一次電池快速激活帶載應(yīng)用研究

王升貴，袁思鳴，王海清，陳迎亮，高新龍

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第705 研究所昆明分部，云南昆明 650101；2.中國(guó)人民解放軍92578 部隊(duì)，北京 100161；3.海軍駐昆明地區(qū)第二軍事代表室，云南昆明 650101；4.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

隨著潛艇機(jī)動(dòng)性、隱蔽性、探測(cè)距離等性能的日益提升，以及戰(zhàn)場(chǎng)前沿的不斷前移，全球海軍面臨嚴(yán)峻的反潛形勢(shì)，傳統(tǒng)的水面艦近距離反潛已不能滿足打擊高性能新型潛艇的需求。直升機(jī)反潛、水面艦遠(yuǎn)程反潛、岸基反潛等反潛形式應(yīng)運(yùn)而生。伴隨前述反潛作戰(zhàn)模式的改變，作為反潛利器的魚(yú)雷，特別是歐洲乃至世界魚(yú)雷武器庫(kù)競(jìng)相更新發(fā)展的電動(dòng)力魚(yú)雷，需要適應(yīng)艦載發(fā)射、空投發(fā)射和火箭助飛發(fā)射等新形式。為滿足多平臺(tái)發(fā)射對(duì)電動(dòng)力魚(yú)雷入水初始姿態(tài)的控制，同時(shí)適應(yīng)淺水海域作戰(zhàn)使用需求，一次電池需要在魚(yú)雷入水幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定功率帶載，以及特定彈道模式下的滿功率運(yùn)行，這對(duì)一次電池提出了全新需求。

鋁氧化銀電池作為魚(yú)雷動(dòng)力電池已有30 余年歷史，是當(dāng)今裝備魚(yú)雷最先進(jìn)的動(dòng)力電池之一[1]。國(guó)外，鋁氧化銀電池比能量可達(dá)160 Wh/kg以上，從激活到滿功率輸出需要十幾秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間，通常用于潛射重型魚(yú)雷。熱電池以激活快、低溫性能好、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天等武器裝備領(lǐng)域[2]。國(guó)外以LiB 合金做負(fù)極的熱電池比能量可達(dá)80 Wh/kg 左右，從激活到滿載輸出僅需一點(diǎn)幾秒甚至更短。本文在對(duì)兩種體系電池進(jìn)行特性研究分析基礎(chǔ)上，采用2 種不同體系電池實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合電源技術(shù)，充分利用熱電池激活快速性和鋁氧化銀電池高比能量的特性，提出滿足空投魚(yú)雷、火箭助飛魚(yú)雷對(duì)一次電池激活帶載時(shí)間、系統(tǒng)比能量等指標(biāo)需求的解決方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

1 電池特性研究和需求分析

1.1 鋁氧化銀電池

鋁氧化銀電池屬于貯備式一次電池[3]，通過(guò)引入外界海水溶解自身攜帶的堿粉形成電解液參與電化學(xué)反應(yīng)而對(duì)外釋放電能。電池組激活帶載性能受電池艙注液速度、電極浸潤(rùn)速度、本體串聯(lián)電芯數(shù)、環(huán)境溫度及自身歐姆阻抗等因素影響，初始階段帶載能力隨著正負(fù)極活化程度的不斷推進(jìn)而緩慢上升，從而影響鋁氧化銀電池初始激活帶載性能。

鋁氧化銀電池激活起始階段典型電壓曲線如圖1 所示，從發(fā)出激活指令到輸出電壓220 V 以上，時(shí)間較長(zhǎng)。開(kāi)路電壓穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)小功率加載實(shí)現(xiàn)低倍率放電，其激活過(guò)程電壓曲線如圖2 所示，受極化及歐姆阻抗影響，帶載能力較弱，電壓呈下降趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，激活起始階段，電化學(xué)極化是影響鋁氧化銀電池放電倍率的主要因素；激活過(guò)程，雙極性電極歐姆阻抗則是影響其快速帶載的主要因素。

圖1 開(kāi)路激活電壓曲線

圖2 激活過(guò)程帶載電壓曲線

模擬魚(yú)雷水下航行不同速制下負(fù)載特性，對(duì)鋁氧化銀電池帶載能力進(jìn)行測(cè)試，其負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程性能曲線如圖3所示。由圖中曲線可確定，鋁氧化銀電池在初始階段帶載響應(yīng)能力顯著落后于設(shè)定加載要求；而在中后期，電池帶載響應(yīng)能力明顯改善，可以滿足設(shè)定加載要求。研究表明，該種負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力主要是鋁氧化銀電池自身特性(如堿粉配方、流量、活化程度等)所決定的。此外，根據(jù)圖3 曲線可看出，鋁氧化銀電池工作電壓較為穩(wěn)定，帶載工作600 s 后仍具備加載大功率的能力。

