余江洪，尹立兵，趙樺糧，詹志剛，3

(1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢 430064； 2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 3.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

雙極性鋅氧化銀貯備電池在比功率、比能量、可靠性和安全性方面的優(yōu)點(diǎn)突出，在某些領(lǐng)域，如水下設(shè)備中，仍在廣泛使用。近年來(lái)，人們對(duì)動(dòng)力型鋅銀電池的比功率和比能量也提出了更高的要求[1]。多數(shù)電池組的失效是由于個(gè)別單體電池容量偏低所致，造成這種情況的一個(gè)主要原因是電池容量不均勻。電池容量不均勻，導(dǎo)致使用過(guò)程中容量偏低的電池組經(jīng)常處于深充、深放狀態(tài)，容量衰減較快。電池組的性能受容量較低的單體電池控制，因此單體電池的容量不均勻造成了電池組的失效。

宋二虎等[2]對(duì)鋅銀電池容量不均勻的問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)提高單體電池容量的均勻一致性的方法進(jìn)行了探索，提出了改進(jìn)途徑，包括化學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)。R.A.J.Bajura等[3]從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面驗(yàn)證了多分支液體分配系統(tǒng)的流動(dòng)性，如壓力分布、流阻等。H.T.Chou等[4]從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面研究多口分布的管道，研究了二維的管道的沿程損失和動(dòng)量損失。J.Y.Wang等[5]對(duì)等截面分支流結(jié)構(gòu)的流量趨勢(shì)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，但只是從靜態(tài)來(lái)分析液體的流動(dòng)。劉志國(guó)等[6]利用流體動(dòng)力學(xué)軟件優(yōu)化單體電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，消除了局部渦流，改進(jìn)了內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性。

本文作者以完整結(jié)構(gòu)的電堆構(gòu)建全尺寸幾何模型，在電解液分配箱的入口施加隨時(shí)間變化的實(shí)際的爆炸壓力作為邊界條件，以單體電池進(jìn)液均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)電解液灌注過(guò)程的全程動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)分配箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得最佳的電池性能。

1 模型及邊界條件

1.1 幾何模型

電堆完整結(jié)構(gòu)及分配箱不同結(jié)構(gòu)局部放大圖見(jiàn)圖1，總網(wǎng)格數(shù)為250萬(wàn)。

電池堆包括20只單體電池，電解液為KOH溶液，進(jìn)入到分配箱之后，通過(guò)進(jìn)液管分配到各單體電池。進(jìn)入各單體電池的電解液量應(yīng)盡量相同，電解液池中殘留的空氣量應(yīng)盡可能少，以減少對(duì)活性區(qū)域的影響；同時(shí)，從出液管排出的電解液量應(yīng)盡可能少，以提高利用率。為此，對(duì)分配箱的進(jìn)口箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，出口尺寸為0.5 mm×2.5 mm×20 mm，不同結(jié)構(gòu)算例及特點(diǎn)如表1所示。

表1 分配箱不同結(jié)構(gòu)算例

1.2 數(shù)學(xué)模型

電池組激活時(shí)，電解液的灌注過(guò)程是KOH溶液進(jìn)入電池框排出空氣的過(guò)程，屬于二相流的問(wèn)題[7]。流體體積(VOF)模型具有追蹤氣液兩相界面移動(dòng)變化的功能，實(shí)驗(yàn)直接利用VOF模型來(lái)研究電解液灌注過(guò)程中氣液運(yùn)動(dòng)。

灌注過(guò)程中沒(méi)有考慮溫度的變化，也沒(méi)有發(fā)生相變，因此不解能量方程。VOF模型的傳輸方程分為3組。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

物理性能方程：

ρ=α2ρ2+(1-α2)ρ1

(3)

ρ=∑αqρq

(4)

動(dòng)量守恒方程：

(5)

式(1)-(5)中：α為相體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度；v為相速度；g為加速度；F為各種力的綜合；μ為黏度；下標(biāo)q表示第q相。

1.3 邊界條件

在進(jìn)口箱施加(如圖2所示)爆炸壓力，大小隨時(shí)間而變；僅考慮1 g的重力加速度。KOH溶液密度為1.35 g/cm3，工作溫度為15～45 °C，黏度為2.5 mPa·s，與空氣接觸時(shí)的表面張力為0.8 N/m，與尼龍材質(zhì)電解液池邊框的接觸角為51 °。

為研究分配箱電解液的流態(tài)及進(jìn)入到各單體電池電解液的均勻性，利用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 結(jié)果及討論

為考察不同進(jìn)液箱結(jié)構(gòu)的影響，選取灌注過(guò)程起始時(shí)刻、中間時(shí)刻及結(jié)束時(shí)刻電解液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。以中間時(shí)刻為例，各算例分配箱KOH溶液體積分?jǐn)?shù)的分布見(jiàn)圖3，速度矢量的分布見(jiàn)圖4。各單體電池灌滿電解液所用的時(shí)間見(jiàn)圖5。

