貯備電池中旁路電流的研究

譚 謀，楊 杰，張偉東

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

貯備電池中旁路電流的研究

譚 謀，楊 杰，張偉東

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

集中儲(chǔ)液貯備式電池在激活后，電解質(zhì)注入分配管，通過分配管均分到各個(gè)單體電池中。當(dāng)單體電池間存在電勢(shì)差時(shí)，不同的單體電池之間的電解液管道會(huì)存在離子的定向流動(dòng)，形成旁路電流。本文通過分析旁路電流產(chǎn)生的原因，提出可行的消除旁路電流的方法，對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)意義。

電池流道 旁路電流 分配管道

0 引言

鋅—銀貯備電池具有比能量大、大電流放電能力強(qiáng)、貯存時(shí)間長(zhǎng)、激活時(shí)間短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地用在通信、航空、航天和某些特殊的電子產(chǎn)品的配套電源上[1]。電池在接收到激活信號(hào)后，點(diǎn)火器點(diǎn)火使電解液隔膜膨脹破裂，電解液被壓入分配管，通過分配管均分給各個(gè)單體電池。由于電解液通過分配管等公共流道注入到各個(gè)單體電池，因而各個(gè)單體電池通過公共流道形成串聯(lián)。當(dāng)各個(gè)單體電池之間存在電勢(shì)差時(shí)，由于電解液的導(dǎo)電性，導(dǎo)致電池之間形成離子的定向移動(dòng)，形成旁路電流。

1 鋅—銀貯備電池結(jié)構(gòu)及旁路電流的產(chǎn)生原因

鋅—銀貯備電池通常由氣體發(fā)生器、集中貯液區(qū)、電解液分配管、單體電池組組成，其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋅—銀貯備電池結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)電池在接收自動(dòng)激活信號(hào)后，其激活過程為[2]：

1）控制電路給出激活電流。

2）氣體發(fā)生器點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生大量氣體。

3）集中貯液區(qū)電解液隔斷膜受壓破裂。

4）電解液從貯液區(qū)進(jìn)入分配管。

5）電解液通過分配管進(jìn)入各個(gè)單體電池，電池開始放電。

貯備電池的電堆通常由幾十個(gè)單體電池疊加串聯(lián)而成，通過電解液分配管將電解液分配給各個(gè)單體電池。目前主流的電解液分配系統(tǒng)是等截面分配管道，電解液通過分配管分配到各個(gè)單體電池的電解液的容量存在明顯差異，其電解液分配均勻性在±10%～±25%之間。由于電解液分配的差異性，導(dǎo)致各個(gè)單體電池在注液時(shí)存在電勢(shì)差，各個(gè)單體電池通過公共流道形成電解液的閉合回路，使電化學(xué)活性物質(zhì)在電池內(nèi)部發(fā)生定向流動(dòng)，形成旁路電流。原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 旁路電流原理結(jié)構(gòu)示意圖

在電池放電時(shí)，由于旁路電流的存在，會(huì)導(dǎo)致一部分電能轉(zhuǎn)化為電池內(nèi)部的熱能，造成能量的損失，消耗電池內(nèi)部的存貯能量，降低電池的效率。旁路電流的存在，加劇電極或者管道的腐蝕，降低電池的使用壽命[3]。若電解液通道長(zhǎng)期存在，使電池內(nèi)部保持通路，會(huì)導(dǎo)致終端電池陽極和終端陰極之間電池電壓降低，電池內(nèi)部熱量激增，引發(fā)安全隱患。

電池在放電時(shí)，當(dāng)存在旁路電流時(shí)，其理論模擬電路模型如圖3所示：

圖3 理論模擬電路模型

為減小旁路電流的影響，可以通過增加電解液通道的等效電阻，來降低旁路電流對(duì)電池電路的影響，圖4為電池公共流道的電阻值與旁路電流的關(guān)系示意圖。從圖中可以看出，隨著電解液通道的等效電阻值越大，旁路電流的值越小，對(duì)電池的影響越小。

圖4 電池公共流道的電阻與旁路電流的關(guān)系

2 減小和消除旁路電流的措施與方法。

旁路電流的產(chǎn)生主要是共用電解液通道使電解液通道連接導(dǎo)致。為減小旁路電流，可以通過設(shè)計(jì)合理的電池結(jié)構(gòu)來提高電解液通道的導(dǎo)路阻抗，而消除公共電解液通道或打斷電解液通道則是消除旁路電流的主要思路。

2.1 提高電解液通道的導(dǎo)路阻抗的方法

電阻的計(jì)算公式為：

其中ρ為物質(zhì)的電阻率，l為長(zhǎng)度，s為截面積。

如果要增加物質(zhì)的內(nèi)阻，可以提高物質(zhì)的電阻率，增長(zhǎng)物質(zhì)的有效長(zhǎng)度、減小物質(zhì)的有效面積等方法來增加物質(zhì)的有效電阻。

在電池電解液的公共流道中，為提高電解液通道的有效電阻，可采取的措施如下：

1）改變電解液的電阻率。在鋅—銀電池中，常用的電解質(zhì)溶液為氫氧化鉀水溶液，不同濃度的電解液濃度，其電阻率不同。當(dāng)電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%時(shí)，其電阻率最低。

