加速度對雙極性鋅銀電池激活時刻電解液灌注的影響*

尹立兵 趙樺糧 楊 華 姜攀星 袁 沖 詹志剛

(武漢船用電力推進裝置研究所1) 武漢 430064) (武漢理工大學能源與動力工程學院2) 武漢 430063)(武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室3) 武漢 430070)

0 引 言

雙極性鋅銀電池電堆是以若干片雙極性電極和正、負單極片各一片疊合組裝而成的電池組[1].它是一種一次電池，在貯存期間電解液和電極分開，不直接接觸.在使用時，通過一定壓力將電解液注入電池當中，激活電池.雙極性鋅銀電池具有鋅銀電池放電電壓平穩、電壓精度高、安全可靠等特點.特別適合運用于航空領域及水下裝備[2].

當雙極性鋅銀電池當作航天電源或用在水下裝置時，裝置的啟動會帶來劇烈的加速度變化，這將嚴重影響電解液的灌注過程及電池內部電解液的分配情況.雙極性鋅銀貯備電池在激活過程時出現電解液在電堆內分布不均勻的現象，將會導致電池內阻升高，低溫脈沖負載能力不足[3]，嚴重影響電池的性能.為了探究加速度的大小和方向對雙極性鋅銀電池電解液注入的影響，采用計算機模擬仿真的方法來進行分析求解.

目前類似于液體灌注過程的模擬多采用VOF模型來進行計算.童亮等[4]運用VOF模型和動網格技術分析了氣、液兩相的流動過程，分析出了在流動過程中氣、液兩相體積分數和壓力分布.白潤英等[5]通過VOF模型和湍流模型對市政供水管道中水的流動進行了模擬，分析了氣、液兩相的流速和壓力分布，總結了爆管發生的原因.因此在本文的電解液灌注過程模擬中，采用VOF模型可以很準確分析出電池中電解液的分布以及電池內部氣、液兩相的壓力、速度變化情況.

1 單電池建模

1.1 數學模型

當雙極性鋅銀電池激活時，電解液從進口經過進口總管被推入到單電池中，然后電解液將單電池中的空氣排出，最終從出口管道流出.電解液在單電池中的流動為一個兩相流的問題，采用VOF模型則能很好的監測氣液兩相界面，模擬流動過程.

在灌注過程中，將電解液和空氣都視為理想流體，不考慮溫度的影響，也不考慮能量的變化，因此該模型只涉及到質量方程、動量方程、物性方程，具體方程為

質量守恒方程：

(1)

(2)

式中：ρq為q物質的密度；αq為q物質的質量分數；v為流體速度；S為質量源項.

動量守恒方程：

(3)

式中：μ為黏度；g為重力加速；ρ為密度.

方程右邊是導致系統動量變化的原因：第一項為壓力的影響，第二項為流體粘度的影響，第三項和第四項為重力和外部體積力的影響，對系統來說，重力也是一種外部體積力.有限元分析軟件中，系統加速度的變化在動量守恒方程里可以等效成系統的重力加速度g的變化.

加速度的變化，將會對整個系統的速度大小和方向產生巨大影響.特別是在兩相流的系統中，由于其流體本身一直處于流動狀態，流體的速度和兩相流的界面都將隨著加速度的變化而發生劇烈變化.那么在整個電解液灌注過程中，加速度的變化將會一直影響著電解液的分布.

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物性方程：

ρ=α2ρ2+(1-α2)ρ1

(4)

ρ=∑αqρq

(5)

基于上述理論，利用流體動力學軟件Fluent，進行本項目的計算機模擬研究.

1.2 幾何模型及邊界條件

圖1為單電池的流體模型，它由四個部分組成：進口流道、電解液分配區域、電池內部區域、出口流道.在模型中，電池內部區域的厚度為0.3 mm，其他三個部分的厚度為0.5 mm.在電池內部均布直徑為2 mm、高0.3 mm的支撐柱，起到支撐和分隔正負極的作用.

圖1 單電池模型

根據實際的測試結果，設置邊界條件及物性參數見表1.

表1 邊界條件及物性參數

2 結果與討論

2.1 加速度大小對單電池電解液注入過程的影響

本文的算例加速度方向都是豎直向上，即圖中坐標系中Y軸的正方向.分別選取了3個加速度(大小分別為0,1,30g)算例進行對比研究，其中：0g算例模擬電池在無重力影響時電解液注入過程；1g的算例模擬電池只受重力影響時電解液注入過程；30g的算例模擬電池在啟動過程中電解液注入過程，見圖2.

