贮备电池中旁路电流的研究

谭 谋，杨 杰，张伟东

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

贮备电池中旁路电流的研究

谭 谋，杨 杰，张伟东

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

集中储液贮备式电池在激活后，电解质注入分配管，通过分配管均分到各个单体电池中。当单体电池间存在电势差时，不同的单体电池之间的电解液管道会存在离子的定向流动，形成旁路电流。本文通过分析旁路电流产生的原因，提出可行的消除旁路电流的方法，对工程具有一定的指导意义。

电池流道 旁路电流 分配管道

0 引言

锌—银贮备电池具有比能量大、大电流放电能力强、贮存时间长、激活时间短、可靠性高等优点，因而被广泛地用在通信、航空、航天和某些特殊的电子产品的配套电源上[1]。电池在接收到激活信号后，点火器点火使电解液隔膜膨胀破裂，电解液被压入分配管，通过分配管均分给各个单体电池。由于电解液通过分配管等公共流道注入到各个单体电池，因而各个单体电池通过公共流道形成串联。当各个单体电池之间存在电势差时，由于电解液的导电性，导致电池之间形成离子的定向移动，形成旁路电流。

1 锌—银贮备电池结构及旁路电流的产生原因

锌—银贮备电池通常由气体发生器、集中贮液区、电解液分配管、单体电池组组成，其常见结构如图1所示。

图1 锌—银贮备电池结构示意图

当电池在接收自动激活信号后，其激活过程为[2]：

1）控制电路给出激活电流。

2）气体发生器点火燃烧，产生大量气体。

3）集中贮液区电解液隔断膜受压破裂。

4）电解液从贮液区进入分配管。

5）电解液通过分配管进入各个单体电池，电池开始放电。

贮备电池的电堆通常由几十个单体电池叠加串联而成，通过电解液分配管将电解液分配给各个单体电池。目前主流的电解液分配系统是等截面分配管道，电解液通过分配管分配到各个单体电池的电解液的容量存在明显差异，其电解液分配均匀性在±10%～±25%之间。由于电解液分配的差异性，导致各个单体电池在注液时存在电势差，各个单体电池通过公共流道形成电解液的闭合回路，使电化学活性物质在电池内部发生定向流动，形成旁路电流。原理结构示意图如图2所示。

图2 旁路电流原理结构示意图

在电池放电时，由于旁路电流的存在，会导致一部分电能转化为电池内部的热能，造成能量的损失，消耗电池内部的存贮能量，降低电池的效率。旁路电流的存在，加剧电极或者管道的腐蚀，降低电池的使用寿命[3]。若电解液通道长期存在，使电池内部保持通路，会导致终端电池阳极和终端阴极之间电池电压降低，电池内部热量激增，引发安全隐患。

电池在放电时，当存在旁路电流时，其理论模拟电路模型如图3所示：

图3 理论模拟电路模型

为减小旁路电流的影响，可以通过增加电解液通道的等效电阻，来降低旁路电流对电池电路的影响，图4为电池公共流道的电阻值与旁路电流的关系示意图。从图中可以看出，随着电解液通道的等效电阻值越大，旁路电流的值越小，对电池的影响越小。

图4 电池公共流道的电阻与旁路电流的关系

2 减小和消除旁路电流的措施与方法。

旁路电流的产生主要是共用电解液通道使电解液通道连接导致。为减小旁路电流，可以通过设计合理的电池结构来提高电解液通道的导路阻抗，而消除公共电解液通道或打断电解液通道则是消除旁路电流的主要思路。

2.1 提高电解液通道的导路阻抗的方法

电阻的计算公式为：

其中ρ为物质的电阻率，l为长度，s为截面积。

如果要增加物质的内阻，可以提高物质的电阻率，增长物质的有效长度、减小物质的有效面积等方法来增加物质的有效电阻。

在电池电解液的公共流道中，为提高电解液通道的有效电阻，可采取的措施如下：

1）改变电解液的电阻率。在锌—银电池中，常用的电解质溶液为氢氧化钾水溶液，不同浓度的电解液浓度，其电阻率不同。当电解液的质量分数为28%时，其电阻率最低。

2）延长电解液的流道长度。电解液的流道长度越长，电解液通道的电阻越大，旁路电流越小。在实际中，可以采用延长连接单体电池与分配管之间的管道或采用曲折的管道来连接单体电池与分配管。通过以上这些措施，可以有效地增加流道的长度，增加流道的阻值，降低电池的旁路电流。