2）延長(zhǎng)電解液的流道長(zhǎng)度。電解液的流道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電解液通道的電阻越大，旁路電流越小。在實(shí)際中，可以采用延長(zhǎng)連接單體電池與分配管之間的管道或采用曲折的管道來連接單體電池與分配管。通過以上這些措施，可以有效地增加流道的長(zhǎng)度，增加流道的阻值，降低電池的旁路電流。

3）減小電解液流道的橫截面積，增加電解液電阻。在實(shí)際中，可以減小分配管的管徑、或采用更細(xì)的管道來連接單體電池與分配管，從而降低電解液流道的橫截面積，提高電解液通道的阻值，降低電池的旁路電流。

4）在電解液通道中，尤其是連接單體電池和分配管的細(xì)長(zhǎng)管道中，通過特殊的方法使流道中形成氣泡，由于氣泡的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于電解液的電導(dǎo)率，從而增加電解液的有效電阻，降低旁路電流。

5）在電解液的通道內(nèi)，選擇合適的水性高分子材料，如高分子吸水樹脂、聚丙烯酸酯等高分子聚合物，使其在堿性溶液中吸水膨脹，控制其膨脹速度，當(dāng)電解液注入后，水性高分子材料完全脹塞電解液的通道。由于水性高分子材料與電解液的電阻率不同，從而增大電解液流道的電阻值，逐步降低旁路電流。

通過上述方法，可以有效地增加電解液通道的電阻值，從而降低旁路電流，減少其對(duì)電池的影響。

2.2 打斷電解液通道的方法

通過改變電解液通道的電阻值，可以有效地降低旁路電流，而合理的設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)，可以有效地打斷電解液通道，斷開旁路電流，從而減少旁路電流對(duì)電池庫倫效率的影響。

其具體的方法如下：

1）在電解液通道或者分配管中，采用堰或者溢流裝置，使電解液在流動(dòng)中呈現(xiàn)階梯狀，使電解液在公共通道中從連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)閿鄶嗬m(xù)續(xù)狀態(tài)，使電解液通道被打斷，從而阻斷旁路電流。

2）在電解液通道中，采用淋浴頭結(jié)構(gòu)打斷電解液通道。如圖5為某專利設(shè)計(jì)的電解液流道打斷的結(jié)構(gòu)[5]。通過控制電解液的流速，使電解液從下向上注入時(shí)，電解液從流動(dòng)狀變?yōu)閲姙⒁旱螤睿ㄟ^氣隙將電解液從連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)，從而打斷電解液，斷開旁路電流。

圖5 電解液流道打斷結(jié)構(gòu)

3）在電解液通道中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)閥或者單向閥，將電解液液流阻斷，使旁路電路發(fā)生阻斷，從而降低旁路電流。旋轉(zhuǎn)閥和單向閥盡量選取絕緣電阻率高的材料，從而阻斷電子的定向流動(dòng)。

2.3 其他消除或減小旁路電流的方法

除以上方法外，也可以通過以下手段來減小或消除旁路電流的影響。

1）在電解液通道中通入保護(hù)電流，抵消電解液通道之間的旁路電流，從而消除旁路電流，其原理圖如圖4所示[4]。

圖4 保護(hù)電流消除旁路電流原理示意圖

2）電池的注液時(shí)間長(zhǎng)短，也能影響旁路電流的大小。當(dāng)電池的注液時(shí)間短，電解液能夠快速的注入各個(gè)單體電池中，使電解液通道能夠快速消除，從而減少電池內(nèi)部的漏電現(xiàn)象。

3 結(jié)論

貯備電池在接收信號(hào)激活后，貯存的電解液通過分配管注入多個(gè)串聯(lián)的單體電池。由于電解液的導(dǎo)電性和分配的不均勻性，使串聯(lián)的單體電池之間存在漏電電流，即形成旁路電流。通過延長(zhǎng)分配管和單體電池之間的電解液通道、減小電解液通道的橫截面積、縮短電解液的注液時(shí)間以及阻斷電解液通道等方法，可以有效地增加電解液通道的電阻，減小旁路電流的影響，或者打斷電解液通道，斷開旁路電流，從而提高電池的庫倫效率。

[1] 段志宇, 張錫軍. 電池 [J]. 2009. 39(2)： 96-98.

[2] 戴維, 托馬斯. B. 雷迪. 電池手冊(cè)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007： 333—334

[3] 李明華, 范永生等. 液流電池理論與技術(shù)—旁路電流模型與控制技術(shù)[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2014, 3(2)：167—169.

[4] 張立, 程杰, 楊裕生. 液流電池旁路電流的研究概括[J]. 電源技術(shù), 2008,(7).

[5] 程杰, 文悅?cè)A等. 一種液流電池旁路電流斷路器[P]. CN： 200820136764. 3, 2010.1.13

Research on Shunt Current in Reserve Battery

Tan Mou, Yang Jie, Zhang Weidong

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

After being activated of the concentrated liquid storage reserve battery, the electrolyte is injected into the distribution pipe and is split into various monomer batteries. When a potential difference exists between the different monomer batteries, directional movement of ions will happen in the electrolyte pipes, and form the shunt current. This paper analyzes the causes of the shunt current, and puts forward the feasible method of eliminating the shunt current, which has a certain guiding significance in engineering.

battery channel; shunt current; distribution pipe

TM911.16

A

1003-4862（2016）12-0022-03

2016-06-02

譚謀（1989-），男，碩士研究生。研究方向：化學(xué)電源。