圖2 三個算例在4 s(左邊)和7.6 s(右邊)時電解液分配情況

0,1,30g電解液從出口流道溢出時間分別為6.91,6.85和6.88 s.在加速度方向豎直向上時，加速度大小的變化不會改變電池內部電解液灌滿的時間，這是由于在此結構下，電池各部分流體流動的橫截面積變化遵循小到大的過程，在1m/s的流速下將很均勻的充滿電池，這有利于電解液的均勻分布.

電池內部支撐柱對電解液的灌注及阻力沒有大的影響，產生的氣泡量也可以忽略，這是由于其尺寸較小，而且電解液在電池內部的流速較小.

由圖2左邊4 s時三個例子的液相分布圖可知，隨著電池加速度的增加，氣液兩項的交界面更趨近于水平，即與加速度方向垂直的方向，同時交界面也更分明，界面上氣泡也越少.由圖2右邊7.6 s時3個例子的液相分布圖可知，電解液灌滿后，所有電池內部上方均有少量殘余氣泡，并且無法自動消除.電池內部氣泡的產生將影響到電池的有效反應面積，最終會影響到電池的電性能，所以電池內部的氣泡越少越好.結果表明，隨著加速度大小的增加，產生的氣泡減少.所以在加速度豎直向上時，加速度越大，電池內部產生的氣泡越少，有利于提高電池的電性能.

隨著電解液灌注，單電池的壓力也隨之變化(本文中討論的都為相對壓力).在1 m/s的進口速度下，進口壓力最多達到2.23×105Pa，這種壓力在工程上很容易達到.單電池進口處的壓力一直是最大的，并且在電解液充滿整個單電池時壓力達到最大值.0,1,30g電解液灌滿后進口處的壓力分別為2.22×105，2.22×105，2.23×105Pa，加速度大小對單體電池的最大壓力影響不大；分析整個壓力變化的動畫可知，加速度大小對整體的壓力分布規律也影響不大.

圖3為1 g算例中不同時刻的壓力分布圖.圖3中選取了五個時間節點：0.28 s時，電解液只是在進口流道中流動；1.6和6.8 s時，電解液在電池內部流動；7和7.4 s時，電解液已經進入到了出口流道.分析可知，在電池內部流動時，整體的壓力變化不大，1.6～6.8 s整體的壓力變化很小，直到進入到出口流道，壓力才開始大幅度變化.這說明了大部分的流阻主要存在于進口流道和出口流道，而流阻是形成電解液分配不均的主要原因.

圖3 1 g算例中不同時刻電池內部位置的相對壓力圖

2.2 加速度方向對單電池電解液注入過程的影響

為研究加速度方向對單電池電解液注入過程的影響，選取了二個加速度方向進行對比分析.算例2-1加速度方向為Y=30g,X=30g；算例2-2加速度方向為Y=30g,X=-30g.兩種方向在5.6 s的電解液分配情況見圖4.

圖4 兩種方向在5.6 s的電解液分配情況

由圖4可知，當加速度方向為右上方時(為了分析方便，將X軸的正、負向定義為右、左，Y軸的正、負向定義為上、下)，電池內部電解液將不可能灌滿.僅在垂直向上的加速度，以及垂直向上和向左的加速度作用下，可以將電池內部灌滿電解液.根據此結果，以及相關流體力學推斷：只有加速度方向的X軸分量為負時，才有可能使電解液灌滿電池；其它方向的加速度都會導致電解液提前從出口流道溢出,因此，此種結構的單電池只能在一定的加速度下達到最佳工作狀態.若在其它不理想的下條件工作，電池中空氣量過多，電池內阻將會升高，將會影響電池的電性能.

為解決加速度方向導致的問題，首先綜合考慮電池加速度的實際工況，優化電池在裝置中的空間結構布局.其次可以通過優化電池的幾何結構，使其可滿足各個方向加速度的要求.

3 結 論

裝置加速度的大小和方向對電池電解液灌注過程有著很重要的影響.

1) 當裝置加速度方向豎直向上時，加速度的大小會影響氣液交界面的形態，加速度越大氣液交界面越分明.并且在灌滿以后，加速度越大，其電池內部產生的氣泡也越少.

2) 當裝置加速度方向豎直向上時，加速度大小的變化對進口最大壓力值的影響很小，對整體壓力分布影響也較小，其中流體的壓降主要存在于進口流道和出口流道.

3) 當裝置加速度方向變化時，只有部分方向可以使電池內部灌滿電解液，可根據裝置實際工況優化電池的空間結構布局，使其滿足使用要求.