阀控式铅酸电池电流的分解输出_沈旭培.pdf

第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:沈旭培(1982-),男,安徽人,天能电池集团股份有限公司高级工程师、高级工业设计师,研究方向:新能源电池技术、工业设计等,通信作者;刘红杰(1989-),女,浙江人,天能电池集团股份有限公司工程师,研究方向:新能源电池技术、项目管理等;郑承鸣(1993-),男,浙江人,天能电池集团股份有限公司工程师,研究方向:新能源电池技术、项目管理等。DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.02.014阀控式铅酸电池电流的分解输出沈旭培,刘红杰,郑承鸣(天能电池集团股份有限公司,浙江 湖州 313100)摘要:为确保阀控式铅酸(VRLA)电池的极柱在使用时不被熔断,采用分流式并联极柱设计。极柱所对应的端子分为圆柱铜芯式和直角铜环式两种,可将车辆中所用电器分散连接,使电流分解输出。在 450 A 电流持续放电过程中,控制电流通过极柱时所产生的温度不高于 105,既满足车辆工作要求,也确保了安全使用。关键词:阀控式铅酸(VRLA)电池;高空作业车;并联极柱;圆柱铜芯式;直角铜环式中图分类号:TM912.1 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)02-0184-03Decomposition output of current of valve regulated lead-acid batterySHEN Xu-pei,LIU Hong-jie,ZHENG Cheng-ming(Tianneng Battery Group Co.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang 313100,China)Abstract:In order to ensure that the pole of valve regulated lead-acid(VRLA)battery was not fused during use,a shunt parallel pole design was adopted.The terminals corresponding to the pole were divided into cylindrical copper core type and right angle copper ring type,which could connect the electrical appliances in the vehicle dispersedly to decompose and output the current.During the continuous discharge process of 450 A current,the temperature generated when the current passed through the pole was controlled to be no more than 105,which not only met the working requirements of the vehicle,but also ensured safe use.Key words:valve regulated lead-acid(VRLA)battery;aerial work platform;parallel pole;cylindrical copper core type;right angle copper ring type 高空作业车是一种运送工作人员和器材到空中作业的专用车辆,主要有平路行驶、车身旋转、高空取物和平台升降等作业系统。该类车辆的总功率高、放电电流大、工作时间长、强度高且负载重,需要深循环型的高容量电池才可满足使用要求。由于早期的富液式电池存在循环寿命短、需定期补水维护和电解液渗漏腐蚀车辆等问题1,近年来已基本选用免维护电池代替。本文作者根据高空作业车的配置参数和使用条件,设计一种可将电流分解输出的高功率阀控式铅酸(VRLA)电池,不仅从优化极板设计和提高电池容量的角度使上述问题得到改善,还通过对导体结构的设计,采用两种结构端子的配合使用,科学计算导体安全载流量,以确保车辆在大电流持续放电时,电池极柱的温度可得到控制,达到安全使用的目的。1 电池设计GKS28A 改进型伸缩臂式高空作业车2(杭州产),整车质量为 17 900 kg,安全工作载荷为 454 kg,电源电压为 48 V,平路行驶电机功率为 6.6 kW(两只 3.3 kW 并联)、车身旋转电机功率为 3.3 kW、平台升降电机功率为 3.8 kW,另有功率为 0.1 kW 的照明系统,整车总功率合计 13.8 kW。平均工作电流:平台升降 95 A(载荷时 120 A)、平路行驶 55 A、车身旋转 45 A。平均工作时间约为 6 h/d。对 VRLA 电池的使用要求:60 A 电流放电至单体电压1.70 V 的持续放电时间不短于 360 min(25 常态放电)、100 A 电流放电至单体电压 1.70 V 的持续放电时间不短于200 min(25 载荷放电)、450 A 电流放电至单体电压 1.70 V第 2 期沈旭培,等:阀控式铅酸电池电流的分解输出的持续放电时间不短于 20 min(25 高倍率放电)。经设计,采用8 只3-DF-380 型 VRLA 电池(湖州产,额定电压 6 V,5 h 率额定容量 380 Ah,外形尺寸:长 300 mm宽180 mm高 405 mm,总高 410 mm,参考质量 62.5 kg)串联,得到 48 V/380 Ah 电池组,可以满足车辆使用的要求。