楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

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在深海載人潛水器上應(yīng)用的鋅銀電池

楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214082）

鋅銀電池以其比能量高、放電電壓平穩(wěn)、高安全等特點(diǎn)，在深海載人潛水器上得到廣泛應(yīng)用。本文從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個(gè)方面論述應(yīng)用于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)的解決。通用“蛟龍?zhí)枴睗撍鞯膽?yīng)用表明該電池在7000m水下環(huán)境中工作時(shí)安全可靠。

鋅銀電池 載人潛水器 深海

0 引言

大容量鋅銀電池具有比能量高、放電電壓平穩(wěn)、安全可靠等特點(diǎn)[1,2],在深海載人潛水器上得到廣泛應(yīng)用。以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器為例，鋅銀電池?fù)?dān)負(fù)著為各種機(jī)電設(shè)備提供動(dòng)力源及儀器儀表電源的任務(wù)。與陸用鋅銀電池不同，深海載人深潛器用鋅銀電池需要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）電池組能承受海底高壓環(huán)境，并能適應(yīng)載人潛水器上浮及下潛時(shí)壓力的迅速變化，如“蛟龍”號(hào)載人潛水器鋅銀電池可在最大71 MPa環(huán)境壓力及最大每小時(shí)36 MPa的壓力變化率下正常工作。2）電池必須采取措施，防止電解液在電池氣體析出時(shí)被帶出進(jìn)入絕緣油，引起電池間的短路。3）絕緣性能佳，濕態(tài)電池置于充油容器內(nèi)經(jīng)數(shù)個(gè)充放電周期后，單體電池極柱對(duì)外殼絕緣電阻應(yīng)不低于5 MW。

本文將從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個(gè)方面簡(jiǎn)要地論述鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)的解決。

1 鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)

1.1 承壓性能

為了承受深海的高壓,應(yīng)用于載人潛水器上的電池箱和電池一般采用充油壓力補(bǔ)充式的耐壓結(jié)構(gòu)。圖1和圖2為“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的電池箱和電池結(jié)構(gòu)圖。

圖2 單體電池結(jié)構(gòu)圖

電池箱的耐壓結(jié)構(gòu)包括氣體單向閥、放油口、橡膠皮囊和電池箱殼等部件，電池單體直接固定在電池箱中，周?chē)錆M(mǎn)絕緣油。當(dāng)電池箱的外界壓力增大時(shí)，壓力通過(guò)皮囊傳遞到箱內(nèi)，絕緣油壓縮，皮囊內(nèi)陷，箱體內(nèi)、外壓平衡。這種壓力傳導(dǎo)方式可避免電池箱體發(fā)生形變,從而有效地保護(hù)了電池箱的安全。此處單向閥是作為安全閥使用，當(dāng)內(nèi)壓意外增大時(shí)，單向閥打開(kāi)，氣體排出，對(duì)箱體起保護(hù)作用。

電池的耐壓結(jié)構(gòu)原理與電池箱的耐壓結(jié)構(gòu)基本相同。在“蛟龍”號(hào)載人潛水器鋅銀電池研制過(guò)程中，由于單體電池的多孔極板及纖維素膜屬受壓形變較大的物質(zhì)，在高壓環(huán)境下內(nèi)部物質(zhì)體積收縮較快，必須補(bǔ)充適量絕緣油以達(dá)到箱內(nèi)外壓力平衡。為解決這一關(guān)鍵技術(shù)，在單體電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以隔離層的形式增加了補(bǔ)償囊腔。考慮到可維護(hù)性，蓄電池箱的電池采用單層布置，特別是主蓄電池箱受框架布置位置限制，底面積較小，蓄電池高度很高，這對(duì)制作細(xì)長(zhǎng)極板帶來(lái)困難。在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用加固型銀絲網(wǎng)及特制模具，滿(mǎn)足要求的條形薄極板試制成功。

為考核充油式壓力補(bǔ)償耐壓結(jié)構(gòu)的實(shí)際效果，同時(shí)為獲取電池箱上壓力補(bǔ)償器的補(bǔ)償量，在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鋅銀電池研制過(guò)程中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套電池壓力筒試驗(yàn)裝置，對(duì)這些電池進(jìn)行了壓力筒模擬加壓試驗(yàn)。壓力筒試驗(yàn)表明，在71MPa壓力下，電池有不低于6.4％的壓縮率。壓力筒試驗(yàn)前后電池放電性能對(duì)比結(jié)果表明其電容量沒(méi)有變化，電池也完好無(wú)損。

