熱電池空中激活的優(yōu)勢(shì)分析*

路陽(yáng)，張慶宏，蔡彬，陳彧欣，靳昊鑫，鄧康

(北京電子工程總體研究所,北京 100854)

0 引言

熱電池作為彈上電源系統(tǒng)的主要電能來(lái)源[1-3]，其一般會(huì)在射前由地面發(fā)控系統(tǒng)激活，激活方式有2種[4-5]：一種是電激活，即使用外電源引爆電火頭發(fā)火，引燃加熱片激活熱電池；另一種是機(jī)械激活，即使用機(jī)械能使火帽發(fā)火引燃加熱片激活熱電池的方式。

熱電池是利用其本身加熱系統(tǒng)，把不導(dǎo)電的固態(tài)鹽類(lèi)電解質(zhì)加熱，并使電解質(zhì)熔融成離子狀態(tài)而進(jìn)入工作狀態(tài)的熱激活一次電源[6]。熱電池具有高比能量、高比功率、激活迅速可靠、大功率放電等特點(diǎn)[7-8]，因此在導(dǎo)彈武器電源系統(tǒng)中占有十分重要的地位。目前隨著對(duì)導(dǎo)彈遠(yuǎn)程、輕小型化這一迫切發(fā)展需求，對(duì)熱電池長(zhǎng)航時(shí)供電、接力供電、輕小型化的設(shè)計(jì)需求也吸引了廣大科研人員的研究興趣。

當(dāng)熱電池被激活后，根據(jù)總體需求，按照導(dǎo)彈的飛行時(shí)序，依次為彈上設(shè)備提供電能。依據(jù)總體需求的特點(diǎn)，往往在導(dǎo)彈大部分的飛行過(guò)程中，是不需要為彈上設(shè)備供電的。由于此時(shí)熱電池已經(jīng)被地面發(fā)控系統(tǒng)激活，其不免要長(zhǎng)時(shí)間放電，導(dǎo)致了大量不必要的電能浪費(fèi)。而技術(shù)人員在設(shè)計(jì)電池時(shí)，會(huì)將電池在非工作狀態(tài)時(shí)的這部分放電時(shí)間全部考慮在內(nèi)，于是所制作出的電池都會(huì)尺寸過(guò)大以及質(zhì)量過(guò)大，這非常不利于彈上電池設(shè)備的小型化和輕型化設(shè)計(jì)理念。

熱電池空中激活本質(zhì)上是導(dǎo)彈采用熱電池長(zhǎng)時(shí)間供電，受技術(shù)、體積、質(zhì)量、成本等因素影響，轉(zhuǎn)而采用分段接力供電，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。也即導(dǎo)彈在地面先不激活，根據(jù)導(dǎo)彈的飛行時(shí)序，當(dāng)導(dǎo)彈飛行一定時(shí)間時(shí)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻激活熱電池，此時(shí)即可滿足彈上設(shè)備供電需求。采用空中激活的方式，不但可以有效避免熱電池在非工作狀態(tài)期間所造成的電能浪費(fèi)，而且也不會(huì)影響熱電池為彈上設(shè)備供電需求。由于減少了熱電池電能損耗，采用空中激活方式的熱電池，其尺寸和質(zhì)量相較于采取地面激活方式所用的熱電池，都會(huì)大幅度降低，從而優(yōu)化熱電池設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)彈上電池設(shè)備的小型化和輕型化這一目標(biāo)。

1 熱電池技術(shù)特點(diǎn)及工作原理

熱電池是第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，由德國(guó)Erb博士發(fā)明的一次使用貯備電池[9-10]。熱電池的電解質(zhì)通常是2種或2種以上的無(wú)機(jī)鹽組成的低共熔鹽，常溫下不導(dǎo)電，熱電池自放電很小，因而熱電池貯存壽命長(zhǎng)。使用時(shí)通過(guò)電流引爆電發(fā)火頭或用撞擊機(jī)構(gòu)撞擊火帽，進(jìn)而引燃內(nèi)部的煙火藥源，使熱電池內(nèi)部溫度迅速上升到500℃左右，使得電解質(zhì)熔融，形成高電導(dǎo)率的離子導(dǎo)體，釋放電能[11-12]。熱電池具有激活時(shí)間短、比能量高、耐瞬間大脈沖能力強(qiáng)、貯存時(shí)間長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[13]，因而被廣泛用于各種戰(zhàn)術(shù)武器中。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，熱電池體系、結(jié)構(gòu)取得很大進(jìn)展，性能有很大提高。

目前，以LiB/CoS2體系的熱電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多防空導(dǎo)彈型號(hào)中，以LiB/CoS2為體系的熱電池的反應(yīng)機(jī)理如下[14-15]：

正極：

(1)

(2)

負(fù)極：

(3)

2 熱電池空中激活的優(yōu)勢(shì)分析

下面分別以短時(shí)間、中等時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間工作的3類(lèi)熱電池為應(yīng)用背景，對(duì)比計(jì)算并分析其在空中激活與地面激活2種不同情形下熱電池的尺寸和重量。