圖3 加載過(guò)程典型性能曲線

1.2 熱電池

熱電池同樣屬于貯備式一次電池[4]，采用常溫下處于固體狀態(tài)的熔融鹽作為電解質(zhì)，通過(guò)激活系統(tǒng)引燃內(nèi)部加熱源使電解質(zhì)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)而與電極活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)對(duì)外快速輸出電能。

熱電池組開(kāi)路激活過(guò)程電壓曲線如圖4 所示，電壓在0.7 s 即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其激活輸出電壓能力遠(yuǎn)超鋁氧化銀電池。在恒功率負(fù)載模式下，帶載電壓曲線如圖5 所示。根據(jù)圖中曲線可看出，熱電池的激活時(shí)間只有1 s 左右，具有優(yōu)異的快速激活性能；但電池帶載電壓呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，最高電壓出現(xiàn)在激活初期，表明熱電池具備較強(qiáng)的快速激活帶載能力。

圖4 開(kāi)路激活過(guò)程電壓曲線

圖5 帶載電壓曲線

2 組合電源

2.1 激活帶載設(shè)計(jì)

為滿足多平臺(tái)發(fā)射魚(yú)雷武器對(duì)電池快速激活與高能量密度兼顧的需求，將熱電池和鋁氧化銀電池進(jìn)行組合應(yīng)用，充分利用熱電池的快速激活帶載、鋁氧化銀電池的高比能量穩(wěn)定帶載特性，有效解決魚(yú)雷武器入水初期的快速激活帶載及后期大功率穩(wěn)定帶載問(wèn)題。從產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)激活帶載過(guò)程進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

(1)同步激活，提升帶載速度：調(diào)整產(chǎn)品電路和激活時(shí)序，實(shí)現(xiàn)熱電池和鋁氧化銀電池同時(shí)激活。該設(shè)計(jì)使得鋁氧化銀電池激活零點(diǎn)提前，提升了產(chǎn)品帶載速度。同時(shí)，該設(shè)計(jì)使得熱電池能夠同時(shí)為全雷及鋁氧化銀電池的泵電機(jī)供電，可簡(jiǎn)化鋁氧化銀電池的自用電機(jī)熱電池；

(2)變功率輸出設(shè)計(jì)，提升體積和質(zhì)量比能量：熱電池成組是通過(guò)單元電池的串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在電壓一定的情況下，大功率輸出均采用增加并聯(lián)單元電池?cái)?shù)量的方式實(shí)現(xiàn)。單元電池?cái)?shù)量越多所占用的空間越大，質(zhì)量也越重。相對(duì)于鋁氧化銀電池而言，熱電池的體積比能量和質(zhì)量比能量均較低。對(duì)于空投魚(yú)雷、火箭助飛魚(yú)雷而言，由于具備較高的初始速度，其激活初期大功率輸出要求并不十分嚴(yán)苛。為此，在全產(chǎn)品設(shè)計(jì)上提出了變功率輸出的設(shè)計(jì)，即在激活初始的10 s 內(nèi)輸出功率只有額定功率的1/3 至1/2，以減小熱電池輸出功率，提升系統(tǒng)體積和質(zhì)量比能量。

2.2 組合電源特性匹配

熱電池與鋁氧化銀電池構(gòu)成組合電源，需要采用并聯(lián)供電的方式實(shí)現(xiàn)電能的輸出。在電池設(shè)計(jì)方面需要做好電壓匹配和隔離設(shè)計(jì)。

相對(duì)于鋁氧化銀電池而言，熱電池的工作電壓范圍較大。在產(chǎn)品額定電壓范圍一定的情況下，兩種體系電池的電壓設(shè)計(jì)需要遵循以下原則，以期獲得組合電源性能最佳。

(1)熱電池設(shè)計(jì)電壓應(yīng)以產(chǎn)品額定電壓的上限為基準(zhǔn)，鋁氧化銀電池設(shè)計(jì)電壓應(yīng)以產(chǎn)品額定電壓的下限為基準(zhǔn)；

(2)在此基礎(chǔ)上，盡量提高鋁氧化銀電池電壓，以縮短熱電池的工作時(shí)間，減小熱電池質(zhì)量，從而維持組合能源有較高的系統(tǒng)比能量。

