2V 高功率 VRLA 蓄電池（組）設(shè)計(jì)探討

韓二莎，郝國興，王麗齋，張彥杰，張麗芳，張旭東，陳志雪

（ 風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

隨著通訊行業(yè)的迅猛發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心持續(xù)建設(shè)，技術(shù)配備不斷更新?lián)Q代，對與之配套的后備電源也提出了更高的要求。同時(shí)，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，通訊行業(yè)陸續(xù)推出了節(jié)能環(huán)保的經(jīng)營模式。采用傳統(tǒng)的后備供電方式時(shí)，相同容量蓄電池輸出功率低，占用空間大，運(yùn)維成本較高，數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗系數(shù)（PUE）偏高。新備用電源供電模式只需提供短時(shí)間（如 15 min）的備電，不需要長時(shí)間供電，因而對備用蓄電池提出了高功率的要求。功率型系列電池以輸出功率高，占地面積小，電池成本和能耗小等特點(diǎn)，越來越受到通訊行業(yè)的青睞，成為現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心、UPS 系統(tǒng)的最佳選擇方案。

1 高功率蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)

由于高功率 VRLA 蓄電池用于通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心短時(shí)備電，放電倍率大于 1C10，備用時(shí)間一般為 15 min，所以電池 15 min 功率值成為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。2 V 高功率 VRLA 電池多成組使用，在數(shù)據(jù)相對重要的大型機(jī)房，成組電池只數(shù)較多，一般每組 120 只或 240 只，這樣就對電池一致性提出了更高的要求。在電池成組使用時(shí)，使用模式為電池高功率和大電流放電，為了提高安全可靠性，對電池連接條的溫升提出要求，即電池連接條的溫度應(yīng)不超過 80 ℃[1]。

2 電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 板柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

板柵是支撐活性物質(zhì)的承載體和傳輸電流的導(dǎo)電體，板柵參加電化學(xué)反應(yīng)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于活性物質(zhì)，導(dǎo)電能力卻明顯高于活性物質(zhì)。電流總是在板柵附近與電解液充分接觸的那部分活性物質(zhì)上優(yōu)先通過，因?yàn)樵撎庪娮枳钚?。?dǎo)電良好、結(jié)構(gòu)合理的板柵可使電流沿筋條均勻分布于活性物質(zhì)上，從而提高活性物質(zhì)的利用率，提高電池高倍率放電的性能[2]。由于高功率 VRLA 蓄電池 15 min 功率值為電池的主要參數(shù)，電池以 15I10～18I10漸變電流放電15 ～20 min，因此板柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)利于電流的傳導(dǎo)，并最大限度地降低電阻，保證電池大電流放電和減小電池放電過程中產(chǎn)生的熱量，以控制電池的溫升。板柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從如下幾個(gè)方面考慮：

⑴ 2 V 高功率電池和起動(dòng)型電池放電模式不盡相同：起動(dòng)型電池主要是瞬時(shí)大電流放電，放電持續(xù)時(shí)間較短，為幾秒或幾十秒；而功率型電池較大電流放電時(shí)間較長，一般為十幾分鐘。因此，要有足夠的導(dǎo)電面積承載電流，板柵大框厚度不宜過薄，同時(shí)考慮電阻、電解液滲透速度和活性物質(zhì)利用率等綜合因素，正板柵厚度一般可控制在 3.0～4.0 mm。

⑵ 高功率電池宜采用中間板耳設(shè)計(jì)，以便盡量保證極板左右兩側(cè)電流的均衡。根據(jù)電池裝配的實(shí)際情況，盡量使板耳位置靠近板柵寬度方向的中心，改善蓄電池工作時(shí)板柵對電流的均勻分布，提高大電流放電性能[3]。因?yàn)樾铍姵厥且暂^大電流較長時(shí)間放電，為提高可靠性，宜使板耳厚度與板柵大框保持相同的厚度，并適當(dāng)加大板耳的寬度，增大承載電流截面積，減小電流密度，控制電池放電溫升不致過高。

