電容近炸引信鉛酸電池長儲試驗及性能分析

王洪巖，齊杏林，吳英偉

(1.陸軍工程大學 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.中國人民解放軍63850部隊， 吉林 白城 137001)

0 引言

電容近炸引信電池為引信解除保險、探測感知目標、可靠起爆等提供能源保障，可以說電池的可靠激活、穩(wěn)定的電性能輸出直接影響電容近炸引信探測感知目標的靈敏度，適時起爆和炸高、炸點的精確度，甚至導致電容近炸引信瞎火、早炸等[1]。經(jīng)長儲后的電池是否仍然滿足可靠的電性能輸出等戰(zhàn)技指標，是目前急需探討的問題。

本文對儲存5，6，7，8，9，14年工廠庫房自然儲存的全備引信中電池部件進行放電性能檢測，電池檢測分別模擬引信在高溫(60 ℃)、常溫、低溫(-40 ℃)條件下電池的放電性能，分析電池長儲后是否仍能滿足戰(zhàn)技指標，與出廠數(shù)據(jù)對比分析電池各性能退化趨勢，以及不同作用溫度下對電池性能的影響，探討電池激活時間、最高電壓、電壓波動幅值與噪聲退化機理。

1 電池的組成及工作原理

1.1 電池的組成

該電池主要由溴化物瓶部件、切刀部件、電解液瓶部件、極堆部件及電池殼等零件組成。其組成如圖1所示[2-3]。

溴化物瓶部件的內(nèi)部裝有內(nèi)盒—加重盤部件，隔離劑注入帶有纖維墊的內(nèi)盒中并吸附在纖維墊上，并用膜片和焊片使溴化物瓶密封。其主要功能是貯存隔離劑[4]。

切刀部件即激活機構(gòu)，由刀盤、鉚釘、雙刃刀、三刃刀組裝而成。其主要作用是在感知后坐和離心環(huán)境信息后切開電解液瓶和溴化物瓶的膜片，從而激活電池。

電解液瓶部件內(nèi)部裝有溴化物瓶部件以及壓裝在其外的加重環(huán)，還裝有切刀部件。電解液注入瓶中，用膜片覆蓋瓶口，經(jīng)焊接使瓶密封。該部件的主要功能是貯存電解液，并適時可靠開瓶。

極堆部件由絕緣片、底極板、隔離片、極片和導液板按規(guī)定順序疊裝后，經(jīng)加壓加溫粘接成一整體。成為19組單元電池串聯(lián)在一起的電極堆，底極板為負極匯電板，導液板為正極匯電板。極堆部件的主要功能是接納電解液后實現(xiàn)電化學反應，輸出電能。

1.2 電池工作原理

當彈丸發(fā)射時，安裝在引信中的電池，在后坐加速度和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角加速度的綜合作用下，電池內(nèi)的切刀部件動作，迅速切開貯液瓶的膜片，并進而擴大切口，撕開膜片，使電解液和隔離劑流出。在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，電解液經(jīng)導液板的注液孔進入極堆周邊上注液通道，再由進液口分散進入各單元電池的液室中，與正負極活性物質(zhì)發(fā)生化學反應，使電池激活供電。而隔離劑緊隨電解液之后進入極堆注液通道，將通道內(nèi)的電解液擠往液室中，使其強制滯留在液室內(nèi)。同時隔離劑還將注液通道及進液口的殘存電解液清洗一遍。以便消除注液通道中因有公共電解液而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，從而確保電池正常激活供電[5]。

1.3 電池電化學反應機理

該電容近炸引信電池的正極活性物質(zhì)為二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質(zhì)為鉛(Pb)，電解液為氟硼酸(HBF4)，電化學表達式為[6]

(-)pb|HBF4|PbO2(+)

,

負極化學反應為

正極化學反應為

電池總反應式為

該引信電池正負極反應過程如圖2所示。

2 電容近炸引信電池長儲性能試驗

2.1 長儲性能試驗檢測項目

引信電池的檢測模擬電池在高溫、常溫、低溫3種狀態(tài)工作性能，電池應在低溫-40 ℃、高溫60 ℃下保溫4 h，從溫度箱內(nèi)取出后，應在1.5 min內(nèi)激發(fā)，檢測項目包括激活時間、電壓波動、最高電壓、工作壽命以及電壓噪聲，相關要求如表1所示。

表1 試驗檢測項目Table 1 Test and test items

2.2 長儲性能試驗樣本

引信電池樣本是從無溫濕度控制庫房儲存的非密封全備引信上拆解下來的，包括2003年、2008年、2009年、2010年、2011年、2012年6個生產(chǎn)年份的引信電池于2017年底進行檢測試驗，檢測數(shù)量及狀態(tài)如表2所示。

