银锌一次电池电液分配系统的二维模拟与优化

彭政 赵书利 余罡 肖金生

（1. 中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉430064；2. 武汉理工大学汽车工程学院，武汉430070)

1 国内外现状

锌银电池有成本高、寿命短的缺点，但其在比功率、比能量和可靠性上的突出优点，使其在某些特殊领域，如水下设备、鱼雷以及航空航天等领域仍在广泛使用。近年来，随着现代新型鱼雷航程和航速指标的大幅提高，对动力型锌银蓄电池的比功率和比能量也提出了更高的要求[1]。

经过实验分析，发现多数电池组的失效是由于个别单体电池容量偏低所致，造成这种情况的一个主要原因是电池容量不均匀。电池容量不均匀导致使用过程中，容量偏低的电池组经常处于深充、深放状态，容量衰减较快。由于电池组的性能受容量较低的单体电池控制，所以单体电池的容量不均匀性造成了电池组的失效。宋二虎、范建国对锌银蓄电池容量不均匀的问题进行了分析，并对该电池各单电池容量的均匀一致性的方法进行了探索，提出了改进途径，包括化学和结构方面的改进[2]。

卢波、魏杰、阮庆征等提出了一种新的变截面管道，改善了各个单体间的流量分配均匀性[3]，Bajura，R. A.Jones，E. H. Jr从理论和实验两个方面验证了多分支液体分配系统的流动，压力分布、流阻等[4]，Chou， H.-T， Cheng， 等从实验和数值计算两个方面研究多口分布的管道，研究了二维的管道的沿程损失和动量损失[5]，Wang J.Y，Gao Z.L对于等截面分支流结构的流量趋势有大量的理论分析和试验研究结果[6]。但是这些也只是从静态来分析液体的流动。

本文基于CFD模拟分析来模拟银锌电池的电解液分配系统的动态进液过程，然后根据结果分析原因，优化电解液分配系统结构。

2 原始模型二维模拟

单进口电池组二维简化模型如图1所示，尺寸：单电池尺寸为176×14.2 (mm)，电池间的间距为1.6(mm)，进液支管尺寸为4×4 (mm)，进液总管尺寸为568.8×16 (mm)。

初始及边界条件：假设进口物质的密度设置为1000 kg/m3，出口质量流率保持在7.0574 kg/s，由公式m˙=ρA ν，得 ν≈35 m/s。

初始时刻电池内充满空气，压力为0MPa（表压 ）， 进 口 速 度 ν= 35 m/s， 质 量 流 量

图1 单进口电池组实际尺寸简化二维模型

计算结果如下：

进液2/3时，空气和液体两相分布如图2所示。

进液9/10时，空气和液体两相分布如图3所示。

图2 进液2/3时空气和液体两相分布

从以上的结果可以看到，单进口电池组进液模型各电池进液量偏差较大，不能满足进液均匀性，现需要改变电池组进液方式，提高进液的均匀性。

图3 进液9/10时空气和液体两相分布

3 模拟优化

优化主要从以下两个方面进行：从进液过程来看，单个进口是很难满足要求的，所以必须增加进口数量；由于各电池进液量偏差较大，所以要从结构的改进方面来优化。

3.1 双进口电池组二维进液模型模拟

不改变总管尺寸，仅将初始方案的质量流量减半，进口端改为两端同时进液。结构尺寸与初始模型尺寸一致。几何模型如图4所示。

图4 双进口电池组二维模型

初始条件及边界条件：左右两个进口速度v1= v2=17.5m/s，进口质量流量 m˙1=m˙2=280 kg/s。

计算结果：由于所给定的进口总质量流量与初始方案的一样，所以所需进液时间不变，但均匀性有所提高，分析如下。

(1)进液2/3时，空气和液体两相分布如图5所示，双进口系统已经改变了单进口时两端进液体积相差太大的特点，中间的一些单电池进液已经相对比较均匀，只是两端单电池进液体积偏少。