⑶ 設(shè)計(jì)板柵筋條時(shí)，增加利于電池導(dǎo)電性能的豎筋條的數(shù)量，即采用豎筋間距小、橫筋間距大的豎長矩形骨架結(jié)構(gòu)，排列密集的豎筋直接連接上下邊框，有利于電流的快速傳導(dǎo)。由于靠近板耳處電流密度高，且以板耳為中心呈扇形分布，故將位于板耳下部的豎筋加粗，設(shè)計(jì)為呈扇形分布的漸變筋，提高電池較大功率放電性能。通過大量實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出，2 V 高功率型電池相鄰兩條豎筋的間距a宜控制在 10～13 mm。根據(jù)電池放電電流密度分布的特點(diǎn)，可將橫筋間距設(shè)計(jì)成自上而下逐漸遞增的結(jié)構(gòu)，換句話說，就是靠近板耳處間距小，板柵中下部間距大，即b1＜b2原則?？拷宥幭噜彊M筋之間的間距b1可為 11～13 mm，b2可為 14～16 mm。實(shí)驗(yàn)證明，間距增大時(shí)，對電池的初期容量影響不大，但對電池的大電流放電性能、充電接受能力影響較大，因此中間間距不能增加太多。上邊框?qū)挾炔灰诉^窄，一般不低于 3 mm，并由兩側(cè)向板耳部位逐漸增大，利于提高電流承載能力。由于板柵的板面較大，設(shè)計(jì)出 1～2 條厚度與大框厚度相同的橫粗筋，利于涂板板面的平整，提高厚度一致性。板柵骨架結(jié)構(gòu)見圖 1。

圖1 板柵骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 隔板設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì) 2 V 高功率 VRLA 電池極群時(shí)，既要考慮板間距不易過大，否則影響電解液的擴(kuò)散，又要保證適當(dāng)?shù)母舭搴穸?，以供給電池大功率放電時(shí)所需的足量電解液，因此選用的 AGM 隔板厚度應(yīng)適中。為了提高隔板的回彈性，提高抗大電流擊穿和刺穿強(qiáng)度，可選用定量較高的 AGM 隔板。在濕態(tài)下，定量高的隔板加壓后形變量較小，回彈性好，可以很好地保證蓄電池的內(nèi)部壓力，保證蓄電池的性能。

2.3 電池外接極柱和連排設(shè)計(jì)

2.3.1 銅連排和鉛極柱設(shè)計(jì)

電池間的連排采用紫銅材質(zhì)，因紫銅的電阻低，導(dǎo)電性好。2 V 高功率 VRLA 電池的使用模式為 15 min 高功率放電，較長時(shí)間大電流放電，且成組使用（多為 120 只/組或 240 只/組）。為保證蓄電池組使用的安全可靠性，對電池外接極柱和電池間連排溫升提出較高的要求。在電池以I0.25（1.7C10）的電流連續(xù)放電至單體電池的平均電壓為 1.6 V 時(shí)終止這一過程中，連接條的表面溫度應(yīng) ≤80 ℃[1]，因此電池連接極柱和電池間連排要有足夠的導(dǎo)電截面積。

蓄電池在放電過程中連接條的溫升受諸多因素影響，如電池外接端子的截面積、連接條的截面積，及端子的平整度等。根據(jù)電阻發(fā)熱量的計(jì)算公式：Q=I2Rt，假設(shè)各元件的對流散熱之和為Q1，則有熱量Q2（Q2=Q-Q1）用于各原件溫升。溫升計(jì)算公式 ΔT=Q2/(cm)（c為比熱容，m為質(zhì)量），可見原件溫升與電流密度的平方正相關(guān)，即電流密度越高，產(chǎn)生的熱量就越大，（連排）溫升也越高。為了得到安全可行的連接極柱的電流密度IZ和連排的電流密度IP，進(jìn)行如下 2 項(xiàng)試驗(yàn)：

⑴ 對 6 只 2 V 600Ah 電池，采用不同導(dǎo)電截面積的連排連接（見圖 2），1020 A 定電流放電，分別測量各個(gè)連排的溫升數(shù)值。由表 1 可以看出，設(shè)計(jì)電池間連接連排時(shí)，考慮 5 %～10 % 的安全系數(shù)，連排的電流密度IP≤ 3 A/mm2較為安全，一般連排電流密度取值 2 A/mm2≤IP≤ 3 A/mm2為宜。

⑵ 對 6 只 2 V 600 Ah 電池（其中 3 只黑色電池的連接極柱最小外徑為 18 mm，3 只灰色電池的連接極柱最小外徑為 21 mm），采用相同的規(guī)格 5 mm×50 mm 的連排連接（見圖 3），1020 A定電流放電，分別測量各個(gè)連排的溫升數(shù)值。由表2 可以看出，為了控制連接條溫升，設(shè)計(jì)電池連接極柱時(shí)同樣考慮 5 %～10 % 的安全系數(shù)，極柱的電流密數(shù)值取IZ≤ 2 A/mm2較為安全，一般連接極柱電流密度取值 1.5 A/mm2≤IP≤ 2 A/mm2為宜。