從圖3可知，在算例1中，由于只有1個(gè)進(jìn)液口，流體直接對(duì)著箱底部沖擊，反彈之后形成向左及向右方向的漩渦，影響了箱底側(cè)部進(jìn)入到各單體電池的液體速度，進(jìn)而影響各個(gè)單體電池電解液的分配量。在算例2中，進(jìn)口分成3個(gè)小口，液體進(jìn)入時(shí)有3股液流沖入底部，也形成小的漩渦，但總體而言，速度分布比算例1要均勻。在算例3中，因?yàn)檫M(jìn)口下部有一個(gè)多孔的擋板，可以緩沖進(jìn)入的液體的沖擊，使進(jìn)口箱液體的不均勻性移動(dòng)到擋板之上，擋板下和單體電池進(jìn)口連接的部分較均勻，可對(duì)流體產(chǎn)生一個(gè)再次分配的均勻化作用，因此速度矢量中的漩渦較小，進(jìn)入到各個(gè)單體電池的液體量就比較均勻了。

每只單體電池的容量是相同的，如果要將灌注較慢的單體電池也灌滿電解液，那么已經(jīng)灌滿了的單體電池就會(huì)溢出電解液，產(chǎn)生浪費(fèi)，電解液的溢出量應(yīng)該盡量少。從圖5(a)可知，進(jìn)液口直接對(duì)著的單體電池，速度較快，灌注時(shí)間短；左右兩側(cè)漩渦下的單體電池需要較長(zhǎng)時(shí)間，而兩側(cè)面上由于受壁面限制，動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)換為靜壓頭，速度也較快，灌注時(shí)間也較短。從圖4可知，單體電池灌注時(shí)間和速度矢量分布基本一致。與此類似，圖5(b)中，3個(gè)進(jìn)口直對(duì)著單體電池的進(jìn)液速度也較快，用時(shí)較短，而漩渦下的單體電池進(jìn)液速度較慢，所用時(shí)間較長(zhǎng)；總體來(lái)看，電堆進(jìn)液不均勻性稍有提高。圖5(c)中，因進(jìn)口下方多孔擋板的作用，電堆單體電池電解液灌注時(shí)間比較均勻，整體均勻性最好。

幾種算例結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2灌注時(shí)間、單體不均勻度以及殘留空氣量比較

Table 2Comparisonoffillingtime，uniformityandresidualairofsinglebatteryforeachexample

算例灌滿電池組平均時(shí)間/s單體電池之間不均勻度1)/%電池內(nèi)殘留空氣量/%結(jié)論17.8121單池灌注不均勻較高27.5111單池灌注不均勻較高38.571滿足要求,擋板設(shè)置稍復(fù)雜

1)：?jiǎn)误w電池最先與最后灌滿的時(shí)間差與最后灌滿的時(shí)間值之比

從表2可知，電解液灌注總體平均時(shí)間相差不多，但單體電池之間的不均勻度以第3種結(jié)構(gòu)最好，電池內(nèi)殘余空氣量也相差不大。由此可見(jiàn)，在進(jìn)口箱增加多孔擋板結(jié)構(gòu)后，電解液灌注效果最佳，灌注時(shí)間、單體電池灌注不均勻性和電池內(nèi)殘余空氣等指標(biāo)已達(dá)到要求。

中間擋板的開(kāi)孔孔徑、孔數(shù)及分布對(duì)灌注效果會(huì)有較大的影響。如果開(kāi)孔率相同，孔徑較小但孔數(shù)較多，單體電池不均勻度較好；主進(jìn)口正下方孔分布較稀而向外圍逐漸較密，單體電池不均勻度較好，但是可能導(dǎo)致進(jìn)口壓力增加。盡管增加擋板會(huì)使制造工藝變得復(fù)雜，導(dǎo)致成本增加，但可以提高電池堆的性能及可靠性。該結(jié)構(gòu)已能滿足研發(fā)要求，鑒于計(jì)算量巨大，實(shí)驗(yàn)未對(duì)擋板開(kāi)孔及分布特性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文作者針對(duì)完整結(jié)構(gòu)的電堆，構(gòu)建幾何模型，以實(shí)際爆炸壓力作為邊界條件施加于分配箱入口，基于流體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)分配箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得單體電池電解液灌注量的均勻分配，進(jìn)而獲得最佳的電池性能。在進(jìn)口箱入口下部增加多孔擋板的結(jié)構(gòu)，電解液灌注時(shí)間、單體電池灌注不均勻性、電池內(nèi)殘余空氣等指標(biāo)分別達(dá)到8.5 s、7%和1%，均滿足要求。