齊海濱,楊 磊
(國家深?;毓芾碇行?,山東 青島 266237)
目前,載人潛水器均自帶電源,如鉛酸電池、鋅銀電池和鋰電池等[1],作為水下作業(yè)的動力來源。大容量鋅銀電池具有比能量高、放電電壓平穩(wěn)、安全可靠等特點(diǎn),在深海載人潛水器中應(yīng)用廣泛[2]。電池系統(tǒng)是載人潛水器的核心系統(tǒng)之一,需要為潛水器提供所有的動力及控制電源,滿足水下運(yùn)動、機(jī)械手采樣及照明等常規(guī)動力電供給,并為水聲通訊、控制和艙內(nèi)人員生命支持等設(shè)備供電,同時,需要預(yù)留充足的儲備電量,以應(yīng)對各種應(yīng)急突發(fā)情況。
“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器在5年的試驗(yàn)性應(yīng)用階段,一直使用鋅銀電池作為能源系統(tǒng),使用期間發(fā)生過較為典型的故障現(xiàn)象。本文作者針對其中一次典型故障進(jìn)行深入分析,結(jié)合日常使用、維護(hù)保障等方面,對深海鋅銀電池的使用提出注意事項(xiàng)及優(yōu)化改進(jìn)措施,以期對鋅銀電池在深海裝備上的設(shè)計(jì)與使用起到一定的參考作用。
“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的銀鋅電池組由主電池、副電池及備用電池組成。主電池由71只容量為800 Ah的單體電池組成,為潛水器推力器、液壓源等動力設(shè)備提供110 V直流電源;副電池組由16只容量為1 100 Ah的單體電池組成,為潛水器所有儀器儀表及通訊設(shè)備提供24 V直流電源;備用電池組由16只容量為230 Ah的單體電池組成,可以在副電池出現(xiàn)故障時,為關(guān)鍵設(shè)備提供24 V直流電源。在潛水器艙內(nèi)還設(shè)置有一組容量為50 Ah的應(yīng)急鉛酸電池組,在應(yīng)急狀態(tài)下,為諸如水聲通訊設(shè)備、生命支持系統(tǒng)設(shè)備、水面無線電通訊設(shè)備和艙內(nèi)照明燈等應(yīng)急設(shè)備供電[3]。
在載人潛水器水下作業(yè)運(yùn)行期間,鋅銀電池組通過補(bǔ)償油膜的形式,將深海的高壓傳遞至每一只單體電池的極板上,通過電池組內(nèi)的絕緣油,實(shí)現(xiàn)與海水的有效隔離,達(dá)到絕緣的目的[4]。載人潛水器水下多系統(tǒng)多設(shè)備同時使用時,最大放電電流可超過200 A(見圖1),整個作業(yè)過程的能源消耗多集中在潛水器近底作業(yè)期間。
圖1 水下作業(yè)電流曲線
蛟龍?zhí)栐趫?zhí)行某次下潛任務(wù)時,計(jì)劃下潛6 500 m,重點(diǎn)開展大深度全流程功能測試及科學(xué)應(yīng)用任務(wù)。潛水器通電檢查期間,對鋅銀電池組進(jìn)行重點(diǎn)檢查,使用充放電機(jī)對所有單體電池的開路電壓進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)基本穩(wěn)定在1.85 V;使用潛水器絕緣檢測系統(tǒng)對所有電池組進(jìn)行絕緣檢測,數(shù)值正常。潛水器布放入水并進(jìn)行水面檢查時,鋅銀電池組狀態(tài)及絕緣值正常,隨后,潛水器按照計(jì)劃注水下潛。
