动力镍氢电池设计规范.doc

动力镍氢电池设计规范1、 适用范围本规范适用于常规应用的金属氢化物镍单体蓄电池的设计，包括结构设计、性能设计、成本设计和工艺设计等方面。参考标准：QC/T744-2006 电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池企业标准 动力（功率）型密封金属氢化物镍蓄电池（草案）2、 单体电池设计准则（1） 必须满足用户要求或相关标准；（2） 必须满足批量化生产要求；（3） 必须满足生产设备及工艺要求；（4） 在允许的尺寸、重量范围内进行结构和工艺设计，使其满足整机系统的用电要求；（5） 在满足性能的前提下，尽量降低成本。 3、 电池零部件的设计与选择电池零部件包括单体电池应用的金属部件和非金属部件等。零部件的设计与选择除特殊要求外，应选择标准件或通用件。3.1极柱的设计与选择3.1.1极柱材料 冷拉圆钢11-35/45 极柱表面应镀镍，镀镍层厚度为3050m3.1.2极柱结构采用双叉式极柱，极耳与极柱的连接采用点焊式连接方式。极耳和叉的重合面积应占极柱叉一个表面的70%以上。极柱两叉之间的距离应根据极组厚度进行设计，使极耳焊接后最外侧极片和中间极片的极耳受力、弯曲等一致。3.1.3极柱直径针对不同的应用和电池，选用不同直径的极柱，使用过程中各极柱承受的电流按如下选择：（材料为铁）直径（mm）容许电流（A）连续间歇最大（启动）M514154267M620220381M10566161067M12818911543M1411012102096M1614315732724容许电流的计算方法：2(C密度S2 T)/（ 电阻率t）C为材料比热，Fe为0.4501J/gK，Cu为0.378 J/gK；密度为材料密度，Fe为7.874g/cm3，Cu为8.96 g/cm3；S为极柱截面积，单位mm；T为要控制的温升（绝热条件），初步设定控制为50；电阻为材料电阻率，Fe为0.0978mm2/m，Cu为0.01637mm2/m；t为电流持续时间，连续按3600s计算，间歇按30s计算，启动按10s计算。3.1.4极柱高度根据电池选用的另部件（如绝缘垫、螺母、电池盖、红蓝垫圈、大垫圈、螺母等）以及电池组合应用的连接部件（垫圈、跨接片、螺母等）来确定极柱高度，电池模块组合后极柱不得高出组合用螺母上端2mm。3.2螺母的设计与选择螺母选择GB6173与极柱相配套的标准件。螺母表面应镀镍，镀镍层厚度为35m（不锈钢螺母不镀镍）3.3密封圈的设计与选择材料：三元乙丙橡胶EP35 或E740-75选用标准：a.12522h压缩永久变形小于20%；b.绝缘电阻500V大于2M；c.12070h耐碱测试总重量变化小于1%；d.硬度邵氏60-75度。压缩量：体积压缩比24-40%首先考虑选择标准件。3.4大垫圈的设计与选择极柱和螺母相配套。材料：冷轧钢板A-1.5/Q235A.F/不锈钢3.5绝缘垫的设计与选择材料：尼龙663.6红兰垫圈的设计与选择材料：尼龙66合金硬度：(尼龙的硬度无明确要求)3.7电池壳设计3.7.1材料壳体：不锈钢板A-0.6/0Cr18Ni9Ti底、盖：不锈钢板A-0.8/0Cr18Ni9Ti3.7.2耐压要求电池壳体在紧固结构下，可承受12atm不变形，产生永久畸变压力约30atm。3.7.3宽度和厚度设计根据目前已经基本形成系列的电池，除特殊应用和特殊设计外，电池壳体的厚度和宽度参照GB/T22084.2-2008标准执行。3.7.4电池壳体高度设计 根据电池极组高度以及采用的另部件高度（注意极组距壳底部间隙为1mm）等，设计电池壳体高度。在上述宽度和厚度限制下，壳体整体尺寸比例应美观、合理，高、宽比在1.22.0为宜。4、 电池设计4.1电池容量设计4.1.1电池需求容量设计电池需求容量为用户实际应用必须达到的容量，在设计时一般设计容量要大于实际需求的容量。C1= C0 K0C0为需求容量，C1为设计的需求容量（额定容量）。K0为安全系数，一般取1.11.2。C1计算好之后，可以从我们现有型号的电池中选择接近此容量的电池，避免重复设计或电池类型过多。4.1.2实际容量设计C2= C1 KC2为电池设计容量C2为设计的需求容量（电池额定容量）K为安全系数大于或等于45Ah，系数K为1.05小于45Ah，系数K为1.1。