一種耐高速旋轉(zhuǎn)的儲備式鋰電池電堆結(jié)構(gòu)

徐春波，余 帆，隋 鑫

一種耐高速旋轉(zhuǎn)的儲備式鋰電池電堆結(jié)構(gòu)

徐春波1，余 帆2，隋 鑫1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電力推進和化學(xué)電源有限公司，武漢 430064）

針對鋰亞硫酰氯儲備電池在高旋轉(zhuǎn)環(huán)境下，電解液集中分配于電堆邊緣，電堆邊緣短路嚴重，出現(xiàn)隔膜燒蝕、工作電壓持續(xù)下降問題，本文設(shè)計了一種耐高速旋轉(zhuǎn)的儲備式鋰亞硫酰氯電池電堆結(jié)構(gòu)，并進行了旋轉(zhuǎn)激活帶載試驗。結(jié)果表明：電池在14000 rpm的轉(zhuǎn)速下，電池放電電壓平穩(wěn)，隔膜未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

儲備式鋰電池 高速旋轉(zhuǎn) 電堆結(jié)構(gòu)

0 引言

近年來，隨著武器裝備的快速發(fā)展，常規(guī)武器如榴彈炮、迫擊炮等戰(zhàn)術(shù)武器智能化程度越來越高，智能炮彈也得到廣泛關(guān)注。炮彈在發(fā)射時及飛行過程中，伴隨著高過載及高速旋轉(zhuǎn)，在彈體內(nèi)部會產(chǎn)生彈塑性應(yīng)力波的傳播，從而會引起彈體內(nèi)每一處節(jié)點的位移、速度、應(yīng)力及加速度的突變[1-4]。因此，在彈丸內(nèi)部為引信供電的電源也要承受相應(yīng)的擠壓、位移、沖擊、離心力等惡劣的工況環(huán)境，造成電源結(jié)構(gòu)的損壞，特別是電堆結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生斷電，電噪聲、電壓下降、內(nèi)部短路等問題，電池失效無法對外供電[1]。引信用貯備式鋰/亞硫酰氯一次電池因其連續(xù)工作時間長，倍率性能好，適合大電流放電，在多種非旋轉(zhuǎn)彈及旋轉(zhuǎn)彈上得到了廣泛應(yīng)用。在國外，早在二十世八九十年代，美國已經(jīng)開展了用于引信的貯備式鋰/亞硫酰氯電池，并成功裝備與多型炮彈上，提升了炮彈智能化程度[1-3]。經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展，逐步解決了電池激活可靠性、耐受高過載及高旋轉(zhuǎn)、及貯存壽命問題。我國在引信用貯備式電池方面，起步較晚，目前只有較少的科研院所開展相關(guān)研究工作[1]。

本文針對貯備式鋰/亞硫酰氯電池在用于旋轉(zhuǎn)彈引信時，所遇到的電池漏電、內(nèi)部短路及電壓下降等問題，提出一種耐受高速旋轉(zhuǎn)的電池電堆結(jié)構(gòu)。

1 高速旋轉(zhuǎn)鋰對電池電性能的影響

貯備式鋰/亞硫酰氯電池用于旋轉(zhuǎn)彈上，在發(fā)射及飛行階段，都將承受較大的旋轉(zhuǎn)離心力。如圖1所示，在離心力作用下，電解液向電堆邊緣位置移動，大量電解液聚集在邊緣部位，雙極性結(jié)構(gòu)電堆中各單元負極與相鄰單元正極通過邊緣過量電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致漏電嚴重，輸出電壓下降，甚至造成內(nèi)部短路，隔膜燒黑，電池失效無法對外供電。

圖1 貯備式鋰亞硫酰氯電池電堆結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗

2.1 電堆改進

針對高速旋轉(zhuǎn)工況下電解液聚集在邊緣導(dǎo)致電池漏電嚴重問題，提出了一種能夠耐受高速旋轉(zhuǎn)的電堆結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)在雙極性電堆的每個單元外部增加聚四氟乙烯材質(zhì)的絕緣環(huán)，將各單元正負極隔離開，用以解決相鄰單元的漏電問題。

圖2 邊緣包覆絕緣環(huán)的電堆結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 高速旋轉(zhuǎn)激活試驗