(2)进液9/10时，空气和液体两相分布如图6所示。

图5 进液2/3时，空气和液体两相分布

图6 进液9/10时，空气和液体两相分布

由以上结果可以看出各个单电池的进液均匀性已经大大增强。

3.2 进液总管形状的优化

由前面的计算结果可以看出离进口越远的单电池进液越多，因此可以将远端的管径减小，改变电池组的结构及尺寸，使得液体能均匀的注入到每个单电池。

几何模型如图7所示。

图7 改变总管形状几何模型

几何尺寸：进口前端d1=16 mm，中端 d2=8 mm，其他尺寸与初始尺寸一致。初始及边界条件：进口速度 v =35m/s，进口质量流量由于所给定的进口总质量流量与初始方案的一样，所以所需进液时间不变，但均匀性有所提高。

(1)进液2/3时，空气和液体两相分布如图8所示。由图中可以看出，靠近总进口的单电池的进液体积明显增多，比平行总管时的均匀性好。

(2)进液9/10时，空气和液体两相分布如图9所示。

图8 进液2/3时空气和液体两相分布

图9 进液9/10时空气和液体两相分布

由以上结果可以看出，总管形状的变化对电解液均匀分配是很有很大影响的，缩小进液口远端的管径有利于电解液的均匀分配。

3.3 双进口变截面总管电池组进液模拟

上面两种优化方案对电池组进液的均匀性均有所提高，但不能达到完全的均匀，仍存在进液体积相差较大的情况。现综合以上两种方案，尽量减少进液体积少的单电池数目，电池组两端同时进液，并且使得进液总管为变截面。

几何模型如图10所示。尺寸：进口前、尾端d1=16 mm，中端d2=8 mm，其他尺寸与初始尺寸一致。

初始及边界条件：

进口速度 v1= v2=17.5m/s，

图10 双进口变截面总管电池组几何模型

计算结果：由于所给定的进口总质量流量与初始方案的一样，所以所需进液时间不变，但均匀性有所提高。

进液2/3时，空气和液体两相分布如图11所示。

进液 9/10时，空气和液体两相分布如图 12所示。

图11 进液2/3时，空气和液体两相分布

图12 进液9/10时，空气和液体两相分布

由以上几种优化方案得出：

(1)进口数量的增加和进气总管的几何形状优化都对均匀性有利。

(2)进口数量的增加和进气总管的几何形状优化同时进行得到的效果更好，但是找到一个合适的进口数量和进气总管几何形状变化斜率是要进一步研究的目标。

4 结论及展望

通过计算了解了二维电池组进液过程及每个单电池中液体的分布情况，为三维的模拟计算做好了基础。并得出以下结论：

(1)通过增加进口数量可以使均匀性提高，进口数目的过多会不利于整个电池系统的布置。

(2)采用锥形的进气总管使均匀性提高，但是锥度过大将使进气总管的加工难度加大。

(3)采用多进口，锥形的进气总管可以使均匀性基本达到要求。

但是以上工作在模型的使用上还是做了大量的简化，而且缺乏工程实验数据的验证与支撑，所以很有必要深入研究下去，我们还可以做以下几个方面的研究工作：

(1)做三维耦合的模拟计算，可以把实际不加任何简化的模型计算出来，对实际工作有很好的指导意义。

(2)做一些实地测量试验可以更精确的验证模拟结果，指导实际工作。

[1]钱庆三, 穆举国, 范建国. 高功率锌银整体蓄电池的研制. 电池工业, 2004, 9(5)： 247-249.

[2]宋二虎, 范建国. 提高锌银电池容量一致性的途径.电池, 1997, 27(3)： 120-121.

[3]卢波, 魏杰, 阮庆征等. 电解液流动分配研究. 电源技术, 2006, 30, (1)： 60-62.

[4]Bajura, R. A., Jones, E. H. Jr. Flow distribution manifolds. American Society of Mechanical Engineers,n 76-FE-7, 1976, 15.

[5]Chou, H.-T, Cheng, R.-Y. Outflow distribution along multiple-port diffusers. Proceedings of the National Science Council, Republic of China, Part A： Physical Science and Engineering, v 25, n 2, March, 2001,94-101.

[6]Wang .J.Y, Gao. Z.L. Analytical solution of flow coeffients for a uniformly distributed porous channel.Journal of Chemical Engineering, 2001, 84：1-6.