2.1 短時(shí)長(zhǎng)熱電池指標(biāo)計(jì)算

以短時(shí)長(zhǎng)熱電池的工作電壓、電流、時(shí)間、質(zhì)量以及尺寸指標(biāo)為例，進(jìn)行詳細(xì)分析與計(jì)算，以下是短時(shí)長(zhǎng)熱電池的指標(biāo)情況：

(2) 工作電流：第0～30 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為1 A；第30～50 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為20 A；

(3) 工作時(shí)間：50 s；

(4) 質(zhì)量1.2 kg，2塊電池串聯(lián)使用，尺寸為φ48 mm×90 mm×2。

圖1是短時(shí)長(zhǎng)熱電池地面激活時(shí)的放電時(shí)序。從上述指標(biāo)分析可以得出，熱電池在地面被激活后，0～30 s時(shí)彈上設(shè)備已經(jīng)由地面供電，但處于未工作狀態(tài)。第30～50 s時(shí)輸出20 A電流，有效工作時(shí)間為20 s。

圖1 短時(shí)長(zhǎng)熱電池地面激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.1 Short time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

由于熱電池在地面被激活，因此技術(shù)人員在設(shè)計(jì)熱電池時(shí)，需要將第0～30 s時(shí)間內(nèi)的熱電池所消耗電能考慮在內(nèi)，這無(wú)疑增加了電池的質(zhì)量和尺寸。而采取空中激活方式，即在熱電池第0～30 s內(nèi)不工作，無(wú)需考慮這部分熱電池的電能消耗。也即只考慮第30～50 s之間熱電池輸出穩(wěn)態(tài)電流20 A。如果采取空中激活的方式，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出熱電池的質(zhì)量約為710 g，尺寸約為φ56 mm×70 mm。圖2是短時(shí)長(zhǎng)熱電池空中激活時(shí)的放電時(shí)序。

圖2 短時(shí)長(zhǎng)熱電池空中激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.2 Short time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

計(jì)算步驟如下：

(1) 輸出電壓按最大56 V計(jì)算，輸出電流為20 A，工作時(shí)間20 s。電流密度以600 mA/cm2計(jì)算，單體截面積為20 000 mA÷1 200 mA/cm2≈16.67 cm2。于是采用φ48 mm的單體電極，按照每個(gè)單體2.0 V計(jì)算，需要56 V÷2.0 V=28個(gè)，即需要28個(gè)熱電池單體串聯(lián)。

(2) 工作時(shí)間20 s，每個(gè)單體高度按2.0 mm計(jì)算，則28只單體的電堆高度為28×2 mm=56 mm。

(3) 考慮隔熱層、殼體厚度和點(diǎn)火頭安裝位置，實(shí)際熱電池尺寸為φ56 mm×70 mm。

(4) 電池質(zhì)量計(jì)算：2.8 cm2×3.14×7.0 cm×4.1 g/cm3≈710 g。

計(jì)算結(jié)果表明，采用空中激活方式，熱電池的質(zhì)量減少約0.49 kg，減幅達(dá)59.2%。尺寸減少了約54.6%(如表1所示)。

表1 短時(shí)長(zhǎng)熱電池指標(biāo)對(duì)比情況Table 1 Short time battery indicators comparison

2.2 中等時(shí)長(zhǎng)熱電池指標(biāo)計(jì)算

以中等時(shí)長(zhǎng)熱電池的工作電壓、電流、時(shí)間、質(zhì)量以及尺寸指標(biāo)為例，進(jìn)行詳細(xì)分析與計(jì)算，以下是熱電池的指標(biāo)情況：

(2) 工作電流：第0～185 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為0.5 A；第185～200 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為20 A；

(3) 工作時(shí)間：200 s；

(4) 質(zhì)量6.5 kg，尺寸φ125 mm×420 mm。

這部分的計(jì)算過(guò)程和2.1節(jié)類(lèi)似，不再詳細(xì)給出計(jì)算過(guò)程。圖3,4分別為中等時(shí)長(zhǎng)熱電池地面和空中激活時(shí)的放電時(shí)序圖。這里電池的相關(guān)參數(shù)包括：工作時(shí)間15 s，電流密757 mA/cm2，經(jīng)計(jì)算可得電池直徑為φ60 mm。每個(gè)單體2.0 V，單體高度按2.0 mm計(jì)算，則電堆高度為115×2 mm=310 mm?？紤]隔熱層、殼體厚度和點(diǎn)火頭安裝位置，實(shí)際熱電池尺寸為φ68 mm×320 mm，電池質(zhì)量計(jì)算：3.42cm2×3.14×32 cm×4.1 g/cm3≈4.76 kg，對(duì)比指標(biāo)d)，可得出電池質(zhì)量減輕約3.2 kg，質(zhì)量減幅約26.7%，體積減少約58.5%(如表2所示)。

