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      2V大容量高功率铅酸电池的设计探讨

      来源:《数据中心建设+》杂志 作者:卧龙电气集团浙江灯塔电源公司 任栩杰 更新时间:2022/12/9 7:40:57

      摘要:通信行业的快速发展和大型数据中心的建设对铅酸蓄电池的高倍率放电性能提出了更高的要求,为此开发大容量高功率铅酸蓄电池势在必行。基于数据中心对高功率铅酸蓄电池高倍率放电特性、电池放电可靠性高等要求,从板栅、极柱结构、电池结构设计等几个方面,对2V大容量高功率铅酸蓄电池的设计进行了探讨。

      随着近年来通讯行业的快速发展,特别是4G、5G的来临,国家加大了对数据中心的建设,尤其是网络数据中心和大型云数据中心。大型数据中心意味着服务器功率的持续增大,有些大型数据中心的单机架功耗已接近5kW,少数超大型数据中心的功耗已达20kW,为此华为等通讯企业开发了800kVA以上的UPS适应大功率的需求。
        
        一般传统的铅酸蓄电池作为后备电源使用,因其大电流、恒功率放电性能差,已不适应数据中心高倍率放电,备电时间短的要求。而高功率铅酸蓄电池以输出功率高,占地面积小,电池成本和能耗小等特点,成为目前大型数据中心的最佳选择方案。
        
        目前在数据中心相对重要的大型机房,大多采用2V高功率铅酸蓄电池。2V高功率VRLA电池相对于12V电池容量更大,配置组数更少,但成组只数较多,一般每组配置120只或者240只,对电池的一致性要求较高。2V大容量高功率VRLA电池采用大容量设计,单体输出的功率更大,相比于2V普通高功率VRLA电池配置组数减少,大大地提高了UPS系统的可靠性。
        
        一、电池产品设计
        
        高功率铅酸蓄电池的主要性能是必须具有较高的短时高倍率放电特性,在高倍率放电时,通过的电流较大,电池与连接件间产生很大的压降,加上电池本身的极化,大电流造成的活性物质利用率低等情况,会对电池高倍率性能产生较大影响,所以降低电池的内阻,减小各环节的压降,提高活性物质利用率是设计的一个核心问题。
        
        高功率铅酸蓄电池在UPS机房使用中,长时间处于浮充状态,除了需要具备短时间大电流放电输出能力外,还需具有一定的寿命以及寿命期间稳定的可靠性。好的寿命及稳定的可靠性,一是电池的设计决定,二是电池制造过程中良好的工艺控制。
        
        以下从板栅设计、极柱设计、外壳结构设计等方面进行分析,并提出2V大容量高功率铅酸蓄电池的设计方案与思路。
        
        1.板栅设计
        
        板栅设计对电池高倍率放电的影响较为关键,板栅是支撑活性物质的载体和传输电流的导体,板栅设计的合理与否,决定了电池的性能。
        
        1)2V大容量高功率铅酸蓄电池因大容量及高功率的特点,大电流放电时间较长,一般十五分钟或者半小时左右,所以板栅需要有足够的承载电流的面积,同时厚度不宜设计过薄,也不能太厚,太厚易导致电解液渗透速度降低从而造成
        
        活性物质利用率降低,设计太薄板栅易腐蚀断裂,对电池寿命造成影响,正板栅厚度一般设计为3.0~4.0mm。
        
        2)2V大容量高功率铅酸蓄电池采用中板耳设计,保证电流在极板左右两侧的均衡,降低板栅内阻,同时增加板耳厚度和板耳的宽度,减小电流密度,增加电池高倍率放电的可靠性。
        
        2.极柱设计
        
        传统铅酸蓄电池的正负极汇流排采用单极柱连接设计,对于大容量高功率铅酸蓄电池来说,需要更大的极柱截面积来满足大电流放电的要求。以GFM-1500,C10容量1500Ah为例,如图1所示:
        
        电池有3个C10容量为500Ah的单体电池采用连体式汇流排设计,每个单体500Ah只需单极柱引出,即可满足48V通信系统最大到C1放电电流需求。当设计为2V5000W时,15分钟备电时间需求功率为5000W,按照截止电压1.7V计算,通过的最大电流为5000W/1.7V=2941A电流,单个极柱通过的电流为2941/3=980A。单个极柱通过这么大的电流势必会产生很大的压降,电流通过的时间过长产生很高的温升,严重还会烧损极柱,引起断路。
        
        为了解决温升及压降问题,2V大容量高功率铅酸蓄电池采用多极柱设计,极柱数量为2V普通VRLA电池2倍,减小大电流通过单极柱的压降,还可起到断路的保险作用。极柱端子采用导电性、散热性好的铜芯材质,焊接端极柱前,采用沾锡工艺,增加铜芯和铅之前的结合度,焊接时,选用连接面平整、光滑,流纹少,壁厚均匀的极柱端子,极柱物理缺陷越少,极柱内阻越小,越有利于大电流的传导。
        
        3.结构设计
        
        目前市场上大容量电池有多种外形结构设计,常见的有高型和矮型结构设计,其中矮型又分内部汇流排连接的单体结构,外部极柱通过连接条并联的2个单体结构,如图2、图3。
        


        高型电池设计的高功率VRLA电池存在明显缺点,即电池高度过高,电解液分层明显,渗透效率慢,活性物质利用率不高,高倍率放电性能差。所以一般将2V大容量高功率铅酸蓄电池设计为矮型结构,不但节省了外壳材料,降低了酸液分层,而且在同等尺寸空间里,功率大幅提高。
        
        矮型单体结构与并联结构相比,又以单体结构设计为宜,一是并联结构外部连接复杂,尤其2V大容量高功率铅酸蓄电池,极柱众多,连接极其繁琐,安装以及后续维护均较为不便。二是连接条太长,电阻较大,产生的压降及温升较大,影响大容量电池散热。三是连接条过多,甚至有连接条叠在一起的连接方式,容量出现连接不可靠、发热和压降大的问题,如图4所示。
        
        把电池设计为单体结构,内部极板通过汇流排连接,没有了并联结构外部连排连接的接触内阻,减小了电池的放电压降,增加了电池的安全可靠性和大电流放电性能。
        
        二、结论
        
        2V大容量高功率铅酸蓄电池设计需要考虑的有很多,诸如铅膏的配方,正负极板配比数量,装配压缩比,电解液配方等多种方面。本文系统的介绍了采用中板耳加宽加厚,板栅厚度适中的骨架结构;多极柱及内嵌铜芯的结构,确保导电截面积,减小电流密度,利于提高高倍率放电性能;选用矮型单体电池结构设计,提高活性物质利用率,降低酸液分层,提高电池放电性能及寿命。通过以上几个方面的研究,希望对2V大容量高功率铅酸蓄电池的设计起到抛砖引玉的作用。
        
        作者简介
        
        任栩杰,卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司技术中心工程师,2011年开始从事阀控式铅酸蓄电池技术研究与产品开发,具有10年以上铅酸蓄电池行业工作经验,负责和参与了高功率电池开发、铅碳电池技术研究等多项科技项目。
        
        编辑:Harris

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