潛水器在下潛期間,主要使用副電池組提供的控制用電,開展相關(guān)動力設(shè)備功能測試驗(yàn)證工作,主電池組一直處于待用狀態(tài)。潛水器下潛至3 000 m時,艙內(nèi)接地檢測儀出現(xiàn)主電池組相關(guān)回路接地值大于2 mA報(bào)警故障(見圖2),且數(shù)值較大,艙內(nèi)人員隨后按照操作流程,關(guān)閉主電池組相關(guān)供電設(shè)備,但故障現(xiàn)象無明顯改善;切斷主電池組供電開關(guān),接地故障依舊存在;切斷主電池組相關(guān)傳感器供電回路,故障無改善;在艙內(nèi)人員計(jì)劃采取應(yīng)急操作時,艙內(nèi)接地故障無預(yù)兆地改善,并具備潛水器繼續(xù)作業(yè)的最低條件。經(jīng)潛航員對主電池組電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行綜合判斷后,繼續(xù)維持設(shè)備使用,并重點(diǎn)關(guān)注絕緣檢測及主電池組的運(yùn)行參數(shù)。
圖2 主電池絕緣電流隨深度的變化
潛水器完成作業(yè)回收后,針對出現(xiàn)的故障進(jìn)行重點(diǎn)排查。首先,確定絕緣故障點(diǎn),檢查主電池組相關(guān)配電回路,基本確定主電池箱內(nèi)存在絕緣故障;其次,重點(diǎn)檢查主電池箱,打開主電池箱頂部放氣閥,發(fā)現(xiàn)有大量氣體溢出,伴隨刺鼻氣味;最后,打開主電池底部放油閥,發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償油中含有大量黑色顆粒物,且存在刺鼻氣味。綜合以上因素,基本判斷為主電池箱內(nèi)部存在絕緣故障,且發(fā)生電解液泄漏。
拆卸主電池箱,打開補(bǔ)償油膜,查看主電池箱內(nèi)部單體電池情況,發(fā)現(xiàn)其中1只單體電池?zé)?見圖3),并因高溫與周邊2只單體電池熔化為一體,不能分離,電池組頂部及底部存在泄漏的電解液,直接導(dǎo)致主電池組的絕緣問題[5]。
圖3 燒熔的鋅銀電池
經(jīng)對主電池組故障現(xiàn)象的查看,基本可以判斷:因1只單體電池局部過熱導(dǎo)致燒熔,破壞單體電池外壁,引起內(nèi)部電解液泄漏,最終導(dǎo)致主電池絕緣故障。
隨著使用時間的延長,鋅銀電池的容量逐漸降低,不同的鋅銀電池也會因工藝、環(huán)境等諸多因素的影響,在使用后期出現(xiàn)容量偏差。持續(xù)充電使用,會導(dǎo)致該偏差不斷累積。在使用后期,部分電池容量降低,容量消耗完后繼續(xù)放電時,通過消耗電解液,實(shí)現(xiàn)電流的持續(xù)導(dǎo)通,但當(dāng)電解液消耗至極板以下時,電池內(nèi)部極化嚴(yán)重,此時的極板組相當(dāng)于一個阻值不斷增大的發(fā)熱電阻。由焦耳定律[式(1)]可知,持續(xù)大電流通過時,電池內(nèi)部急劇發(fā)熱,會形成局部高溫。高溫會熔穿電池隔膜、殼壁,同時將絕緣油碳化,并伴隨部分堿液泄漏,造成絕緣油發(fā)黑和絕緣電阻下降[6]。
Q=I2·R·t
(1)
式(1)中:Q為熱量;I為電流;R為電阻;t為時間。
導(dǎo)致單體電池容量降低的原因主要有:①該故障單體電池已處于濕態(tài)壽命后期,在正常充電之后,因微短路自放電較大,導(dǎo)致容量下降較多。鋅銀電池使用的隔膜,應(yīng)在-15~35 ℃具有抗高濃度強(qiáng)堿、在強(qiáng)氧化劑作用下保持穩(wěn)定,能阻止鋅枝晶向正極生長以及膠體銀移動到負(fù)極等性能。目前,鋅銀電池采用的水化纖維素膜,雖能在一定程度上滿足上述要求,但隨著時間的延長和循環(huán)次數(shù)的增加,自正極開始逐層被氧化,同時鋅枝晶繼續(xù)增長,導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)微短路,并持續(xù)消耗電池容量。②單體電池在潛水器傾斜或搖擺時,由于電解液面較低,上部極板及隔膜被絕緣油污染,進(jìn)一步影響電池的容量。