为保证电池高容量、高功率和安全载流量等特点,采用的 3-DF-380 型 VRLA 电池使用以下设计方案:在理论容量的基础上,增加 12%15%的活性物质量,以提高理论容量;电池单体内的正、负极板各增加 1 片,以增加 11%13%的反应物接触面积,同时实现高功率3;增加 25%32%的汇流排的截面积,以提高导体的安全载流量;采用分流式并联极柱设计(见图 1),极柱 A 即圆柱铜芯式4端子,极柱B 与直角铜环式5端子(见图 2)焊接,对车辆在极限工作(即所有电机同时运行)时所产生的总电流进行分解输出,可将电流通过极柱时所产生的温度控制在不超过 105。图 1 并联极柱示意图Fig.1 Schematic diagram of parallel pole图 2 直角铜环式端子示意图Fig.2 Schematic diagram of right angle copper ring terminal采用单只极柱加粗设计,可降低温度,但会导致电池盖结构变化,增大电池的尺寸。比较而言,分流式并联极柱充分利用了汇流排长度方向上的空间,增加了导体表面积,更有利于散热,能保证车辆在极限工作时,电池极柱不被熔断。当电流通过极柱时,所产生的焦耳热与温度情况如下。金属导体电阻 Ri的计算公式为6:Ri=LiSi(1)式(1)中:L、S 和 分别为金属导体的长度、截面积和电阻率;i 为极柱编号。金属导体产生的热量 Qi的计算公式为:Qi=I2Rt(2)式(2)中:I、t 分别为通过金属导体的电流、时间。吸热量 Qa的计算公式为7:Qa=cmi(i-0)(3)式(3)中:c 为金属比热容;mi为质量;0、i分别为吸热前、后的温度。已知铅的电阻率=2.0810-7 m8、比热容 c=0.13103 J/(kg )7、密度 Pb=11.34 g/cm3。采用分流式并联极柱设计:设计极柱 A 的长度 LA为35.0 mm,半径 12.5 mm,得极柱 A 的质量 mA=0.195 kg。设计极柱 B 的长度 LB为 26.0 mm,半径 10.2 mm,得极柱 B 的质量 mB=0.096 kg。由式(1)可得:RA=1.48 10-5、RB=1.66 10-5。在常温 0=25 的条件下,当极柱 A 通过 270 A 的电流32 min 时,由式(2)可得 QA=2 077 J,由式(3)可得 A=107.0;当极柱 B 通过 180 A 的电流 32 min 时,由式(2)可得 QB=1 030 J,由式(3)可得 B=107.2。采用单只极柱加粗设计:设计极柱 A1 的长度 LA1为35.0 mm,半径 16.1 mm,得到质量 mA1=0.323 kg。由式(1)可得 RA1=8.9410-6。在常温 0=25 的条件下,当极柱 A1 通过 450 A 的电流 32 min 时,由式(2)可得 QA1=3 478 J,由式(3)可得 A1=107.8。mA1与 mA+mB相比,用铅量增加 32 g,成本小幅增加;表面积减少 874 mm2,散热效果有所减弱。若将极柱 A 的半径由 12.5 mm 增加至 16.1 mm,将导致电池盖结构变化,电池外形尺寸增大,成本更多。综上所述,无论从成本角度还是散热角度,采用分流式并联极柱设计均优于单只极柱加粗设计。2 电池装配与电路连接3-DF-380 型 VRLA 电池采用并联极柱设计,圆柱铜芯式端子和直角铜环式端子组装。圆柱铜芯式端子直接引出电池盖,直角铜环式端子与引出的极柱焊接成型(见图 3),最后,用有机树脂密封。图 3 电池组装示意图Fig.3 Schematic diagram of battery assembly为了保障电池使用安全,将用电器分散连接,使电流分解输出。平路行驶和照明系统的连接导线与直角铜环式端子水平连接,车身旋转和平台升降的连接导线与圆柱铜芯式581电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷端子垂直连接。电池串联电路示意图见图 4。图 4 电池串联电路示意图Fig.4 Schematic diagram of battery series circuit3 实验验证选取 12 只 3-DF-380 型 VRLA 电池,采用数控智能型 C-XCF08-50 A/612 V 微电脑蓄电池容量及放电性能测试仪(张家港产)进行测试,电池检测的连接方式见图 5。图 5 电池检测连接示意图Fig.5 Schematic diagram of battery detection connection以 60 A、100 A 和 450 A 的电流对电池进行放电,平均放电时间分别为434.6 min、217.2 min 和31.9 min,详细数据如表 1 所示。表 1 VRLA 电池测试数据Table 1 Data of valve regulated lead-acid(VRLA)battery test放电电流/A放电时间/min1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号9 号10 号11 号12 号平均值60429.0433.5438.4429.4434.9433.7431.5438.8436.0439.3434.8436.2434.6100216.2214.5214.0219.4221.0219.3217.0212.8215.0222.5218.2217.0217.245031.030.831.532.433.231.833.032.032.130.531.833.031.9 在 450 A 电流放电实验中,用 FLUKE-TIS60 型红外线热成像测温仪(上海产,范围-20400)测量极柱的温度,112 号极柱的最高温度分别为 100.0、103.0、106.0、105.0、102.0、100.0、101.0、105.0、105.0、104.0、103.0 和 103.0,平均值为 103.1。4 结论高空作业车具有工作时间长、强度高和负载重等特点,所使用的电源必须提供充足的能量,才能保证车辆的正常运行,又因为工作电流大,所以对电源的安全使用也有严格的要求。本文作者设计的高功率 VRLA 电池,主要从提高电池容量、增加反应物接触面积、增加导体截面积和分流式