銀鋅一次電池電液分配系統(tǒng)的二維模擬與優(yōu)化

彭政 趙書利 余罡 肖金生

（1. 中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢430064；2. 武漢理工大學汽車工程學院，武漢430070)

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

鋅銀電池有成本高、壽命短的缺點，但其在比功率、比能量和可靠性上的突出優(yōu)點，使其在某些特殊領域，如水下設備、魚雷以及航空航天等領域仍在廣泛使用。近年來，隨著現(xiàn)代新型魚雷航程和航速指標的大幅提高，對動力型鋅銀蓄電池的比功率和比能量也提出了更高的要求[1]。

經(jīng)過實驗分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)電池組的失效是由于個別單體電池容量偏低所致，造成這種情況的一個主要原因是電池容量不均勻。電池容量不均勻?qū)е率褂眠^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。由于電池組的性能受容量較低的單體電池控制，所以單體電池的容量不均勻性造成了電池組的失效。宋二虎、范建國對鋅銀蓄電池容量不均勻的問題進行了分析，并對該電池各單電池容量的均勻一致性的方法進行了探索，提出了改進途徑，包括化學和結構方面的改進[2]。

盧波、魏杰、阮慶征等提出了一種新的變截面管道，改善了各個單體間的流量分配均勻性[3]，Bajura，R. A.Jones，E. H. Jr從理論和實驗兩個方面驗證了多分支液體分配系統(tǒng)的流動，壓力分布、流阻等[4]，Chou， H.-T， Cheng， 等從實驗和數(shù)值計算兩個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量損失[5]，Wang J.Y，Gao Z.L對于等截面分支流結構的流量趨勢有大量的理論分析和試驗研究結果[6]。但是這些也只是從靜態(tài)來分析液體的流動。

本文基于CFD模擬分析來模擬銀鋅電池的電解液分配系統(tǒng)的動態(tài)進液過程，然后根據(jù)結果分析原因，優(yōu)化電解液分配系統(tǒng)結構。

2 原始模型二維模擬

單進口電池組二維簡化模型如圖1所示，尺寸：單電池尺寸為176×14.2 (mm)，電池間的間距為1.6(mm)，進液支管尺寸為4×4 (mm)，進液總管尺寸為568.8×16 (mm)。

初始及邊界條件：假設進口物質(zhì)的密度設置為1000 kg/m3，出口質(zhì)量流率保持在7.0574 kg/s，由公式m˙=ρA ν，得 ν≈35 m/s。

初始時刻電池內(nèi)充滿空氣，壓力為0MPa（表壓 ）， 進 口 速 度 ν= 35 m/s， 質(zhì) 量 流 量

圖1 單進口電池組實際尺寸簡化二維模型

計算結果如下：

進液2/3時，空氣和液體兩相分布如圖2所示。

進液9/10時，空氣和液體兩相分布如圖3所示。

圖2 進液2/3時空氣和液體兩相分布

從以上的結果可以看到，單進口電池組進液模型各電池進液量偏差較大，不能滿足進液均勻性，現(xiàn)需要改變電池組進液方式，提高進液的均勻性。

圖3 進液9/10時空氣和液體兩相分布

3 模擬優(yōu)化

優(yōu)化主要從以下兩個方面進行：從進液過程來看，單個進口是很難滿足要求的，所以必須增加進口數(shù)量；由于各電池進液量偏差較大，所以要從結構的改進方面來優(yōu)化。

3.1 雙進口電池組二維進液模型模擬

不改變總管尺寸，僅將初始方案的質(zhì)量流量減半，進口端改為兩端同時進液。結構尺寸與初始模型尺寸一致。幾何模型如圖4所示。

圖4 雙進口電池組二維模型

初始條件及邊界條件：左右兩個進口速度v1= v2=17.5m/s，進口質(zhì)量流量 m˙1=m˙2=280 kg/s。

計算結果：由于所給定的進口總質(zhì)量流量與初始方案的一樣，所以所需進液時間不變，但均勻性有所提高，分析如下。

(1)進液2/3時，空氣和液體兩相分布如圖5所示，雙進口系統(tǒng)已經(jīng)改變了單進口時兩端進液體積相差太大的特點，中間的一些單電池進液已經(jīng)相對比較均勻，只是兩端單電池進液體積偏少。