熱電池與鋁氧化銀電池并聯(lián)供電需要采取隔離設(shè)計(jì)，以防止相互充電而帶來(lái)安全性問(wèn)題。隔離設(shè)計(jì)可采用二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要解決好散熱及二極管壓降帶來(lái)的輸出電壓降低問(wèn)題。至于是采用單隔離方案還是雙隔離方案，還需要結(jié)合熱電池與鋁氧化銀電池的自身特性及組合電源的具體設(shè)計(jì)方案而定。

2.3 負(fù)載特性

基于前述設(shè)計(jì)思路，完成了熱電池與鋁氧化銀電池的組合電源樣機(jī)，并結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了恒功率放電考核。組合電源激活過(guò)程電壓曲線如圖6 所示,激活指令發(fā)出僅0.5 s 輸出電壓就達(dá)到了最大值，表現(xiàn)出良好的帶載性能。在預(yù)設(shè)的加載模式下，組合電源輸出性能曲線如圖7 所示。從圖中可看出，激活約8 s 出現(xiàn)電壓、電流曲線趨勢(shì)變化的第一分界點(diǎn)，電壓從下降趨勢(shì)變?yōu)榱松仙厔?shì)，而電流則從上升趨勢(shì)變?yōu)榱讼陆第厔?shì)，這是由于熱電池和鋁氧化銀電池帶載交替導(dǎo)致。組合電源全程負(fù)載特性曲線如圖8 所示，整個(gè)放電過(guò)程組合電源輸出功率穩(wěn)定，電壓變化平緩表明組合電源實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)接力供電的無(wú)縫銜接，既滿足了初期的快速啟動(dòng)需求，又滿足了后期長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定帶載需求。

圖6 激活過(guò)程電壓曲線

圖7 加載過(guò)程性能參數(shù)曲線

圖8 組合電源負(fù)載特性曲線

從整體測(cè)試情況來(lái)看，激活帶載過(guò)程電壓曲線出現(xiàn)了從下降轉(zhuǎn)上升、再轉(zhuǎn)下降的趨勢(shì)，表明在當(dāng)前具體容量配比條件下，熱電池尚有裕量，可通過(guò)減少熱電池容量配比從而提升系統(tǒng)整體比能量；另外，也表明當(dāng)前加載模式不是最優(yōu)方式，可通過(guò)加載時(shí)間點(diǎn)前移的方法實(shí)現(xiàn)電壓的平穩(wěn)過(guò)渡，進(jìn)一步縮短激活帶載時(shí)間，提升載體平臺(tái)入水初期機(jī)動(dòng)性能。

3 結(jié)論

針對(duì)空投魚(yú)雷和火箭助飛魚(yú)雷的應(yīng)用需求，在研究分析熱電池和鋁氧化銀電池工作特性的基礎(chǔ)上，從全雷系統(tǒng)角度對(duì)組合電源提出了同步激活、變功率輸出、特性匹配等設(shè)計(jì)要求，并開(kāi)展了應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明：

(1)采用組合電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩種體系電池優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在具備較高比能量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了快速激活帶載；

(2)兩種體系電池的實(shí)際能量配比需要結(jié)合載體平臺(tái)需求進(jìn)行優(yōu)化，必要時(shí)結(jié)合載體機(jī)動(dòng)性能要求開(kāi)展優(yōu)化工作；

(3)在現(xiàn)有電池工業(yè)技術(shù)水平條件下，采用組合電源是滿足空投、火箭助飛等反潛魚(yú)雷快速啟動(dòng)需求的最佳解決方式；

(4)結(jié)合裝備發(fā)展實(shí)際，開(kāi)發(fā)具備高比能量、高比功率、激活時(shí)間短、全壽命周期免維護(hù)的一次電池將是電池工業(yè)的主攻方向之一。

快速激活帶載能力是衡量一次電池初期性能的關(guān)鍵指標(biāo)，由于熱電池自身比能量低、鋁氧化銀電池激活速度慢等因素限制了兩種電池在水中兵器領(lǐng)域的應(yīng)用，采用組合能源的方式，在獲取初期快速帶載能力的同時(shí)，維持了電池組較高的系統(tǒng)比能量。本文對(duì)能源組合的具體方式進(jìn)行了明確，同時(shí)給出了相關(guān)研究結(jié)論，對(duì)于擴(kuò)展熱電池和鋁氧化銀電池在水中兵器領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。