12 V高功率铅酸蓄电池设计与探讨

苗壮，王金生

（山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 273100）

0 引言

目前，高功率蓄电池被广泛应用在通信基站、UPS 机房、大型数据中心等场所，在不间断电源UPS 中发挥着举足轻重的作用。2 V高功率电池由于可输出功率较大而受到市场青睐。它的端子一般位于电池顶部两侧，竖直向上。但是，这种结构设计对于大组并联安装使用维护不太方便，所以笔者探讨了12 V高功率铅酸蓄电池设计与开发，一般采用1×6结构和2×3结构，而且分别采用顶端子和前置端子[1]。尤其是，由于安装维护都是从电池前端进行的，前置端子设计方式使得安装、使用、维护、巡检更加方便，而且可采用柜式、架式或组合式等多种安装方式，提高了空间的利用率，节省了安装空间。另外，12 V高功率铅酸蓄电池具有更高的单格功率，而且重量比功率和体积比功率相比于传统铅酸蓄电池更高，在常用UPS中配置，可有效减少并联电池的数量，更适用于大型数据中心应用。

1 12 V高功率铅酸蓄电池设计

针对12 V高功率铅酸蓄电池的使用特点，主要从以下几个方面综合考虑：

1.1 高功率板栅设计

板栅作为铅膏的承载体，在蓄电池设计中起到至关重要的作用。针对高功率蓄电池短时高倍率放电的特点，需要适当提高板栅合金中锡的含量，提高板栅的耐腐蚀性能。并且，采用放射状筋条设计，使筋条分布更加科学合理，并适当增加主筋条数量并加粗，提高板栅的机械强度，提升筋条大电流承载能力，增加筋条与铅膏结合的有效面积，使其更有利于的电子的高效传导。另外，针对极耳部位，采用宽极耳设计，提高极耳焊接操作工艺性及电子导通能力。

1.2 高功率铅膏配方

采用传统铅膏配方已不足以满足蓄电池高功率性能要求，需要特殊设计，并且采用特殊的添加剂。文献中有硫酸钡、木素等材料提高蓄电池功率性能等方面的相关理论阐述。对于高功率蓄电池，笔者认为还应着重考虑几种添加剂的使用，比如：在铅膏配方中添加4BS晶种，保证蓄电池具有较长的循环寿命；适当添加硫酸亚锡，提高蓄电池高功率性能及充电接受能力；通过添加剂的合理搭配有效解决产品寿命及高功率性能的平衡。

炭材料的使用对蓄电池的高功率性能尤为关键。适当提高负极配方中炭材料的含量，可以有效地改善高倍率部分荷电态充放电循环下，极板活性物质中硫酸铅的积累，从而提高铅酸蓄电池在此应用场景下的循环寿命[2]。Masaaki Shiomi 对该现象的机理进行深入研究，并首次提出导电网络理论（见图1[3]）。他认为，负极中添加的炭材料在硫酸铅颗粒中间形成导电网络，从而使得负极板中的硫酸铅更容易被还原为铅。由于炭材料具有较高的比表面积，可有效分布于硫酸铅与硫酸铅晶粒之间，从而抑制因硫酸铅晶粒的长大效应造成的电池失效。同时，可增加铅膏的比表面积，提高蓄电池的充电接收能力。并且，在高倍率大电流放电时，炭材料因其优良的导电性能具有电容效应，可以有效地缓解大电流放电对铅膏结构带来的冲击，提升高功率性能。

图1 导电网络

1.3 极板设计

由蓄电池放电特性可知，蓄电池的放电过程，总是从极板表面向极板深处逐步进行的。放电一开始，活性物质表面及孔隙中的硫酸被消耗，硫酸浓度立即下降。然而，硫酸的扩散是缓慢过程，不能立即补偿放电过程中所消耗的硫酸，尤其是在高倍率放电时。若硫酸不能及时补充到极板活性物质及微孔处，会造成电池电压急剧下降，从而引起容量输出受限。因此，需要减小极板之间的距离，即减小极板面间距，所以增大反应表面积尤为重要。这样就需要将极板设计的更薄，即采用薄极板多片设计，增加正极板和负极板的数量，以此来提高功率放电性能，减小高倍率短时放电过程中浓差极化和电化学极化程度。

