耐压锌银蓄电池隔板结构优化设计与应用研究

田伟龙，郭荣荣，宋海峰，宋二虎，蒋彦璞

(河南新太行电源股份有限公司，河南新乡 453000)

锌银蓄电池具备比能量高、充放电压平稳、安全可靠等特点[1]，被广泛应用于航空、航天等的军用装备。在民用领域，载人深潜器也是锌银蓄电池的重要应用领域，其工作深度由7 000 米突破至11 000 米，对锌银蓄电池的承压结构等提出了更高的要求，进一步优化单体电池的隔板结构是关键措施之一。

耐压蓄电池在海底工作[2-3]时，为了保证电池在使用时能够承受巨大的海水压力，需要通过内外压力平衡的方式实现承压，其基本原理为：把海水的压力传递给电池箱内的绝缘油，再将绝缘油引入单体电池内浮于电解液上部，通过把海水、绝缘油及电解液作为压力传递的介质来实现电池箱体内外及单体电池内外的压力平衡。为了避免锌银单体蓄电池内部的绝缘油与电解液的分界面在电池摇摆变化时污染到电池隔膜和极板，需要用双层隔板将油液分界面单独隔离出来。

耐压蓄电池在放电[4]过程中，因极化等原因会有少量氧气产生(4 OH－=2 H2O+O2↑+4 e－)；在充电过程中，会有少量氢气产生(2 H2O+2 e－=2 OH－+H2↑)[5-6]，上述现象即是锌银蓄电池充放电过程中的析气现象。析气发生时会消耗部分电解液，析出的一部分气体会吸附在极板及隔膜上[7-8]。当电池随深潜器下降时，海水压力不仅会压缩绝缘油和电解液，吸附在极板和隔膜上的析出气体更会大幅度被压缩，析气消耗的电解液等均会使电解液与绝缘油的分界面下降，当下降到双层隔板以下时会引起双层隔板失效，导致绝缘油污染电池隔膜和极板。因此，隔板结构的设计对保证电池正常工作是至关重要的。耐压蓄电池在倾斜摇摆±60°后放电，需要保证其容量、性能等满足11 000 米潜水器的放电需求。

1 建立数学模型

耐压锌银电池在有风浪的海面上正常工作时会发生±60°倾斜，现根据电池实际工作的液面情况建立电池的数学模型，图1 为电池正常工作不倾斜的液面情况，图2 为电池倾斜60°时的液面情况。其中，F 为中点，FA 为液面。设：长度方向上FD为n，宽度为w，H为竖直时液面超过D 板高度。

图1 电池竖直液面情况

图2 电池倾斜60°液面情况

当壳体竖直时液面超过D 板的体积应大于等于FDCE 的体积，即可满足倾斜条件。根据能量守恒定律，随着隔板向上移动(C 至A)，所需体积随之变大，并仍保持体积相等的关系。当达到A 点时，所需液面超过D 板的体积达到最大值。隔板继续上移(A 至B)，则需要液体量保持最大值不变。

1.1 海面上倾斜60°情况

电池壳有长度方向和宽度方向(长度＞宽度)，n值会不同。从图3 可以看到在相同h下，n取长度方向的值时其需求液面高度要大于取宽度方向的值，因此n需取长度方向的值，即n=50 mm。

图3 不同方向上竖直时液面高度曲线

得极值点为：h=86.6 mm，H=21.65 mm。确定h后，H的值应大于等于计算值；确定H后，h的值应小于等于计算值。

(3)隔板大于等于A 点、隔板在DA 之间两种情况分析

1.2 深海中倾斜30°情况

计算分析方法同海面上倾斜60°，得出方程式为：

得极值点为h=28.87 mm，H=7.22 mm。

2 数据分析

根据耐压蓄电池在海面上倾斜60°、深海中倾斜30°两种情况的极值H、h，分析结果应取H极大值，即海面上倾斜60°情况，但此时h=86.6 mm，离壳体上边缘过近，不满足设计要求，因此需要分析计算极值以下的情况。

2.1 隔板高度h 与竖直需求高度H 的关系分析

图2 中红色线为加液量最大值，MN 与FA 平行，一旦超过红线则液体就会从上隔板中间气孔流出。其液面到第二层隔板最小预留空间与液面超出第一层隔板的最小体积相等。因此电液量存在最小值、最大值两个极值。

根据式(1)，得出方程曲线如图4 所示。其中，最高点为h=86.6 mm，H=21.65 mm。从图4 看出，当h为0～30 mm 时，H与h约为线性关系；h大于30 mm 时，H增长速度逐渐小于隔板高度h，并达到一个极值，该极值点正是A 点，超过A 后的数据无意义。根据XY800 实验，在充放电6 次后，电解液液面由一、二层隔板中间位置下降到第一层隔板以下(下边缘)，经测算消耗电解液体积约为0.14 L。换算成XY540 的电池则估算消耗体积为94.5 mL，下降高度为8.4 mm。