綜上所述,鋅銀電池容量降低后,繼續(xù)大電流放電,引起電池發(fā)熱而燒熔,并導(dǎo)致絕緣問題,是此次故障的主要原因。
此次故障是一次較為典型的載人潛水器鋅銀電池問題,也是鋅銀電池使用壽命后期出現(xiàn)概率較大的現(xiàn)象,應(yīng)在深海裝備應(yīng)用中引起高度重視。此次故障在緊急處理后尚能保障裝備使用,但也需考慮可能引起的其他影響。
單體電池問題多,不是偶發(fā)現(xiàn)象,反映了整體電池組的技術(shù)性能有欠缺。單體電池出現(xiàn)的問題,會嚴(yán)重影響深海裝備的水下供電絕緣,導(dǎo)致其他電池組出現(xiàn)大電流放電、容量快速降低等問題,影響裝備能源儲備,降低水下能源安全冗余;單體電池問題引發(fā)的整體電池組故障,會影響潛水器相關(guān)聯(lián)供電設(shè)備,導(dǎo)致運(yùn)行異常,使深海裝備在水下的部分功能缺失;單體電池引起的絕緣問題,會導(dǎo)致在海水環(huán)境中形成電化學(xué)反應(yīng),加速潛水器部分金屬部件的腐蝕,影響結(jié)構(gòu)安全和水下密封等。
針對此類鋅銀單體電池故障,應(yīng)從設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)等多方面進(jìn)行提升改進(jìn),提高使用效率,降低故障發(fā)生率。
采用大深度鋅銀耐壓電池工藝,優(yōu)化電池外形及透氣帽形式,可減少電解液量非正常降低;采用正極輔助隔膜、負(fù)極活性電沉積鋅粉等工藝,增強(qiáng)隔膜的抗銀遷移和抑制鋅枝晶生長能力。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),可提高鋅銀電池的整體性能。
優(yōu)化鋅銀電池的制作工藝流程(見圖4),提升成品的質(zhì)量水平,可降低微短路發(fā)生的概率。對制作工藝進(jìn)行全面梳理,嚴(yán)格執(zhí)行極板壓制、燒結(jié)后浮粉檢查制度,加強(qiáng)對浮粉顆粒的控制,杜絕有浮粉的極板下轉(zhuǎn)使用,重點(diǎn)關(guān)注工藝中的質(zhì)量控制[7]。
圖4 鋅銀電池生產(chǎn)流程
在嚴(yán)格按照鋅銀電池維護(hù)與保養(yǎng)的規(guī)定說明執(zhí)行外,需要加強(qiáng)日常管理與維護(hù),包括:定期進(jìn)行電解液量檢查、電壓檢查,及時補(bǔ)充電解液;鋅銀電池在載人潛水器上的使用經(jīng)驗(yàn)表明,多只串聯(lián)組合的電池組,在電池箱內(nèi)不同位置,電池的環(huán)境溫度差異較大,電池組中心處和外圍的單體電池,環(huán)境溫差可達(dá)15~20 ℃。為減少高溫對電池性能的影響,可在電池組使用一段時間后,調(diào)換單體電池的位置,以均衡單體電池之間的性能;長時間充電作業(yè)后,可對電池組進(jìn)行全放電操作,以均衡單體電池之間的容量偏差;鋅銀電池使用壽命中期,需進(jìn)行中期維護(hù),著重檢查電解液的情況,確保液位高于極板位置,保障電池容量;電池組使用過程中,需定期對充滿電的電池進(jìn)行荷電擱置檢查,確保荷電擱置24 h后,單體電池開路電壓滿足規(guī)定值。
鋅銀電池作為一種穩(wěn)定的能源供給方式,是載人潛水器等深海裝備的重要系統(tǒng)組成之一。在深海中的應(yīng)用,因高壓、溫度、絕緣等因素的影響,與陸上應(yīng)用存在很大的不同。
加強(qiáng)對鋅銀電池在深海應(yīng)用中的研究,尤其是對典型故障情況的研究,有助于更好地認(rèn)識鋅銀電池在深海應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn),總結(jié)探索出高效使用鋅銀電池的方法和技巧,為鋅銀電池在其他深海裝備上的使用提供幫助和參考。