大電流電池在超高壓力下的試驗工裝設(shè)計

張拉拉 趙旻昕 謝玉林

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，新鄉(xiāng) 453000）

海洋蘊(yùn)藏著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略資源。世界各國不斷加大在國際海域活動的力度，展開了空前的技術(shù)研究與競賽。深海活動離不開高技術(shù)運(yùn)載裝備的支撐，其中以載人潛水器為代表的運(yùn)載裝備不僅對資源調(diào)查與科學(xué)研究作出了杰出貢獻(xiàn)，而且在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1]。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器是一艘由中國自行設(shè)計、自主集成研制的載人潛水器，設(shè)計最大下潛深度為7000m，是目前世界上下潛能力最深的作業(yè)型載人潛水器[2]。“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器在進(jìn)行海底下潛探測活動的所有動力，均來源于自身攜帶的鋅銀電池。鋅銀電池以其比能量高、放電電壓平穩(wěn)以及高安全等特點(diǎn)，在深海載人潛水器上得到了廣泛應(yīng)用[3]。“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器在進(jìn)一步挑戰(zhàn)深達(dá)萬米的全球最深海域探測工作時，所攜帶的電池需克服的最大壓力高達(dá)125MPa，工作電流高達(dá)150A，并保持長時間穩(wěn)定持續(xù)工作。這對電池的抗高壓能力和大電流持續(xù)放電的安全性提出了挑戰(zhàn)。為保證電池能滿足載人潛水器的工作要求，保證其在深海探測活動中的能量供應(yīng)安全，設(shè)計了一套大電流電池在超高壓力下持續(xù)放電工作的試驗工裝。

1 設(shè)計方案

1.1 基本結(jié)構(gòu)

整個試驗工裝主要由鋅銀電池、電池容器、標(biāo)準(zhǔn)密封接頭、高壓密封組件、膠囊、內(nèi)/外護(hù)套、注油孔、放油孔及單向閥等組成，裝配關(guān)系如圖1所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)

1.2 鋅銀電池

由于鋅銀電池內(nèi)部充滿了電池液且無法進(jìn)行完全密封，因此整個電池和工裝必須始終豎直放置，傾斜角度不能超過10°。鋅銀電池由一個尼龍電池盒內(nèi)裝入一定量鋅銀電池液構(gòu)成。通過兩個尼龍底座將鋅銀電池固定在電池容器內(nèi)。

1.3 電池容器

電池容器是一個兩端帶螺紋和密封圈的金屬圓筒。電池被兩個尼龍底座豎直固定在電池容器內(nèi)。通過下端的注油孔將工裝內(nèi)部充滿絕緣液壓油。按順序觀察電池上端伸出的4根大電流導(dǎo)線和3根檢測導(dǎo)線，通過工裝中段的內(nèi)外護(hù)套和膠囊中間壓接到高壓密封組件的4個單芯針和三芯接插件上，其中膠囊可以平衡掉液壓油在高壓下壓縮的體積。工裝上端是標(biāo)準(zhǔn)密封接頭，與高壓試驗井堵頭進(jìn)行硬連接，并將大電流導(dǎo)線和檢測導(dǎo)線引出高壓井，在外部設(shè)備上進(jìn)行大電流放電試驗。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)密封接頭

此工裝上端接口結(jié)構(gòu)是石油類儀器進(jìn)行高壓試驗使用的標(biāo)準(zhǔn)密封接頭及螺套。標(biāo)準(zhǔn)密封接頭上安裝有兩道O型密封圈，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部壓力和外部的隔離。通過此接口可將工裝與高壓試驗設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)硬連接。標(biāo)準(zhǔn)密封中間安裝了高壓密封組件，可實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部與接頭外部的壓力隔離，并實(shí)現(xiàn)電流和控制信號向外連接傳遞。

1.5 高壓密封組件

高壓密封組件由高壓插座、單芯針、單芯接頭、絕緣套、絕緣墊、三芯密封塞以及密封圈等組成。高壓密封組件用來承受工裝內(nèi)部與外部的壓力差。高壓密封組件內(nèi)包括單芯針、單芯接頭和三芯密封塞等，如圖2所示。其中，單芯針的最小電流截面直徑為6mm，過流截面積為28mm2，安全載流量為140A。4支單芯針分為兩入兩出，可滿足280A的電流安全通過。三芯密封塞負(fù)責(zé)傳遞電池內(nèi)部的控制和檢測信號。

1.6 壓力平衡措施

工裝中段采用一個橡膠膠囊來平衡絕緣液壓油在高壓下縮小的體積。膠囊內(nèi)、外均使用金屬護(hù)套保護(hù)，防止膠囊損傷。

工裝內(nèi)的絕緣液壓油總體積約140L，在高壓下的體積變化率為0.0006/MPa。在125MPa壓力下，體積壓縮為10.5L。此工裝實(shí)際采用的膠囊長480mm，內(nèi)徑72mm，內(nèi)部護(hù)套外徑45mm，橡膠筒可平衡的體積為11.9L，可完全補(bǔ)償絕緣液壓油在125MPa壓力下的體積壓縮。

圖2 高壓密封組件示意圖

1.7 電池容器

電池將被放置在電池容器內(nèi)，并固定在上下兩個尼龍底座之間。電池上安裝的線纜可通過尼龍底座自帶的過線孔引到高壓密封組件處。

2 結(jié)語

此工裝設(shè)計成功將石油類儀器的抗高壓設(shè)計與銀鋅電池的大電流安全工作特點(diǎn)融合到新的國家深海探測重點(diǎn)研究項目中，積累了銀鋅電池在深海高壓領(lǐng)域安全應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗。高壓密封組件成功實(shí)驗驗證了高壓下銀鋅電池的大電流放電工作中的承壓和大電流的通過能力，為國內(nèi)大電流承壓接插件方面積累了新的經(jīng)驗和技術(shù)。