[发明专利]考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法

权利要求书

1.考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，用于指导铅酸电池极板设计优化，所述极板包括板栅和涂覆于板栅表面并与板栅结合的铅膏，所述铅膏包括活性物质和辅助物质，所述活性物质由可互相转化的第一活性物质和第二活性物质组成，所述第一活性物质针对正极板和负极板两种情况而言分别为二氧化铅和铅，所述第二活性物质为硫酸铅，所述辅助物质在铅酸电池充放电过程中不发生变化，所述板栅包括极耳、边框和设置在所述边框内的筋条组成，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定铅酸电池极板的铅膏中辅助物质的体积，并分别确定铅酸电池极板充满电和放电完全两种状态时铅膏中第一活性物质与第二活性物质的物质的量：

由铅酸电池设计资料确定铅酸电池极板的铅膏中辅助物质的体积，以及充满电状态时单个极板中铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量，并根据单个极板标称容量及电荷转移关系换算得到该极板完全放电状态时铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量；

(2)计算得到铅膏由充满电状态转换为放电完全状态过程中的平均体积膨胀率b：

式中b为铅膏由充满电状态转换为放电完全状态过程中的平均体积膨胀率；V₁和V₂分别为第一活性物质和第二活性物质的摩尔体积，单位为m³/mol；n₁和n₂分别为极板充满电状态时铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量，单位为mol；n′₁和n′₂分别为极板完全放电状态时铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量，单位为mol；v₃为铅膏内辅助物质的体积；

(3)建立极板的结构静力学有限元分析模型，添加材料属性和接触关系，施加约束和载荷：

绘制包含板栅和铅膏两个零件的极板三维装配体模型，导入结构力学有限元分析软件ANSYS Mechanical，划分网格，添加材料属性，添加板栅零件和铅膏零件之间为“绑定”接触关系，施加板栅零件的极耳上端面的约束条件为固定，分别对板栅零件和铅膏零件施加温度载荷条件；

(4)完成极板结构静力学有限元分析模型的求解，并获得板栅应力分布和变形分布求解结果。

2.权利要求1所述的考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(1)放电完全状态时铅膏中第一活性物质和第二活性物质的物质的量由以下计算式确定：

以上式中W为单个极板的标称容量，单位为Ah；n₁和n₂分别为极板充满电状态时铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量，单位为mol；n′₁和n′₂分别为极板完全放电状态时铅膏内第一活性物质和第二活性物质的物质的量，单位为mol。

3.权利要求1所述的考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，其特征在于，步骤(3)添加的所述材料属性，包括板栅和铅膏各自的弹性模量、泊松比、热膨胀系数以及热膨胀系数所对应的参考温度。

4.权利要求3所述的考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，其特征在于，所述板栅和铅膏的材料属性中包含的板栅和铅膏的热膨胀系数以及热膨胀系数所对应的参考温度均为假想值，板栅和铅膏的热膨胀系数均设为D，板栅和铅膏的热膨胀系数所对应的参考温度均设为T_c，其中热膨胀系数D位于0.0001至0.002之间，热膨胀系数所对应的参考温度T_c位于0℃至100℃之间。

5.权利要求1所述的考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，其特征在于，步骤(3)所述对铅膏零件和板栅零件施加的温度载荷条件为：对铅膏零件施加的温度载荷为铅膏的热膨胀系数所对应的参考温度，对板栅零件施加的温度载荷T由下式计算：

式中T为对板栅零件施加的温度载荷值，单位为℃；T_c为铅膏的热膨胀系数所对应的参考温度值，单位为℃；D为铅膏的热膨胀系数；b为步骤(2)获得的铅膏由充满电状态转换为放电完全状态过程中的平均体积膨胀率。