3）减小电解液流道的横截面积，增加电解液电阻。在实际中，可以减小分配管的管径、或采用更细的管道来连接单体电池与分配管，从而降低电解液流道的横截面积，提高电解液通道的阻值，降低电池的旁路电流。

4）在电解液通道中，尤其是连接单体电池和分配管的细长管道中，通过特殊的方法使流道中形成气泡，由于气泡的电导率远大于电解液的电导率，从而增加电解液的有效电阻，降低旁路电流。

5）在电解液的通道内，选择合适的水性高分子材料，如高分子吸水树脂、聚丙烯酸酯等高分子聚合物，使其在碱性溶液中吸水膨胀，控制其膨胀速度，当电解液注入后，水性高分子材料完全胀塞电解液的通道。由于水性高分子材料与电解液的电阻率不同，从而增大电解液流道的电阻值，逐步降低旁路电流。

通过上述方法，可以有效地增加电解液通道的电阻值，从而降低旁路电流，减少其对电池的影响。

2.2 打断电解液通道的方法

通过改变电解液通道的电阻值，可以有效地降低旁路电流，而合理的设计电池结构，可以有效地打断电解液通道，断开旁路电流，从而减少旁路电流对电池库伦效率的影响。

其具体的方法如下：

1）在电解液通道或者分配管中，采用堰或者溢流装置，使电解液在流动中呈现阶梯状，使电解液在公共通道中从连续流动状态变为断断续续状态，使电解液通道被打断，从而阻断旁路电流。

2）在电解液通道中，采用淋浴头结构打断电解液通道。如图5为某专利设计的电解液流道打断的结构[5]。通过控制电解液的流速，使电解液从下向上注入时，电解液从流动状变为喷洒液滴状，通过气隙将电解液从连续变为不连续，从而打断电解液，断开旁路电流。

图5 电解液流道打断结构

3）在电解液通道中，设置旋转阀或者单向阀，将电解液液流阻断，使旁路电路发生阻断，从而降低旁路电流。旋转阀和单向阀尽量选取绝缘电阻率高的材料，从而阻断电子的定向流动。

2.3 其他消除或减小旁路电流的方法

除以上方法外，也可以通过以下手段来减小或消除旁路电流的影响。

1）在电解液通道中通入保护电流，抵消电解液通道之间的旁路电流，从而消除旁路电流，其原理图如图4所示[4]。

图4 保护电流消除旁路电流原理示意图

2）电池的注液时间长短，也能影响旁路电流的大小。当电池的注液时间短，电解液能够快速的注入各个单体电池中，使电解液通道能够快速消除，从而减少电池内部的漏电现象。

3 结论

贮备电池在接收信号激活后，贮存的电解液通过分配管注入多个串联的单体电池。由于电解液的导电性和分配的不均匀性，使串联的单体电池之间存在漏电电流，即形成旁路电流。通过延长分配管和单体电池之间的电解液通道、减小电解液通道的横截面积、缩短电解液的注液时间以及阻断电解液通道等方法，可以有效地增加电解液通道的电阻，减小旁路电流的影响，或者打断电解液通道，断开旁路电流，从而提高电池的库伦效率。

[1] 段志宇, 张锡军. 电池 [J]. 2009. 39(2)： 96-98.

[2] 戴维, 托马斯. B. 雷迪. 电池手册[M]. 北京： 化学工业出版社, 2007： 333—334

[3] 李明华, 范永生等. 液流电池理论与技术—旁路电流模型与控制技术[J]. 储能科学与技术, 2014, 3(2)：167—169.

[4] 张立, 程杰, 杨裕生. 液流电池旁路电流的研究概括[J]. 电源技术, 2008,(7).

[5] 程杰, 文悦华等. 一种液流电池旁路电流断路器[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

谭谋（1989-），男，硕士研究生。研究方向：化学电源。