圖3 2 種不同連接極柱蓄電池連接圖

表2 不同連接極柱2V600Ah電池組1020A放電連排溫度測試結(jié)果

2.3.2 連接極柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 V 系列 VRLA 電池一般為成組使用，多采用內(nèi)嵌銅芯端極柱，便于連接，且連接較牢固。為了適應(yīng) 2 V 系列功率型 VRLA 電池的大電流放電和溫升，要求連接面平整，銅芯鉛端子壁厚均勻，極柱物理缺陷少，以利于大電流的傳導(dǎo)，因此對連接極柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。連接極柱銅芯和端極柱鉛體構(gòu)成如圖 4 所示：1) 銅芯的上部裸露，并設(shè)有方便連接的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋孔，中下部鑄入端極柱鉛體內(nèi)；2) 端極柱鉛體的底部設(shè)有底座，根據(jù)電池放電過程電流逐漸向端極柱鉛體匯流的特點(diǎn)，極柱底座寬度由邊緣向中間逐漸增寬；3) 底座和鉛柱連接處設(shè)有過渡圓角，用于減小連接面的應(yīng)力；4) 端極柱鉛體的下部位設(shè)有內(nèi)凹的防燒燎槽，防止焊接時(shí)焊槍對端極柱鉛體根部的燒燎；5) 為使端極柱鉛體和電池匯流排鉛液更好地熔合，增加焊接牢固性，將底座設(shè)計(jì)為斜臺結(jié)構(gòu)；6) 極柱鉛體上部設(shè)有數(shù)個(gè)防轉(zhuǎn)凸臺，用于增大端極柱鉛體承載的扭矩[4]。電池正端子工序采用整體正端子工裝，以保證各極柱面平整一致。而且，在保證電池扭矩的前提下盡量選用直徑小的內(nèi)螺紋孔，以增大導(dǎo)電截面積。

圖4 連接極柱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖 5 所示，銅芯由導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好的黃銅材質(zhì)制成。并在銅芯上設(shè)計(jì)有特殊的防轉(zhuǎn)、防提拉、防松動(dòng)結(jié)構(gòu)。表面的滾花結(jié)構(gòu)用來提高銅芯和鉛極柱的結(jié)合力度，達(dá)到增大端極柱扭矩的目的。在冶制端極柱前，可采用蘸鑄焊液工藝，去除銅芯表面的氧化層，使銅芯和鉛柱結(jié)合得更加牢固。

圖5 新設(shè)計(jì)的連接極柱銅芯結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖

2.3.3 連排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足高功率電池大電流放電的要求，連排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：1) 選用安全的電流密度，設(shè)計(jì)連排規(guī)格；2) 適當(dāng)加大螺栓墊片的直徑，減小壓降；3) 在保證扭矩的前提下，盡量減小螺絲孔的直徑。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 6 所示。

圖6 高功率型連排和墊片

2.4 電池一致性

2 V 功率型 VRLA 電池多成組使用在數(shù)據(jù)相對重要的大型機(jī)房，且成組電池只數(shù)較多，目前普遍為 120 只/組或 240 只/組。一致性的好壞直接影響到電池組的循環(huán)使用壽命和電池的退返指標(biāo)，進(jìn)而影響機(jī)房備用電源的安全可靠性。

在電池化成結(jié)束前，對所有電池的酸量進(jìn)行逐只檢查，對于酸量過多或過少的電池做出標(biāo)識，以便單獨(dú)處理。電池化成工藝結(jié)束后，對每只電池在電路上進(jìn)行 10 小時(shí)率容量檢測，并逐只記錄電池放電終止電壓，按 ΔU＜ 0.05 V 電壓區(qū)間進(jìn)行電池配組，剔除容量不足、偏差較大的異常電池。將蓄電池靜置 7～10 d，再逐只測量電池的開路電壓，按 ΔU≤ 0.01 V 的配組電壓進(jìn)行整組電池配組打包。經(jīng)過以上幾道工序，保證了蓄電池組具有較高的一致性，成組驗(yàn)收取得了較好的效果。

3 結(jié)論

采用板耳下多豎筋漸變加強(qiáng)的板柵骨架結(jié)構(gòu)，合理選擇連排和連接極柱的電流密度，確保導(dǎo)電截面積；采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)的連排和內(nèi)嵌銅芯連接極柱等電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利于并提高電池高倍率放電性能；選用厚度適中的高定量 AGM 隔板，提高隔板的回彈性，提高抗大電流擊穿和刺穿強(qiáng)度；采用逐只在線容檢、酸量監(jiān)控措施、靜置后開路電壓配組等工藝控制，可以提高高功率電池組的一致性，提高安全系數(shù)。

[1]固定型閥控式鉛酸蓄電池: 第1部分 技術(shù)條件:GB/T 19638.1—2014[S].

[2]朱松然. 蓄電池手冊[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社,1998.

[3]沈旭培, 高根芳, 朱健, 等. 鉛酸蓄電池板柵正中極耳產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工藝的探討[J]. 蓄電池, 2015(3):138–141.

[4]風(fēng)帆有限責(zé)任公司. 一種功率型閥控鉛酸蓄電池外接端極柱: 201620646962.9[P]. 2016–12–21.