1.4 隔板选择

隔板是铅酸蓄电池的重要组成部分，被称为铅酸蓄电池的“第三极”[4]。AGM 电池通常采用的是玻璃纤维棉，主要有防止正负极板活性物质接触短路，提供氧复合通道，保持电解液等作用。高功率蓄电池对隔板的要求更加苛刻。一般需要选择较薄的隔板，因为隔板越薄，电阻就越小，从而可增强隔板中离子的传导能力。而且，隔板应具有优良的吸收电解液和保留电解液的能力，以便提高电解液的利用率。另外，隔板要具有较高的抗穿刺能力和湿态回弹率，一方面可以克服装配压力对隔板造成的冲击，另一方面在频繁高倍率放电时提高隔板使用寿命，降低由隔板湿态弹性失效造成的装配压力降低，从而影响高功率电池有效功率输出。

1.5 提高装配压力

提高极群的装配压力，保证隔板和极板的有效接触，有利于提高大倍率放电时硫酸的利用率。并且，提高装配压力可以抑制因频繁高倍率充放电造成的活性物质膨胀及泥化脱落，降低蓄电池的内阻，以此来提升蓄电池功率性能。笔者采用不同装配压力的12 V高功率蓄电池进行恒功率放电实验（放电到 1.67 V/单体），得到表1所示结果。

表1 不同装配压力下电池恒功率放电结果

从恒功率放电结果来看，装配压力增大后，蓄电池功率性能有所提升，但不能无限度地提高装配比，因为装配比过高，会造成极群入槽异常困难，而且注液的难度也会大大提升，甚至会出现注液无法达到极板底部，造成极板化成不良等副作用。经过验证，笔者认为高功率蓄电池装配压力应控制在18 %～25 %，不仅不影响装配工艺的可操作性，而且可以提升电池的功率性能，延长蓄电池的使用寿命。

1.6 饱和度控制

饱和度过高，影响电池中氧的再化合效率，间接影响铅酸蓄电池的寿命。饱和度过低，使氧化合速率增快。由于反应过程中放热，过快的氧气再化合速率会加速电解液的损失，甚至会引起蓄电池的热失控现象发生，造成极大的安全隐患，因此控制电池中的饱和度是铅酸蓄电池设计的一个重要因素。由于高功率蓄电池需要短时大倍率放电，过低的饱和度电解液不足以短时间内补充放电过程中硫酸的消耗，影响功率性能。但是，饱和度过高，会使充电效率降低，影响高功率电池的充电接收能力，从而影响高倍率循环性能。因此，一般高功率蓄电池饱和度控制在92 %～98 %为宜。

2 12 V高功率电池测试

结合以上设计要点，开发了12 V高功率铅酸蓄电池，目前已批量投产。笔者从批量化生产的电池中，随机抽取一组2只12 V高功率铅蓄电池，按照 YD/T 3427—2018标准中第7.24.2条验证其高倍率恒功率循环寿命。将电池串联，经完全充电后，在25 ℃±5 ℃环境中进行恒功率循环寿命实验。具体测试方法如下：①以700 W恒功率放电至电压1.67 V/单体，即整组终止电压为20.04 V；②以0.15C限流，在2.35 V/单体（即14.1 V/只，28.2 V/组）条件下恒压充电16 h；③重复步骤 ①～②进行循环，前15次放电时间不低于15 min，当放电时间低于12 min时结束实验；④ 实验结果应符合不小于 60 次的要求。

经过实验，所测电池前15次循环放电时间大于15 min，恒功率循环共进行 241 次，有效循环为240次，远远大于标准要求，见图 2。

图2 恒功率循环放电曲线（2只电池）

3 结束语

12 V高功率铅酸蓄电池设计开发是针对高倍率短时放电的需求。从板栅设计、铅膏配方、极板设计、隔板选择、装配压力、饱和度等因素综合考虑设计要点，并加强生产过程中的过程控制，提升产品均一性，以便能够保障电池的高功率放电性能、恒功率循环寿命及使用可靠性。