表2 引信電池試驗樣本分布Table 2 Distribution of fuze battery test samples

2.3 長儲性能試驗設備及方法

試驗設備采用雙環(huán)境力旋轉(zhuǎn)炮測試系統(tǒng)，該設備由主控機、電池彈丸、彈丸發(fā)射控制閥、真空泵、旋轉(zhuǎn)裝置、真空隔離片、測試裝置、三角緩沖木塊、緩沖銅棒、緩沖回收裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示[6-8]。

試驗前啟動主控機并完成初始設置；將引信電池的2根導線插入彈丸插孔內(nèi)，擰緊彈丸蓋后放入彈丸發(fā)射腔內(nèi)；更換真空隔離片并將三角緩沖木塊、緩沖銅棒放入旋轉(zhuǎn)測試裝置內(nèi)；啟動旋轉(zhuǎn)電機后打開真空泵，當負壓和轉(zhuǎn)速滿足要求時，按下發(fā)射按鈕，彈丸發(fā)射控制閥作用釋放電池彈丸，彈丸在負壓作用下加速運動，撞擊三角緩沖木塊實現(xiàn)后坐作用，同時彈丸前端2根針狀物插進三角緩沖木塊隨旋轉(zhuǎn)裝置高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)離心作用，在后坐和離心綜合作用下完成引信電池的激活并進行電池性能測試，緩沖銅棒在彈丸撞擊下退回緩沖回收裝置。

3 試驗結(jié)果分析

試驗檢測結(jié)果表明,長儲后的電池放電性能仍符合要求，各儲存年份電池性能檢測結(jié)果與儲存前同年份電池出廠驗收數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)高溫、常溫、低溫電池性能變化趨勢基本一致。表現(xiàn)為經(jīng)過儲存5，6，7，8，9，14年的電池,隨著儲存時間的增加,電池的激活時間、最高電壓略有下降，電壓波動幅值、工作壽命基本沒有變化，電壓噪聲有個別不符合要求，經(jīng)分析屬檢測環(huán)境與設備引起的干擾噪聲。另外，同年份檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，激活時間和最高電壓隨溫度增加有所減小，工作壽命略有增加。下面著重分析電池的最高電壓與激活時間、電壓噪聲的退化機理，以及不同檢測溫度下電池放電性能的改變原因。

3.1 最高電壓試驗結(jié)果及退化機理

最高電壓是指電池在工作壽命里的最高輸出電壓。檢測結(jié)果表明,經(jīng)長儲后的引信電池最高電壓隨儲存時間的增加有下降趨勢，且隨溫度的升高有增加趨勢。取各年份不同狀態(tài)下電池最高電壓均值，如圖4所示。

從圖4中可以看出，與出廠數(shù)據(jù)對比,電池的最高電壓有下降趨勢，且隨儲存時間增加下降幅度增大；對比同年份高溫、常溫、低溫狀態(tài)下的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨溫度的升高最高電壓也隨之增大。

最高電壓與活性物質(zhì)反應表面積大小及活性、電解液中各離子活度的大小有關[9]。該電池正極活性物質(zhì)二氧化鉛有2種晶型α-PbO2和β-PbO2。β型比α型PbO2的具有更高的放電容量；負極活性物質(zhì)海綿狀鉛具有極度發(fā)達的表面積；根據(jù)熱力學可知，高能量物質(zhì)不穩(wěn)定，具有自發(fā)向能量減少的方向轉(zhuǎn)化，隨著儲存時間的增加正極β-PbO2型緩慢向α- PbO2轉(zhuǎn)化，負極海綿狀鉛合并表面粒子向低表面能方向轉(zhuǎn)化，進而使電池最高電壓降低[10]。

(1)

式中：EΘ為標準電動勢，V；T為絕對溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，8.315 J/(mol·K)；n為電極反應的電子數(shù)，mol(將負極化學反應式改為n，在該反應中n=2)；F為法拉第常數(shù)，96 500 C/mol；α為電池反應中各物質(zhì)的活度，mol/L。

在高溫下電解液的粘度較小，離子活度高，電池激活時間小，輸出電壓高，這就是最高電壓隨溫度升高而增大的原因。

3.2 電壓噪聲試驗結(jié)果及退化機理

電壓噪聲是在電池工作時間內(nèi)，當頻率范圍為10～300 Hz時，正向或負向的噪聲電壓值，當噪聲電壓值≥200 mV時，認為不符合要求。檢測試驗結(jié)果表明,長儲后的引信電池電壓噪聲存在個別不符合要求現(xiàn)象，各年份統(tǒng)計如表3所示。

