田偉龍，郭榮榮，宋海峰，宋二虎，蔣彥璞

(河南新太行電源股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000)

鋅銀蓄電池具備比能量高、充放電壓平穩(wěn)、安全可靠等特點[1]，被廣泛應用于航空、航天等的軍用裝備。在民用領域，載人深潛器也是鋅銀蓄電池的重要應用領域，其工作深度由7 000 米突破至11 000 米，對鋅銀蓄電池的承壓結構等提出了更高的要求，進一步優(yōu)化單體電池的隔板結構是關鍵措施之一。

耐壓蓄電池在海底工作[2-3]時，為了保證電池在使用時能夠承受巨大的海水壓力，需要通過內(nèi)外壓力平衡的方式實現(xiàn)承壓，其基本原理為：把海水的壓力傳遞給電池箱內(nèi)的絕緣油，再將絕緣油引入單體電池內(nèi)浮于電解液上部，通過把海水、絕緣油及電解液作為壓力傳遞的介質來實現(xiàn)電池箱體內(nèi)外及單體電池內(nèi)外的壓力平衡。為了避免鋅銀單體蓄電池內(nèi)部的絕緣油與電解液的分界面在電池搖擺變化時污染到電池隔膜和極板，需要用雙層隔板將油液分界面單獨隔離出來。

耐壓蓄電池在放電[4]過程中，因極化等原因會有少量氧氣產(chǎn)生(4 OH－=2 H2O+O2↑+4 e－)；在充電過程中，會有少量氫氣產(chǎn)生(2 H2O+2 e－=2 OH－+H2↑)[5-6]，上述現(xiàn)象即是鋅銀蓄電池充放電過程中的析氣現(xiàn)象。析氣發(fā)生時會消耗部分電解液，析出的一部分氣體會吸附在極板及隔膜上[7-8]。當電池隨深潛器下降時，海水壓力不僅會壓縮絕緣油和電解液，吸附在極板和隔膜上的析出氣體更會大幅度被壓縮，析氣消耗的電解液等均會使電解液與絕緣油的分界面下降，當下降到雙層隔板以下時會引起雙層隔板失效，導致絕緣油污染電池隔膜和極板。因此，隔板結構的設計對保證電池正常工作是至關重要的。耐壓蓄電池在傾斜搖擺±60°后放電，需要保證其容量、性能等滿足11 000 米潛水器的放電需求。

1 建立數(shù)學模型

耐壓鋅銀電池在有風浪的海面上正常工作時會發(fā)生±60°傾斜，現(xiàn)根據(jù)電池實際工作的液面情況建立電池的數(shù)學模型，圖1 為電池正常工作不傾斜的液面情況，圖2 為電池傾斜60°時的液面情況。其中，F(xiàn) 為中點，F(xiàn)A 為液面。設：長度方向上FD為n，寬度為w，H為豎直時液面超過D 板高度。

圖1 電池豎直液面情況

圖2 電池傾斜60°液面情況

當殼體豎直時液面超過D 板的體積應大于等于FDCE 的體積，即可滿足傾斜條件。根據(jù)能量守恒定律，隨著隔板向上移動(C 至A)，所需體積隨之變大，并仍保持體積相等的關系。當達到A 點時，所需液面超過D 板的體積達到最大值。隔板繼續(xù)上移(A 至B)，則需要液體量保持最大值不變。

1.1 海面上傾斜60°情況

電池殼有長度方向和寬度方向(長度＞寬度)，n值會不同。從圖3 可以看到在相同h下，n取長度方向的值時其需求液面高度要大于取寬度方向的值，因此n需取長度方向的值，即n=50 mm。

圖3 不同方向上豎直時液面高度曲線

得極值點為：h=86.6 mm，H=21.65 mm。確定h后，H的值應大于等于計算值；確定H后，h的值應小于等于計算值。

(3)隔板大于等于A 點、隔板在DA 之間兩種情況分析

1.2 深海中傾斜30°情況

計算分析方法同海面上傾斜60°，得出方程式為：

得極值點為h=28.87 mm，H=7.22 mm。

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)耐壓蓄電池在海面上傾斜60°、深海中傾斜30°兩種情況的極值H、h，分析結果應取H極大值，即海面上傾斜60°情況，但此時h=86.6 mm，離殼體上邊緣過近，不滿足設計要求，因此需要分析計算極值以下的情況。

2.1 隔板高度h 與豎直需求高度H 的關系分析

圖2 中紅色線為加液量最大值，MN 與FA 平行，一旦超過紅線則液體就會從上隔板中間氣孔流出。其液面到第二層隔板最小預留空間與液面超出第一層隔板的最小體積相等。因此電液量存在最小值、最大值兩個極值。

根據(jù)式(1)，得出方程曲線如圖4 所示。其中，最高點為h=86.6 mm，H=21.65 mm。從圖4 看出，當h為0～30 mm 時，H與h約為線性關系；h大于30 mm 時，H增長速度逐漸小于隔板高度h，并達到一個極值，該極值點正是A 點，超過A 后的數(shù)據(jù)無意義。根據(jù)XY800 實驗，在充放電6 次后，電解液液面由一、二層隔板中間位置下降到第一層隔板以下(下邊緣)，經(jīng)測算消耗電解液體積約為0.14 L。換算成XY540 的電池則估算消耗體積為94.5 mL，下降高度為8.4 mm。