將改進前后的干態(tài)鋰/亞硫酰氯電池電堆裝配好，并連接上用以記錄數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集板，旋轉(zhuǎn)擰緊于高速電機旋轉(zhuǎn)軸上；電解液分裝于激活管內(nèi)并用薄膜片密封，試驗裝置如圖3所示。用高壓氣將電解液推入電池電堆中，同時開啟高速電機，在規(guī)定時間內(nèi)將電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至指定值。測試電堆旋轉(zhuǎn)激活放電性能。

3 結(jié)果分析與討論

按照2.2所述試驗方法，負載為33Ω，電堆與電解液分開固定裝配于電機旋轉(zhuǎn)軸上，將電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為14000 rpm，待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，開啟高壓氣，將電解液注入電堆中。分別測試改進前后電堆的旋轉(zhuǎn)激活帶載性能，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 高速旋轉(zhuǎn)試驗裝置示意圖

圖4 改進前電堆的旋轉(zhuǎn)激活帶載性能

圖5 改進前電堆的旋轉(zhuǎn)激活帶載性能

由圖4可以看出，改進前電堆在電解液注入后，正常激活，電堆帶載電壓在120 ms左右迅速爬升至9.0 V以上，滿足激活時間要求；帶載電壓到達峰值14.5 V以后，逐漸下降，隨后一直降低至要求電壓值以下。

圖5為在電堆邊緣增加聚四氟乙烯材質(zhì)的絕緣環(huán)后，電堆激活旋轉(zhuǎn)激活帶載曲線?？梢钥闯?，電解液注入后，電池激活正常，且最高電壓達到16 V，并且放電平臺穩(wěn)定在15.5 V左右，電壓未出現(xiàn)下降情況。

對比圖4、圖5，可知，未在電堆邊緣做絕緣措施時，電堆激活后對外供電不穩(wěn)，電壓持續(xù)下降；在電堆邊緣增加絕緣環(huán)并將邊緣密封后，電堆激活正常，在相同的負載下，電堆對外輸出電壓有所上升，且工作電壓平臺穩(wěn)定，未出現(xiàn)電壓下降、掉電等情況。在相同的負載下，改進后電堆對外輸出電壓比改進前電堆高出1.5 V。分析原因，主要在于改進前后電堆的漏電情況不同。由于電解液過量，電堆激活后，在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下，過量電解液向電堆邊緣移動，電堆邊緣聚集大量流動的電解液，導(dǎo)致嚴重的漏電，甚至出現(xiàn)微短路，因此，帶載電壓快速下降。在電堆邊緣增設(shè)耐腐蝕的絕緣環(huán)，并作密封處理后，雖然在高速旋轉(zhuǎn)力下，過量電解液仍然有向電堆邊緣運動的趨勢，但由于邊緣位置增設(shè)絕緣環(huán)并作密封處理，邊緣流動電解液減少，過量電解液在電堆之間分配相對均勻，有效減少了漏電電流帶來的危害，表現(xiàn)為帶載電壓升高，工作電壓平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文提出的一種耐高速旋轉(zhuǎn)的儲備式鋰電池電堆結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在電堆邊緣位置增加耐蝕材料制成的絕緣環(huán)，有效解決了電堆邊緣流動電解液聚集，電堆漏電嚴重的問題。高速旋轉(zhuǎn)激活試驗表明，改進后電堆輸出電壓更高，電壓平臺更穩(wěn)定。隨著炮彈智能化程度越來越高，對引信電池的需求越來越大，為了適應(yīng)引信工作環(huán)境，為引信供電的儲備電池，其結(jié)構(gòu)必然需要耐受高旋轉(zhuǎn)及高過載的惡劣環(huán)境，且僅僅保證電池結(jié)構(gòu)不受損，仍然不能滿足引信對液態(tài)儲備電池放電平穩(wěn)的基本要求，因此需要在電池電堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電解液分配的均勻性等方面做進一步研究工作，使鋰儲備電池在武器裝備上得到更廣泛的應(yīng)用。

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A Kind of Lithium Reserve Battery Stack Surviving High Spin Rotation

Xu Chunbo1, Yu Fan2, Sui Xin1

（1. Wuhan Institute of Electrical Marine Propulsion, Wuhan 430064; 2. Wuhan Changhai Electric Propulsion and Chemical Power Source Co. Ltd, Wuhan 430064）

TM912

A

1003-4862（2019）09-0040-03

2018-02-18

徐春波（1989-)，工程師。研究方向：引信電池研究工作。E-mail: 765117753@qq.com