图4 竖直液面与隔板的H-h 关系曲线

2.2 两层隔板情况分析

根据耐压蓄锌银蓄电池的实际工作情况，在海面上时电解液是无压缩量的且倾斜最大60°。经过一系列计算得出相关曲线如图5 所示。

图5 压缩、倾斜30°、无压缩的液面H-h关系曲线

其中：海面无压缩时的余量=h－H－上预留高度－电液消耗高度；压缩后电液高度=应加电液量－压缩量－消耗量；应加电液量=h－上预留高度。

应同时满足海面无压缩时的余量大于0，压缩后电液高度大于0 且大于倾斜30°时竖直需最小高度。

由图6 可以看出，在h＞53 mm 时高度差大于0，即满足要求。

图6 两层隔板在潜海时液面高度与最小高度差曲线

根据现行产品设计，第一层隔板到壳上边缘为100 mm，预留第二块板到壳盖的距离为40 mm。经分析计算，选择h=60 mm，此时需加液40.5 mm，液面最低时为13.1 mm，富余量5.9 mm。因此富余量较少，不能满足使用要求。

2.3 三层隔板情况分析

二层隔板情况下富余量较小，不能满足要求，因此考虑采用三层隔板结构形式(图7)。根据计算分析可知，在二层板之间加入第三层板后相应的上预留高度H1、下最低高度H2也随之减小，因此在最底层和最上层隔板距离相同的情况下，采用三层隔板后上预留高度H1、下最低高度H2减小，余量增大。

图7 三层隔板示意图

图8 可以看到在整个h1变化过程中余量都非常大，将三层与二层隔板情况对比，三层隔板的余量比二层的多，两者曲线变化均呈递增趋势。

图8 海面上两层、三层隔板的h1与余量的关系曲线

在深海时：余量=h3－H1－压缩－消耗－倾斜30°时竖直需最小高度(以h2计)。

图9 得出三层隔板的余量始终为正值，刚开始随着h1的增加而下降，到达极值后又开始上升，对比海面上与深海时的余量，其变化趋势是一致的。

图9 余量与h1关系、两层隔板对比曲线

同理，深海时当h3=70 mm 时，余量与h1的关系如图10 所示。余量刚开始也随h3增加而下降，到达极值后又开始逐渐增大。

图10 深海时余量与h1的关系曲线

3 实验验证

3.1 倾斜60°放电实验

单体电池验证：采用XY540 单体蓄电池(电压范围为1.32～1.86 V)，充满电后放置在实验台上进行±60°摇摆(－60°摆至+60°为8 s/周期)，实验持续时间60 min 后，在60°倾斜角下150 A 放电至电压1.32 V 时，容量为843.8 Ah(＞540 Ah)，电池结构、性能、状态等均正常。

蓄电池系统验证：蓄电池组的电压范围为95～134 V，将充满电的蓄电池系统按长度方向倾斜，侧面靠在30°倾斜架上，底部用60°的倾斜架固定，先倾斜放电5 min 后，再将蓄电池反向倾斜放电5 min，然后将蓄电池取下放平后继续放电至95 V。电池组容量为802.5 Ah(＞540 Ah)，管理系统显示电池组性能、状态、结构等均正常。

3.2 压力实验

实验条件：蓄电池工作压力为115 MPa，压力筒考核最大压力为134 MPa，加压速度为15 MPa/10 min，150 A 恒流放电。

单体电池验证：将充满电的XY540 蓄电池放电至电压1.32 V 后，容量为901 Ah，常压下容量为887.5 Ah，均大于540 Ah，单体电池未出现内部短路、损坏，外观良好。

蓄电池系统验证：蓄电池系统经过1 次空压、1 次半电充放、10 次全充放，共计12 次的压力筒实验考核，第12 次压力筒实验的放电容量为652.5 Ah(＞540 Ah)，其性能、外观及管理系统等均正常。

4 结论

单体耐压蓄电池高度受限时，在二层隔板之间增加一层隔板即三层隔板，更能有效地避免因电池倾斜导致绝缘油污染极板组，同时防止电解液流出单体电池而引起电池绝缘性能下降。根据海面与深海情况的不同特点及实际结构，第一层与第二层隔板的间距选择范围在20～30 mm 之间较合适。在条件允许的情况下尽量增大第一层与第三层隔板的间距。经过单体蓄电池及蓄电池系统的倾斜摇摆、压力实验验证，蓄电池结构、性能、状态等均正常，即蓄电池隔板设计合理，满足11 000 米潜水器使用要求。