表3 電壓噪聲試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Voltage noise test result statistics

電源噪聲主要來自于電化學反應、電解液漏液和試驗條件和設備引起的電壓噪聲[11]。

對于(-)pb|HBF4|PbO2(+)電池可能發(fā)生影響電源噪聲的氣體反應有：

負極：Pb+2H+→Pb2++H2↑,

5）關注燃油品質(zhì)的穩(wěn)定性，對調(diào)和方式生產(chǎn)的低硫船用燃油加強質(zhì)量檢驗。2018年8月以來，在休斯敦、巴拿馬、荷蘭、新加坡以及東南亞多個港口陸續(xù)出現(xiàn)問題燃油事件，多艘船舶出現(xiàn)燃油淤積以及燃油噴射泵故障，甚至一些船舶出現(xiàn)停航事故。新加坡檢驗專業(yè)機構(gòu)Maritec的通函顯示，受污染的問題燃油含有苯乙烯和苯酚，而且問題燃油都符合ISO 8217-2005行業(yè)標準，很難被檢測出來。船用低硫燃油的調(diào)和原料具有多樣性、多產(chǎn)地、多成分的特點。船供油公司需增加相溶性方面的檢測，確保供應到船上的燃油符合要求，避免出現(xiàn)質(zhì)量事故。

正極：PbO2+4H+→2Pb2++2H2O+O2↑.

負極如果含有鐵、銅等雜質(zhì)，會加劇析氫反應，從而產(chǎn)生較大的反應噪聲。正極上可能生成Pb(OH)2沉淀，并隨電解液溶解遠離正極從而影響正極活性物質(zhì)的反應面積，形成噪聲。電池一定會發(fā)生電化學反應，因此化學反應引起的噪聲是不可避免的，但可通過提純電解液、活性物質(zhì)等有效減少化學反應對噪聲的影響?；瘜W反應噪聲一般很小，在μV級，不會影響引信的正常工作。

漏液是指電解液在高速旋轉(zhuǎn)作用下，未完全進入極堆反應腔遺留在電解液瓶中或極堆表面的現(xiàn)象。漏液是產(chǎn)生噪聲的主要原因，但需要滿足漏液使相鄰極片、雙性極片的正負極間歇性導通，從而造成電池組局部短路產(chǎn)生電壓噪聲，破壞電壓穩(wěn)定輸出。

另外，如果電極活性物質(zhì)鍍層發(fā)生爆裂、脫落破壞放電化學反應體系、造成輸出電壓不穩(wěn)定，易產(chǎn)生較大噪聲。對于該電池由于種種原因使正極活性物質(zhì)PbO2鍍層脫落，產(chǎn)生一系列的自放電反應放出大量氣體以及沉淀物，造成反應噪聲急劇增大，嚴重破壞輸出電壓穩(wěn)定性。

試驗條件和設備引起的噪聲是指由試驗環(huán)境、檢測設備等引起的電池產(chǎn)生噪聲。例如，檢測設備周圍有突然啟動或關閉的電氣設備，伴隨發(fā)出的電波干擾測試裝置，從而產(chǎn)生電壓噪聲，且多為單脈沖噪聲；電池彈丸測試觸點與旋轉(zhuǎn)測試裝置接觸不良，致使輸出電壓和噪聲不穩(wěn)定。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),不符合要求電池電壓噪聲都為單脈沖噪聲，如圖5所示。

通過探討得出,電化學反應對電源噪聲影響不大,為μV級；漏液和電極活性物質(zhì)鍍層脫落等嚴重破壞電化學體系，產(chǎn)生連續(xù)大噪聲信號，甚至破壞電壓穩(wěn)定輸出[12]；試驗條件和設備引起的噪聲多為單脈沖噪聲，故該電池電壓噪聲是有檢測條件和設備引起的，電池本身無問題。

3.3 激活時間試驗結(jié)果及退化機理

激活時間是從激發(fā)瞬間至電源電壓達到23 V時的時間，因本檢測系統(tǒng)每0.1 s采集一次電壓，并且該電池激活太快，0.1 s時電壓就高達33 V左右，故激活時間檢測沒有具體值，但可以對比0.1 s時電壓的大小來反映出激活時間的快慢，即電壓越大激活時間越小。以常溫電池放電性能檢測結(jié)果為例，對長儲后電池激活時間變化進行分析，取各年份電池0.1 s時電壓的平均值與出廠0.1 s時電壓的平均值對比作圖，0時刻對相應出廠數(shù)據(jù)均值，如圖6所示。另外，取各個年份不同溫度下0.1 s時電壓均值，按儲存時間連線作圖，如圖7所示。