1.2 析氣量

鋅銀蓄電池負(fù)極上容易發(fā)生析氫反應(yīng)而產(chǎn)生氣體。在水下高壓環(huán)境下，氣體被壓縮，當(dāng)潛水器上浮時(shí)，隨著壓力迅速的降低，電池產(chǎn)生的氣體體積將快速地增大。在氣體逸出單體電池殼體時(shí)會(huì)夾雜電解液進(jìn)入到絕緣油中，降低絕緣油的絕緣電阻，引起電池之間的短路。因此，減少電池放電時(shí)的析氣量成為鋅銀蓄電池關(guān)鍵技術(shù)。在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的研制過(guò)程中，利用正交試驗(yàn)原理，對(duì)極板（尤其是負(fù)極鋅極板）進(jìn)行了多種配方研究，先后投入三十多只電池進(jìn)行全壽命循環(huán)測(cè)試，挑選出最佳配方。圖3中列出的三種配方的析氣量比較圖。其中，方案1按照綠色環(huán)保電池原則，在負(fù)極極板中加入多種添加劑，在模擬試驗(yàn)中達(dá)到析氣量0.08 ml/Ah左右，小于0.1 ml/Ah的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.3 絕緣性能

由于電池電解液是導(dǎo)電的堿性物體，在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體從單體電池排出時(shí)容易攜帶出部分電解液而進(jìn)入絕緣補(bǔ)償油中，這將導(dǎo)致絕緣油的絕緣性能急劇下降。在上個(gè)世紀(jì)七十年代7103艇在使用充油式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)時(shí)就曾發(fā)生過(guò)這種情況。“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器用鋅銀蓄電池與之相比，其電池容量、承受壓力及壓力變化率更大，尤其在潛器返回而減壓時(shí)，使用中產(chǎn)生的氣體更易帶出電解液，析氣對(duì)絕緣影響的問(wèn)題更為突出。為此，“蛟龍?zhí)枴表?xiàng)目中作為技術(shù)攻關(guān)措施設(shè)計(jì)了專(zhuān)用氣帽來(lái)吸收部分電解液。絕緣措施除延用氣帽的技術(shù)措施外，還在補(bǔ)償界面增加了一道固態(tài)透氣隔膜。另外一種方案在其間增加了一層第三種液態(tài)層以充當(dāng)隔膜功能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，采用第一種方案，經(jīng)五個(gè)充放電循環(huán)后用500MΩ表測(cè)補(bǔ)償油絕緣電阻，仍為無(wú)窮大。

2 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要論述了應(yīng)用于“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器鋅銀電池的關(guān)鍵技術(shù)，以及在其研制過(guò)程中的解決途徑?！膀札?zhí)枴陛d人深潛器經(jīng)過(guò)1000米、3000米、5000米及7000米海試，已交付用戶(hù)，現(xiàn)已開(kāi)展應(yīng)用性試驗(yàn)。鋅銀電池在這一過(guò)程中，性能良好，其可靠性也得到進(jìn)一步驗(yàn)證：

1）利用充油式壓力補(bǔ)償平衡原理設(shè)計(jì)的電池耐壓結(jié)構(gòu)可以承受71MPa的高壓且能適應(yīng)壓力的迅速變化，滿(mǎn)足產(chǎn)品使用要求；

2)電池的專(zhuān)用氣帽加隔膜設(shè)計(jì)有效的保證電池箱內(nèi)部絕緣性能；

3)電池的專(zhuān)用氣帽加隔膜設(shè)計(jì)可以保證電池箱絕緣油的絕緣性能。

參考文獻(xiàn):

[1] 郭自強(qiáng). 在艦船上應(yīng)用的鋅銀電池[J]. 船電技術(shù), 2001, (5): 4-6.

[2] 安東尼, M.阿里泰基斯,曹志華. 用于潛水器的高能量銀鋅電池[J]. 船電技術(shù), 1992,(6): 52-57.

Application of Silver-Zinc Batteries to A Deep-sea Manned Vehicle

Yang Shenshen, Wang Yao, Zhang Wei, Xie Fei

(State Key laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM911

A

1003-4862（2016）09-0031-03

2016-04-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題（2014AA09A110）

楊申申(1981-)，男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：潛水器電氣控制。