VRLA蓄电池的结构优化设计

　　张宾肖奕晖许卫疆朱纪凌刘业东深圳华达电源系统有限公司（深圳518067）阀等部件进行优化改进设计，并应用有限元法对电池槽、盖进行分析，优化设计出壁厚及结构合理的电池槽、盖，达到了延长电池使用寿命、确保电池可靠性的目的。

　　1前亩阀控式密封铅酸蓄电池由于其电性能好、少维护、无污染等特点而在通信、电力系统得到广泛应用，在使用过程中它也出现了一些问题：电池的正极伸长顶裂电池、电池漏液、容量下降、电池槽变形、电解液干涠、热失控等。这些问题不但与使用环境、维护情况有关，而且与电池的设计、制造水平和原材料的选择有着最直接的关系。因此，优化设计出结构合理的电池蓄电池生产有现实意义。

　　2板槲的优化设计阀控式密封铅酸蓄电池在使用过程中正极板由于发生化学反应，体积会增加，经过我们所做的加速寿命试验，以及对一些使用时间较长的阀控式密封铅酸蓄电池进行解剖，发现使用10年后正极板能伸长5%；以往电池板栅设计对防止正极板伸长考虑较少、或因结构复杂效果不理想，从而造成电池被顶裂的恶性事故。针对这一情况我们通过在正板栅底部增加“八”字型的支撑以吸收正极板的纵向伸长，该结构简单，且对涂裔、装配等工序无影响；板栅采用棱形截面筋条，增强活性物附着力，正板栅采用子母结构，即将整块板栅分i9块，形成多边框的结构，且竖筋的截面大于横筋的截面，既可以增加活性物质在极板中的比例、提高板栅的强度、有效地解决正板栅的氧化腐蚀问题，还可以提高极板的导电性，达到优化目的（见）。

　　板栅的结构电池槽、盖的优化设计阀控式密封铅酸蓄电池在充电过程中会产生气压，在电池槽、盖的设计时必须根据其变形来确定壁厚，如果壁厚过大，电池的散热性能不好，电池内部易出现高温，影响电池寿命，同时增大了注塑成型难度；电池壁厚过小，则电池易变形，因此优化设计出合理的电池槽、盖壁厚非常重要。经典力学无法准确描述电池槽盖的受力及变形情况，许多厂家根据经验加上实验方法来确定蓄电池槽、盖的壁厚，该方法设计周期长且不够准确，因此本文应用CAD/CAE技术，对材料为ABS的电池槽、盖建立了三维有限元计算模型，运用SUPERSAP软件对电池槽、盖进行强度计算，析了电池槽、盖的应力及变形情况，为电池的结构设计提供了理论根据。

　　3.1有限元分析模型为了便于建立有限元模型，本文对蓄电池作如下简化：（1）不考虑电池槽的过渡圆角；（2）将电池盖、电池槽视为整体，将电池盖简化为等壁厚的实体。

　　3.1.1计算模型的板壳单元。根据目前国产注塑机的注塑极限（8mm），初步确定电池槽厚为6.5~7mm，材料为台达5000ABS.以华达GFMD-300蓄电池为例，单元总数为2800，节点总数为2802（见）。

　　蓄电池通常立放（或卧放）于电池架或地面，在使用过程中，池槽盖不允许有移动和倾倒，因此与地面接触的各节点在X、"V、Z方向的位移为0. 3.1.3载荷处理阀控式密封铅酸蓄电池为密封结构，在充电状态下会析出氧气并在负极上产生氢气从而对电池槽、盖产生均布压力，该压力的大小由安全阀的开阀压力决定。以GFMD-300 330mmx7mm）蓄电池为例，分别加上10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa的均布内压，得到了蓄电池槽、盖的应力及变形情况。

　　3.2有限元计算结果有限元分析，以便通过计算不同内压下电池槽、盖的变形来确定其最佳壁厚，达到优化设计的目的。GFMI>300、GFMD-500两种型号电池槽的最大变形量和最大‘主应力分别为1.725mm、4.923mm、13.7MPa、18.56MPa.电池槽最大变形位于最大侧面的中间位置（见），电池盖的最大变形分别为0.67mm和0.93mm，因此电池盖的厚度可以比电池槽略小。

　　变形图（放大10倍）4安全阀的优化设计安全阀开阀压力对电池寿命有直接影响，开阀压力过小，会导致安全阀开启频繁，电他容易失水，开阀压力过大，会增大电池的压力，引起槽体变形。

　　目前常用的安全阀有胶帽式和柱塞式，胶帽式安全阀的开阀压力通常为1~ 20kPa，柱塞式安全阀的开阀压力通常为l~49kPa，根据有限元计算结果可知，对于GFMD500电池压力在30kPa时电池槽变形为小于3mm，肉眼不易看出，因此采用开阐压力较大的柱塞式安全阀，把安全阀开阀压力设为25~30kPa，可提篼蓄电池的寿命。另外，为使电池符合防爆要求，可加大滤酸片，并在滤酸片上面加一个刚玉帽（见），以达到分散氢气的目的。

　　槽壁厚是合理的。

　　从周5中可以看出，有限元分析的结果与实验5实验根据有限元的计算结果，我们确定了GFMD型电池槽、盖的壁厚及安全阀的压力，利用MDT软件进行三维造型设计，设计出GFMD型电池。并对电池槽、盖在常温条件下进行了加气压变形实验，结果如下：5.1电池槽、盖壁厚的设计与安全阀开阀压力有直接的关系，电池槽、盖的变形与压力呈线形关系；5.2电池槽所受的最大主应力远小于ABS材料的弯曲强度，因此，在电池槽设计时主要考虑变形问题；5.3在30kPa的内压条件下，6.5 6结论经过对板栅、槽、盖、安全阀、及压缩比、合金配方的优化改进设计，新型GmD200、GFMD300、GFMD500阀控式密封铅酸蓄电池于1999年1月研制成功，并于1999年4月开始进行电性能试验，试验证明GFMD型蓄电池在性能、可靠性等方面较以往产品有较大提篼。目前，该产品已批量生产并进行销售。