的成本決定的，甚至可以說成本是受玻璃纖維的粗細(xì)影響的，直徑越細(xì)，價(jià)格越高[6]。原因是纖維越細(xì)生產(chǎn)效率越低，耗能越高，而能源消耗是玻璃纖維成本的主要影響因素。對(duì)于 1# 隔板，粗纖維多，濕態(tài)壓力小，吸酸量低，綜合性能略差，但是價(jià)格便宜，適合低端電池使用。2# 隔板的濕態(tài)壓力較大，吸酸量大，細(xì)纖維多，成本略高，更適合長(zhǎng)時(shí)率放電使用，且對(duì)電池的循環(huán)壽命有一定幫助，因此更適合溫差很大，放電深度很低，幾乎沒有維護(hù)等惡劣條件下的野外使用電池。3# 隔板的濕態(tài)壓力最大，吸酸量適中，比較適合于動(dòng)力電池，當(dāng)然成本也不會(huì)很低。

4　結(jié)論

充分利用本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于 VRLA電池的設(shè)計(jì)、極群壓力抽樣檢查、隔板篩選具有實(shí)際意義。通過測(cè)量極群濕態(tài)壓力和吸酸量，可以篩選適合的隔板品種。通過抽檢極群壓力，判定隔板厚度偏差，提高電池的一致性，并對(duì) AGM隔板有更加直觀的評(píng)價(jià)。通過測(cè)量極群在一定壓力下的吸酸量，反過來驗(yàn)證吸酸量計(jì)算值，對(duì)于提高設(shè)計(jì)水平、減小計(jì)算與實(shí)際之間的偏差具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 陳體銜，鄭君銑，張瑞恩. 電池裝配壓力對(duì)玻璃纖維隔膜的影響[J]. 蓄電池, 1996(2): 10–12.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 28535–2012 鉛酸蓄電池隔板[S].

[5] 日捷蓄電池隔板有限公司. 氈型超細(xì)玻璃纖維隔板厚度、定量及吸酸量的測(cè)定[J]. 蓄電池, 1997(1): 10–14.

[6] 陳紅雨, 黃鎮(zhèn)澤.AGM 隔板的研究與應(yīng)用[J]. 蓄電池, 1996(2): 3–9.

A testing method of parameters of plate groups of VRLA batteries and its application

WANG Li-zhai, TIAN Li-yan, CHEN Zhi-xue, SUN Xiao-fei, WEN Shao-hua, ZHAO Cong-yin
(Fengfan Co., Ltd., Baoding Hebei 071057, China)

Abstract:It is often the case that the performance of VRLA batteries varies with different AGM separators during practical production. This paper analyzes the necessity of the testing for plate group parameters, and we specially designed testing devices and method. It is proved that the test of plate group parameters of VRLA batteries could improve the production in a certain sense of guidance.

Key words:VRLA battery; plate group parameter; AGM separator; saturated acid content; drawing machine; dry/wet pressure

中圖分類號(hào)：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1006-0847(2015)05-237-04

收稿日期：2015–05–25