在深海载人潜水器上应用的锌银电池

2016-10-13杨申申

船电技术 2016年9期

杨申申，王瑶，张伟，谢飞

在深海载人潜水器上应用的锌银电池

杨申申，王瑶，张伟，谢飞

（中国船舶科学研究中心深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡214082）

锌银电池以其比能量高、放电电压平稳、高安全等特点，在深海载人潜水器上得到广泛应用。本文从承压性能、析气量、绝缘性能三个方面论述应用于“蛟龙号”载人潜水器锌银电池关键技术的解决。通用“蛟龙号”潜水器的应用表明该电池在7000m水下环境中工作时安全可靠。

锌银电池载人潜水器深海

0 引言

大容量锌银电池具有比能量高、放电电压平稳、安全可靠等特点[1,2],在深海载人潜水器上得到广泛应用。以“蛟龙号”载人潜水器为例，锌银电池担负着为各种机电设备提供动力源及仪器仪表电源的任务。与陆用锌银电池不同，深海载人深潜器用锌银电池需要具备以下几个特点：1）电池组能承受海底高压环境，并能适应载人潜水器上浮及下潜时压力的迅速变化，如“蛟龙”号载人潜水器锌银电池可在最大71 MPa环境压力及最大每小时36 MPa的压力变化率下正常工作。2）电池必须采取措施，防止电解液在电池气体析出时被带出进入绝缘油，引起电池间的短路。3）绝缘性能佳，湿态电池置于充油容器内经数个充放电周期后，单体电池极柱对外壳绝缘电阻应不低于5 MW。

本文将从承压性能、析气量、绝缘性能三个方面简要地论述锌银电池关键技术的解决。

1 锌银电池关键技术

1.1 承压性能

为了承受深海的高压,应用于载人潜水器上的电池箱和电池一般采用充油压力补充式的耐压结构。图1和图2为“蛟龙号”载人潜水器的电池箱和电池结构图。

图2 单体电池结构图

电池箱的耐压结构包括气体单向阀、放油口、橡胶皮囊和电池箱壳等部件，电池单体直接固定在电池箱中，周围充满绝缘油。当电池箱的外界压力增大时，压力通过皮囊传递到箱内，绝缘油压缩，皮囊内陷，箱体内、外压平衡。这种压力传导方式可避免电池箱体发生形变,从而有效地保护了电池箱的安全。此处单向阀是作为安全阀使用，当内压意外增大时，单向阀打开，气体排出，对箱体起保护作用。

电池的耐压结构原理与电池箱的耐压结构基本相同。在“蛟龙”号载人潜水器锌银电池研制过程中，由于单体电池的多孔极板及纤维素膜属受压形变较大的物质，在高压环境下内部物质体积收缩较快，必须补充适量绝缘油以达到箱内外压力平衡。为解决这一关键技术，在单体电池结构设计时以隔离层的形式增加了补偿囊腔。考虑到可维护性，蓄电池箱的电池采用单层布置，特别是主蓄电池箱受框架布置位置限制，底面积较小，蓄电池高度很高，这对制作细长极板带来困难。在原有技术的基础上进行了技术改进，采用加固型银丝网及特制模具，满足要求的条形薄极板试制成功。

为考核充油式压力补偿耐压结构的实际效果，同时为获取电池箱上压力补偿器的补偿量，在“蛟龙号”载人潜水器锌银电池研制过程中专门设计了一套电池压力筒试验装置，对这些电池进行了压力筒模拟加压试验。压力筒试验表明，在71MPa压力下，电池有不低于6.4％的压缩率。压力筒试验前后电池放电性能对比结果表明其电容量没有变化，电池也完好无损。

1.2 析气量

锌银蓄电池负极上容易发生析氢反应而产生气体。在水下高压环境下，气体被压缩，当潜水器上浮时，随着压力迅速的降低，电池产生的气体体积将快速地增大。在气体逸出单体电池壳体时会夹杂电解液进入到绝缘油中，降低绝缘油的绝缘电阻，引起电池之间的短路。因此，减少电池放电时的析气量成为锌银蓄电池关键技术。在“蛟龙号”载人潜水器的研制过程中，利用正交试验原理，对极板（尤其是负极锌极板）进行了多种配方研究，先后投入三十多只电池进行全寿命循环测试，挑选出最佳配方。图3中列出的三种配方的析气量比较图。其中，方案1按照绿色环保电池原则，在负极极板中加入多种添加剂，在模拟试验中达到析气量0.08 ml/Ah左右，小于0.1 ml/Ah的要求，达到设计指标。

1.3 绝缘性能

由于电池电解液是导电的碱性物体，在充放电过程中产生的气体从单体电池排出时容易携带出部分电解液而进入绝缘补偿油中，这将导致绝缘油的绝缘性能急剧下降。在上个世纪七十年代7103艇在使用充油式补偿结构时就曾发生过这种情况。“蛟龙号”载人深潜器用锌银蓄电池与之相比，其电池容量、承受压力及压力变化率更大，尤其在潜器返回而减压时，使用中产生的气体更易带出电解液，析气对绝缘影响的问题更为突出。为此，“蛟龙号”项目中作为技术攻关措施设计了专用气帽来吸收部分电解液。绝缘措施除延用气帽的技术措施外，还在补偿界面增加了一道固态透气隔膜。另外一种方案在其间增加了一层第三种液态层以充当隔膜功能。经过试验表明，采用第一种方案，经五个充放电循环后用500MΩ表测补偿油绝缘电阻，仍为无穷大。