從圖6中可明顯看出，電池經(jīng)長儲后0.1 s對應的電壓值有下降趨勢，也就是說電池長儲后激活時間有所增加，但小于0.1 s，遠遠符合不大于1 s的要求。從圖7中可以得出，同一年份出廠時或者長儲后的0.1 s時電壓值高溫最大，常溫次之，低溫最小，說明溫度越高電池的激活時間越?。煌粻顟B(tài)下的出廠時和長儲后電壓值隨儲存時間增加減小幅度有所增加，說明電池激活時間隨儲存時間的延長而增加。

經(jīng)分析,影響電池激活時間的因素主要有電解液進入極堆的速度、活性物質(zhì)反應表面積大小及活性、電解液中各離子活度的大小[13]。

在高溫下,電解液的離子活度高，粘度較小，進液速度越快，電池激活時間小，輸出電壓高，這就是激活時間隨溫度升高而減少的原因[14]。

由以上分析得出,該電池各放電性能經(jīng)5,6,7,8,9,14年儲存后仍能滿足戰(zhàn)技指標；另外，雖然該電池的儲存壽命為15年，但由檢測結(jié)果來看,各性能參數(shù)值退化較少，遠遠符合要求，預計儲存增加至20年各性能也能滿足要求。

3.4 電壓波動試驗結(jié)果及分析

電壓波動是指在≤0.1 s時間間隔內(nèi)的電壓變化≥1 V時，就被認為是電壓波動。以常溫電池放電性能檢測結(jié)果為例，對長儲后電池激活時間變化進行分析，取各年份電池電壓波動平均值與出廠時電壓波動的平均值對比作圖，0時刻對相應出廠數(shù)據(jù)均值，如圖8所示。另外，取各個年份不同溫度下電壓波動均值，按儲存時間連線作圖，如圖9所示。

從圖8中可以看出，經(jīng)長儲后常溫電池的電壓波動均值變化幅度不大，分布在0.10～0.23 V之間，無明顯退化趨勢，且遠遠符合不大于1 V的要求。從圖9中可以得出，同一生產(chǎn)年份的電池在不同檢測試驗狀態(tài)下，電壓波動均值分布無規(guī)律，說明溫度高低對電池的電壓波動影響不大。

3.5 工作壽命試驗結(jié)果及分析

電池的工作壽命是從激發(fā)瞬間至電源工作電壓降至23 V以下時對應的電池工作時間，電池工作壽命越長說明電池性能越好[15]。以常溫電池放電性能檢測結(jié)果為例，對長儲后電池工作壽命變化進行分析，取各年份電池工作壽命的平均值與出廠時工作壽命的平均值對比作圖，0時刻對相應出廠數(shù)據(jù)均值，如圖10所示。另外，取各個年份不同溫度下電池工作壽命均值，按儲存時間連線作圖，如圖11所示。

從圖10中可知，經(jīng)長儲后常溫電池的工作壽命均值變化幅度不大，分布在193.15～200 s之間，無明顯退化趨勢，且滿足不小于150 s的要求。從圖11中可以得出，相同年份的電池在不同試驗溫度檢測狀態(tài)下，工作壽命均值分布無規(guī)律，說明溫度高低對電池的工作壽命影響不大。

4 結(jié)束語

本文通過對長儲全備電容近炸引信的電池部件進行放電性能檢測，分析電池電性能經(jīng)長儲后的所處狀態(tài)及變化規(guī)律，得出該電池經(jīng)最高14年儲存后仍滿足要求，并討論了引起電池電性能退化的機理。試驗結(jié)果分析得出，高溫、常溫、低溫狀態(tài)下電池電性能變化趨勢基本一致，即隨著儲存時間的增加電池的激活時間有增加趨勢，最高電壓有下降趨勢，電壓波動幅值和工作壽命無明顯變化，電壓噪聲個別有不符合要求，經(jīng)分析屬檢測環(huán)境與設備引起，電池本身電壓噪聲并無失效。另外，同年份高溫、常溫、低溫狀態(tài)下的檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隨溫度的增加激活時間有所減小，最高電壓和工作壽命略有增加。

經(jīng)分析討論得出，電池噪聲主要來自于電化學反應、電解液漏液和試驗條件和設備引起的。激活時間與最高電壓與電解液進入極堆的速度、活性物質(zhì)的活性及反應表面積大小、電解液中各離子活度的大小有關。隨溫度的提高電解液離子活度增強、粘度小，電池放電反應加快致使電池各性能有所改善。