(2)進液9/10時，空氣和液體兩相分布如圖6所示。

圖5 進液2/3時，空氣和液體兩相分布

圖6 進液9/10時，空氣和液體兩相分布

由以上結果可以看出各個單電池的進液均勻性已經(jīng)大大增強。

3.2 進液總管形狀的優(yōu)化

由前面的計算結果可以看出離進口越遠的單電池進液越多，因此可以將遠端的管徑減小，改變電池組的結構及尺寸，使得液體能均勻的注入到每個單電池。

幾何模型如圖7所示。

圖7 改變總管形狀幾何模型

幾何尺寸：進口前端d1=16 mm，中端 d2=8 mm，其他尺寸與初始尺寸一致。初始及邊界條件：進口速度 v =35m/s，進口質(zhì)量流量由于所給定的進口總質(zhì)量流量與初始方案的一樣，所以所需進液時間不變，但均勻性有所提高。

(1)進液2/3時，空氣和液體兩相分布如圖8所示。由圖中可以看出，靠近總進口的單電池的進液體積明顯增多，比平行總管時的均勻性好。

(2)進液9/10時，空氣和液體兩相分布如圖9所示。

圖8 進液2/3時空氣和液體兩相分布

圖9 進液9/10時空氣和液體兩相分布

由以上結果可以看出，總管形狀的變化對電解液均勻分配是很有很大影響的，縮小進液口遠端的管徑有利于電解液的均勻分配。

3.3 雙進口變截面總管電池組進液模擬

上面兩種優(yōu)化方案對電池組進液的均勻性均有所提高，但不能達到完全的均勻，仍存在進液體積相差較大的情況?，F(xiàn)綜合以上兩種方案，盡量減少進液體積少的單電池數(shù)目，電池組兩端同時進液，并且使得進液總管為變截面。

幾何模型如圖10所示。尺寸：進口前、尾端d1=16 mm，中端d2=8 mm，其他尺寸與初始尺寸一致。

初始及邊界條件：

進口速度 v1= v2=17.5m/s，

圖10 雙進口變截面總管電池組幾何模型

計算結果：由于所給定的進口總質(zhì)量流量與初始方案的一樣，所以所需進液時間不變，但均勻性有所提高。

進液2/3時，空氣和液體兩相分布如圖11所示。

進液 9/10時，空氣和液體兩相分布如圖 12所示。

圖11 進液2/3時，空氣和液體兩相分布

圖12 進液9/10時，空氣和液體兩相分布

由以上幾種優(yōu)化方案得出：

(1)進口數(shù)量的增加和進氣總管的幾何形狀優(yōu)化都對均勻性有利。

(2)進口數(shù)量的增加和進氣總管的幾何形狀優(yōu)化同時進行得到的效果更好，但是找到一個合適的進口數(shù)量和進氣總管幾何形狀變化斜率是要進一步研究的目標。

4 結論及展望

通過計算了解了二維電池組進液過程及每個單電池中液體的分布情況，為三維的模擬計算做好了基礎。并得出以下結論：

(1)通過增加進口數(shù)量可以使均勻性提高，進口數(shù)目的過多會不利于整個電池系統(tǒng)的布置。

(2)采用錐形的進氣總管使均勻性提高，但是錐度過大將使進氣總管的加工難度加大。

(3)采用多進口，錐形的進氣總管可以使均勻性基本達到要求。

但是以上工作在模型的使用上還是做了大量的簡化，而且缺乏工程實驗數(shù)據(jù)的驗證與支撐，所以很有必要深入研究下去，我們還可以做以下幾個方面的研究工作：

(1)做三維耦合的模擬計算，可以把實際不加任何簡化的模型計算出來，對實際工作有很好的指導意義。

(2)做一些實地測量試驗可以更精確的驗證模擬結果，指導實際工作。

[1]錢慶三, 穆舉國, 范建國. 高功率鋅銀整體蓄電池的研制. 電池工業(yè), 2004, 9(5)： 247-249.

[2]宋二虎, 范建國. 提高鋅銀電池容量一致性的途徑.電池, 1997, 27(3)： 120-121.

[3]盧波, 魏杰, 阮慶征等. 電解液流動分配研究. 電源技術, 2006, 30, (1)： 60-62.

[4]Bajura, R. A., Jones, E. H. Jr. Flow distribution manifolds. American Society of Mechanical Engineers,n 76-FE-7, 1976, 15.

[5]Chou, H.-T, Cheng, R.-Y. Outflow distribution along multiple-port diffusers. Proceedings of the National Science Council, Republic of China, Part A： Physical Science and Engineering, v 25, n 2, March, 2001,94-101.

[6]Wang .J.Y, Gao. Z.L. Analytical solution of flow coeffients for a uniformly distributed porous channel.Journal of Chemical Engineering, 2001, 84：1-6.