VRLA电池容量设计指南

VRLA的产品设计的主要依据是蓄电池的电性能应能满足使用者的要求，主要指标有蓄电池的工作电压、放电电流和连续放电时间等。蓄电池运行的环境主要指温度条件等。

VRLA设计的理论基础首先是其单体蓄电池的电动势接近2V。正、负极材料确定之后，电动势依赖于电解液浓度和温度。如在25℃，电解液浓度为5.55mol·kg^-1（35.3%）时，电动势E=2.1079V；而在20℃，电解液浓度为6.24mol·kg^-1（38.0%）时，E=2.123V。VRLA放电时，如果不是高倍率放电，电化学极化和浓差极化引起的电极电位变化和蓄电池的电压下降不大。VRLA单体蓄电池的工作电压一般为1.8～2.0V。n个单体蓄电池串联成的蓄电池组的电动势是单体的n倍。应根据要求确定单体蓄电池数。由单体蓄电池串联成的蓄电池（组）的容量与单体蓄电池相同。如果各单体蓄电池的容量有差别，蓄电池（组）的容量受容量最低的单体蓄电池的限制。

第二，VRLA的理论容量是由法拉第电解定律决定的，即正极1mol PbO₂，负极1mol海绵状金属铅和2mol H₂SO₄组成的铅酸蓄电池的理论容量是2F，即2×9.648456×10⁴C。F是法拉第常数。C是电量单位库仑。2F电量即53.60A·h。

第三，VRLA以不同电流值放电时，其容量是不同的。长期以来，习惯上常以20h率容量C₂₀来标称蓄电池的容量。一般来说，使用者不会直接提出对蓄电池C₂₀值的要求，而是要求蓄电池的放电电流为I（A），放电时间为t_p（h），即要求放电电流为I（A）时的容量为It_p（A·h）。It_p与20h率容量C₂₀（A·h）是什么关系呢？这是蓄电池产品设计的核心问题。It_p是使用者要求的，是明确已知的。与It_p相当的C₂₀是多少呢？即C₂₀为何值时，恰好满足以I（A）电流值放电t_p（h）的要求？

蓄电池的放电时间t与放电电流I的关系服从普克特方程（见第八章第一节）即式（8-3）

t=KI^-n蓄电池的20h率容量的意义是，当以I₂₀（A）（数值为0.05C₂₀）放电时，放电时间为20h。利用式（8-3）得到

20=KI₂^-0n（9-1）

当蓄电池以I=pI₂₀（A）即I₂₀的p倍放电时，放电时间为t_p（h），利用式（8-3）得到

t_p=K（pI₂₀）-n （9-2）

式（9-1）和式（9-2）的对数式分别为

ln20=lnK-nlnI₂₀ （9-3）

和 lnt_p=lnK-n（lnp+lnI₂₀） （9-4）

将式（9-3）中的lnK的值代入式（9-4）得到

lnt_p=ln20-nlnp

即 lnt_p=ln20-lnpⁿ （9-5）

求出p ⁿ=20/t_p(www.xing528.com)

得到 p=exp[1/n（ln20-lnt_p）] （9-6）

如果现在的放电电流I=pI₂₀，即

pI₂₀=I （9-7）

而 I₂₀=C₂₀/20

所以式（9-7）可以写成

pC₂₀/20=I

由此求出C₂₀=20I/p（9-8）

把式（9-6）p的表达式代入式（9-8）得到

式（9-9）表示的就是要求放电电流为I、放电时间为t_p的蓄电池的20h率容量值。

例如，如果要求蓄电池以5A连续放电2h，那么蓄电池的C₂₀应为多少？先求出 ln20=2.996

lnt_p=ln2=0.693如果采用厚度1.6～1.7mm的正极板，蓄电池的常数n值约为1.221，用式（9-9）计算出

C₂₀=15.2A·h即20h率容量为15.2A·h的蓄电池可以满足5A连续放电2h的要求。当然这一计算方法是近似的。蓄电池的放电性能要受各种条件，包括产品设计、工艺条件和原材料质量等因素的影响，何况普克特方程也只是一个经验式，远不是严谨的定律。另外，如何取常数n的值，也是依据较粗略经验式。

VRLA的设计还要考虑两个条件——质量比能量和能量密度。就目前批量产品的工艺技术水平而言，前者一般可达40W·h·kg^-1，如果放电电流很小如100h率，则可能达到50W·h·kg^-1；后者可达105～110W·h·dm^-3。

单体蓄电池在长度（极板排列）方向上，所有正、负极板的厚度之和最多也只能占据极群组长度的一半多一些，否则很难注入足够的H₂SO₄溶液。注入高密度的H₂SO₄溶液以弥补H₂SO₄的不足，会对蓄电池的性能带来负面影响。

考虑到上述各种要求，如果蓄电池槽也一起设计，那将会有更多的方便条件来满足使用者的要求。实际上很多情况下是蓄电池槽已经定型，这又是一个制约因素。