对于密封电池，负极设计容量是正极设计容量的1.41.6倍。4.2电池功率设计根据电池应用的充放电电流大小，选择电池是功率型还是容量型。正常应用连续放电电流或充电电流大于1C，可以选择按功率型电池设计；正常连续放电电流小于1C，最大充电电流小于1C，按容量型电池设计。4.3电池内压设计为确保电池正常工作且在非正常情况下的安全性，电池外壳上盖设有安全阀，安全阀开启压力为811atm。电池按标准充电制度进行充电，充满电后内压不得超过安全阀最低开启压力（8atm）限制。5、电极设计5.1电极宽度设计根据选择的电池壳体宽度确定电极宽度。电极宽度应比电池壳宽度小410mm。根据极组的高度及入壳难易情况适当调整电极宽度，电极高度较高（入壳难），可以选择较小的宽度，高度低的电极可以选择较大的宽度。5.2电极表面积设计根据用户需求的最大/连续充电或放电电流，以及一般情况下电极可承受的电流密度，来计算电极的总表面积。例如：对于功率型应用的镍电极来说，密度在3.03.6g/cm3，厚度在0.30.6mm，可承受的连续放电电流密度在6070mA/cm2左右，最大放电电流密度可达150200 mA/cm2左右；连续充电电流密度可达3035 mA/cm2左右。对于容量型应用的镍电极来说，密度在2.53.5g/cm3，厚度在0.51.0mm，可承受的连续放电电流密度在1520mA/cm2左右，最大放电电流密度可达5060 mA/cm2左右；连续充电电流密度可达1020 mA/cm2左右。 注意，电极的表面积为高度与宽度乘积的2倍。电流密度与采用的电极材料、配方（如导电剂添加量等）有关，加大导电剂含量、采用高密度泡沫镍等，可以提高电极电流密度。根据选择的电极电流密度，确定适用的电极厚度，然后计算电极总表面积，再根据上面确定的电极宽度计算电极高度。5.3电极极耳与引流条设计材料：为镍带或镀镍钢带（镀镍层厚度为13m），厚度为0.060.2mm，软态。根据电池应用电流要求及制作工艺要求，确定是否焊接引流条。引流条宽度为14mm。根据选用的极柱叉的宽度、极组厚度等，确定极耳的宽度和高度。极柱焊接后引流条边缘翘起后的尺寸不得超出极片与隔膜厚度之和。按常规应用电流进行充放电，保证电极表面各点电位差不大于8mV。5.4电极材料的选择必须选择满足技术条件要求的原材料。根据电池应用和设计要求，分别选用功率型或容量型原材料。 泡沫镍一般选择280500g/m2、90110PPI规格的，根据电极工艺情况，选择不同的厚度。在采用较大颗粒的材料时（如采用200目合金粉），需要采用较小PPI的泡沫镍。5.5电极配方设计与选择功率型电池，电极的混合粉中导电剂所占的比例较大，范围应控制在10%-15%。为提高电池的高温性能，正极可添加稀土金属氧化物，添加比例控制在0.5%-2.0%。可根据电池的设计成本及功率特性要求，适当选择镍粉的比例。电极配方设计必须综合考虑性能和成本。5.6电极容量与密度活性物质填充密度：正极2.8X 3.6g/cm3 ，负极5.0 Y 6.5g/cm3。容量型电池的电极较厚，填充密度一般较低；功率型电池的电极较薄，填充密度一般较高。为提高电极性能，需要有一定的剩余孔率，镍电极一般在1030%，贮氢电极一般在520%。6、极组设计6.1隔膜高度设计一般大电池可选择稍厚的隔膜,按照我们现有的工艺，隔膜厚度选择0.100.25mm。 隔膜袋的高度比极片高出110mm。6.2极组高度设计根据设计的极片高度、极耳设计等确定极组高度。电极高度h=H - h1H为电池壳体尺寸，参照国际电池标准推荐尺寸或根据用户要求限制的高度。h1为气室高度、顶盖及底翻边、顶盖和底厚度之和。一般取1050，以确保电池在充放过程中，有一个合理的内压，防止安全阀开启，产生漏气和漏液现象。6.3电池装配松紧度设计电极组的厚度=负极组的厚度+正极组的厚度+隔膜袋的厚度正极组的厚度=正极厚度*正电极片数负极组的厚度=负极厚度*(正电极片数 + 1)隔膜袋的厚度 =隔膜的厚度 * 2 *(正电极片数 +1 ) 厚度装配松紧度K2=电极组的厚度/电池厚度方向的内腔尺寸厚度装配松紧度K2,一般取值0.850.99。7、电解液设计除特殊应用外，采用KOH、NaOH和LiOH三元电解液，电解液密度为1.251.35g/cm3。功率型电池电解液添加量为极组重量（含隔膜、极耳）的1525%；容量型电池电解液添加量为极组重