圖3 中等時(shí)長(zhǎng)熱電池地面激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.3 Medium time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

圖4 中等時(shí)長(zhǎng)熱電池空中激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.4 Medium time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

表2 中等時(shí)長(zhǎng)熱電池指標(biāo)對(duì)比情況表Table 2 Medium time battery indicators comparison

2.3 長(zhǎng)時(shí)熱電池指標(biāo)計(jì)算

以長(zhǎng)時(shí)工作的熱電池工作電壓、電流、時(shí)間以及質(zhì)量指標(biāo)為例，進(jìn)行詳細(xì)分析與計(jì)算，以下是熱電池的指標(biāo)情況：

(2) 工作電流：第0～400 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為0.1 A；第400～410 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為20 A；第410～415 s時(shí)間范圍內(nèi)輸出電流為84 A；

(3) 工作時(shí)間：415 s；

(4) 質(zhì)量6 kg，尺寸φ130 mm×96 mm。

圖5,6分別為長(zhǎng)時(shí)熱電池地面和空中激活時(shí)的放電時(shí)序圖。

圖5 長(zhǎng)時(shí)熱電池地面激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.5 Long time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

圖6 長(zhǎng)時(shí)熱電池空中激活時(shí)的放電時(shí)序Fig.6 Long time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

按最大輸出電壓56 V計(jì)算，15 s時(shí)工作電流為84 A，電流密度以2 300 mA/cm2計(jì)算，因此采用φ70 mm的單體電極。按照每個(gè)單體2.0 V，單體高度按2.0 mm計(jì)算，需要28個(gè)熱電池單體串聯(lián)。28只單體的電堆高度為28×2 mm=56 mm。

考慮隔熱層、殼體厚度和點(diǎn)火頭安裝位置，實(shí)際熱電池尺寸為φ80 mm×6 6mm。

電池質(zhì)量計(jì)算：4 cm2×3.14×6.6 cm×4.1 g/cm3≈1.36 kg。

計(jì)算結(jié)果表明，采用空中激活方式，熱電池的質(zhì)量減少約4.96 kg，減幅達(dá)82.6%。尺寸減少了約57.7%(如表3所示)。

表3 長(zhǎng)時(shí)熱電池指標(biāo)對(duì)比情況表Table 3 Long time battery indicators comparison

說(shuō)明1： 以上熱電池的工作時(shí)間都是假設(shè)的，尤其是為了驗(yàn)證采取空中激活方式在減重和減尺寸方面的優(yōu)勢(shì)而虛擬出來(lái)的。

說(shuō)明2： 目前彈上熱電池都是在地面先激活，然后其處于等待工作狀態(tài)。但是熱電池幾乎沒(méi)有不被激活的情形，因此空中激活熱電池這一思路具有一定的可行性，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

說(shuō)明3： 在電池建壓完成后，其內(nèi)阻會(huì)隨工作時(shí)間延長(zhǎng)而增大，即電池在前期比后期的抗大電流能力強(qiáng)。當(dāng)采取地面激活方式，前期小電流密度放電會(huì)造成較大的自損耗，導(dǎo)致后期承載能力下降，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要增加設(shè)計(jì)容量以提高后期抗大電流的能力。而采取空中激活方式，可有效避免增加設(shè)計(jì)容量這一問(wèn)題。

說(shuō)明4： 通過(guò)計(jì)算表明，采取空中激活熱電池的方式可以大幅度減少其尺寸和質(zhì)量，這不但能夠?qū)崿F(xiàn)彈上電池設(shè)備的小型化和輕型化這一目標(biāo)，同時(shí)也為全彈其他設(shè)備的減重與輕型化提供了一種可借鑒的思路。

說(shuō)明5： 在全彈需要長(zhǎng)航時(shí)供電時(shí)，從全彈的供配電角度考慮，如果采用熱電池空中激活方式，不但可以提升熱電池的工作效率，同時(shí)還能優(yōu)化全彈供配電體系設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)應(yīng)引起科研人員的注意。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了熱電池空中激活的問(wèn)題。給出了熱電池技術(shù)特點(diǎn)、工作原理以及熱電池的激活方法。分析了熱電池采取地面激活方式對(duì)電池的質(zhì)量和尺寸所帶來(lái)的不利影響。分別以短時(shí)長(zhǎng)、中等時(shí)長(zhǎng)和長(zhǎng)時(shí)間放電的3類(lèi)熱電池為研究背景，利用空中激活熱電池的方式，詳細(xì)計(jì)算了其質(zhì)量和尺寸，并且與采取地面激活時(shí)熱電池的質(zhì)量和尺寸進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，采取空中激活熱電池的方式，可以大幅度減小熱電池的質(zhì)量和尺寸，從而有利于實(shí)現(xiàn)熱電池輕型化和小型化這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也為彈上其他設(shè)備輕型化與小型化提供了有意義的思路。