圖4 豎直液面與隔板的H-h 關系曲線

2.2 兩層隔板情況分析

根據(jù)耐壓蓄鋅銀蓄電池的實際工作情況，在海面上時電解液是無壓縮量的且傾斜最大60°。經(jīng)過一系列計算得出相關曲線如圖5 所示。

圖5 壓縮、傾斜30°、無壓縮的液面H-h關系曲線

其中：海面無壓縮時的余量=h－H－上預留高度－電液消耗高度；壓縮后電液高度=應加電液量－壓縮量－消耗量；應加電液量=h－上預留高度。

應同時滿足海面無壓縮時的余量大于0，壓縮后電液高度大于0 且大于傾斜30°時豎直需最小高度。

由圖6 可以看出，在h＞53 mm 時高度差大于0，即滿足要求。

圖6 兩層隔板在潛海時液面高度與最小高度差曲線

根據(jù)現(xiàn)行產(chǎn)品設計，第一層隔板到殼上邊緣為100 mm，預留第二塊板到殼蓋的距離為40 mm。經(jīng)分析計算，選擇h=60 mm，此時需加液40.5 mm，液面最低時為13.1 mm，富余量5.9 mm。因此富余量較少，不能滿足使用要求。

2.3 三層隔板情況分析

二層隔板情況下富余量較小，不能滿足要求，因此考慮采用三層隔板結構形式(圖7)。根據(jù)計算分析可知，在二層板之間加入第三層板后相應的上預留高度H1、下最低高度H2也隨之減小，因此在最底層和最上層隔板距離相同的情況下，采用三層隔板后上預留高度H1、下最低高度H2減小，余量增大。

圖7 三層隔板示意圖

圖8 可以看到在整個h1變化過程中余量都非常大，將三層與二層隔板情況對比，三層隔板的余量比二層的多，兩者曲線變化均呈遞增趨勢。

圖8 海面上兩層、三層隔板的h1與余量的關系曲線

在深海時：余量=h3－H1－壓縮－消耗－傾斜30°時豎直需最小高度(以h2計)。

圖9 得出三層隔板的余量始終為正值，剛開始隨著h1的增加而下降，到達極值后又開始上升，對比海面上與深海時的余量，其變化趨勢是一致的。

圖9 余量與h1關系、兩層隔板對比曲線

同理，深海時當h3=70 mm 時，余量與h1的關系如圖10 所示。余量剛開始也隨h3增加而下降，到達極值后又開始逐漸增大。

圖10 深海時余量與h1的關系曲線

3 實驗驗證

3.1 傾斜60°放電實驗

單體電池驗證：采用XY540 單體蓄電池(電壓范圍為1.32～1.86 V)，充滿電后放置在實驗臺上進行±60°搖擺(－60°擺至+60°為8 s/周期)，實驗持續(xù)時間60 min 后，在60°傾斜角下150 A 放電至電壓1.32 V 時，容量為843.8 Ah(＞540 Ah)，電池結構、性能、狀態(tài)等均正常。

蓄電池系統(tǒng)驗證：蓄電池組的電壓范圍為95～134 V，將充滿電的蓄電池系統(tǒng)按長度方向傾斜，側面靠在30°傾斜架上，底部用60°的傾斜架固定，先傾斜放電5 min 后，再將蓄電池反向傾斜放電5 min，然后將蓄電池取下放平后繼續(xù)放電至95 V。電池組容量為802.5 Ah(＞540 Ah)，管理系統(tǒng)顯示電池組性能、狀態(tài)、結構等均正常。

3.2 壓力實驗

實驗條件：蓄電池工作壓力為115 MPa，壓力筒考核最大壓力為134 MPa，加壓速度為15 MPa/10 min，150 A 恒流放電。

單體電池驗證：將充滿電的XY540 蓄電池放電至電壓1.32 V 后，容量為901 Ah，常壓下容量為887.5 Ah，均大于540 Ah，單體電池未出現(xiàn)內(nèi)部短路、損壞，外觀良好。

蓄電池系統(tǒng)驗證：蓄電池系統(tǒng)經(jīng)過1 次空壓、1 次半電充放、10 次全充放，共計12 次的壓力筒實驗考核，第12 次壓力筒實驗的放電容量為652.5 Ah(＞540 Ah)，其性能、外觀及管理系統(tǒng)等均正常。

4 結論

單體耐壓蓄電池高度受限時，在二層隔板之間增加一層隔板即三層隔板，更能有效地避免因電池傾斜導致絕緣油污染極板組，同時防止電解液流出單體電池而引起電池絕緣性能下降。根據(jù)海面與深海情況的不同特點及實際結構，第一層與第二層隔板的間距選擇范圍在20～30 mm 之間較合適。在條件允許的情況下盡量增大第一層與第三層隔板的間距。經(jīng)過單體蓄電池及蓄電池系統(tǒng)的傾斜搖擺、壓力實驗驗證，蓄電池結構、性能、狀態(tài)等均正常，即蓄電池隔板設計合理，滿足11 000 米潛水器使用要求。