熱電池激活過程電壓跳變影響及改進方法 *

路陽 ，趙軍號 ，周興 ，蔡彬 ，鄧康 ，薛健 ，陳維兵

（1. 北京電子工程總體研究所，北京 100854；2. 陸軍裝備部駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100854；3. 貴州梅嶺電源有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

熱電池是通過激活部分引燃其內(nèi)部的加熱部件使電解質(zhì)熔融而輸出電能的一種一次性電池［1-2］。常溫狀態(tài)下其電解質(zhì)為固態(tài)，它的負極為鈣或鋰合金等，正極為金屬氧化物（如二硫化鐵）。熱電池為彈上各個設(shè)備供電［3-4］，它的激活方式有2 種：電激活和機械激活。電激活是通過點燃電發(fā)火頭發(fā)火，引燃加熱片激活熱電池；機械激活是利用機械能使電發(fā)火頭發(fā)火引燃加熱片激活的方式［5］。

熱電池在激活時，其負載情況一般有2 種情形，分別是空載激活和帶載激活。帶載激活是指熱電池激活時輸出端接額定負載，而空載激活是指其輸出端不接負載的激活方式。由于熱電池本身的物理特性，在工作時間內(nèi)，它的內(nèi)阻并不是一個常值［6］。當其在激活的瞬間，內(nèi)阻迅速由無窮大變?yōu)闅W姆級，隨著時間的逐漸推移，其內(nèi)阻將趨于穩(wěn)定。由于熱電池在激活瞬間，其內(nèi)阻大約在數(shù)百毫秒內(nèi)迅速變小，如果此時熱電池已經(jīng)接入彈上負載回路，將會造成彈上總負載整體變小，使得地面系統(tǒng)供電電流瞬間變大，線路壓降增大，從而拉低彈上端電源供電電壓，導(dǎo)致彈上用電設(shè)備工作異常。

關(guān)于熱電池在激活時可能對系統(tǒng)供電帶來的影響，目前還未引起相關(guān)工程人員的足夠注意，同時也未見到相關(guān)文獻報道。針對某次試驗中產(chǎn)生的系統(tǒng)供電問題，本文著重分析了熱電池激活機理，并根據(jù)試驗產(chǎn)生的現(xiàn)象，給出了消除該現(xiàn)象的方法。

1 熱電池技術(shù)特點及工作原理

德國科學(xué)家在第二次世界大戰(zhàn)時發(fā)明了熱電池，并成功應(yīng)用于V2 火箭上［7-8］。這種熱電池是一次性使用的熔鹽電解質(zhì)儲備電池，其電解質(zhì)在常溫下為不導(dǎo)電固態(tài)，電池通過激活方法被加熱，使電解質(zhì)熔融呈離子導(dǎo)體而使電池開始工作，其主要優(yōu)點是可靠性高，激活時間短，比能量高，貯存時間長17 a（目前已有21 a 數(shù)據(jù)），內(nèi)阻小，能夠適應(yīng)大電流脈沖放電，使用時不受環(huán)境溫度和安裝方向的影響，具有良好的力學(xué)性能，是當前可以滿足彈上設(shè)備用電需求，并已在彈上廣泛使用的一種電池［9］。

目前，以LiB/FeS2為體系的熱電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多導(dǎo)彈型號中，以LiB/FeS2為體系的熱電池的反應(yīng)機理如下［10-11］：

正極：FeS2+2e-→FeS+S2-

負極：2Li-2e-→2Li+

總反應(yīng)式：FeS2+2Li→FeS+Li2S

2 試驗現(xiàn)象及原因

在某次試驗時，在熱電池激活時導(dǎo)致系統(tǒng)供電發(fā)生異常，該電池激活前由地面電源給彈上設(shè)備供電，激活后和地面電源并聯(lián)給彈上設(shè)備供電直至電池獨立供電。熱電池在激活前后，彈上供電電壓通過遙測數(shù)據(jù)進行判讀，發(fā)現(xiàn)在-15.0 s 給出激活電池信號，彈上供電電壓為27.84 V，約0.5 s后，在-14.5 s時刻彈上供電電壓跳變到最低點11.22 V，系統(tǒng)供電數(shù)據(jù)判讀異常，試驗被迫終止，隨后輸出電壓又爬升到27.84 V 以上，電壓遙測數(shù)據(jù)曲線如圖1 所示。

圖1 電壓遙測曲線Fig. 1 Voltage telemetry curve

本次試驗的電路示意圖如圖2 所示。可以看出，本次試驗激活電池前，由地面電源為彈上負載供電，激活電池后，電池與地面電源并聯(lián)為設(shè)備供電。在并聯(lián)供電過程中，地面電源為恒壓源，由于電池激活時內(nèi)阻變小，此時電壓未完全建立，地面電源電壓U2向電池電壓U1倒灌充電，在倒灌電流形成時，經(jīng)地面電源的電流是倒灌電流和負載電流的總和，倒灌電流越大則總電流越大，受線路中線阻影響，線壓降增大，表現(xiàn)為地面電源輸出電流過大造成母線電壓大幅度下降，因此出現(xiàn)了圖1 中電壓跳變的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致試驗終止。

圖2 電路示意圖Fig. 2 Circuit diagram

3 熱電池激活機理分析

熱電池單體電池是電池輸出電能的主要部件，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 單體電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of single battery structure

單體電池由負極片、隔膜、正極和基片組成［12］，其中正負極均具有電子導(dǎo)電能力。隔膜片為電解質(zhì)與氧化鎂的混合物，單體電池未激活前，隔膜是不導(dǎo)電的絕緣材料，電池相當于一個電阻值無窮大的電阻（見圖4a））；當電池激活后，電解質(zhì)熔融過程中，電極與電解質(zhì)間形成雙電層，同時電解質(zhì)電導(dǎo)率升高，電池電阻由兆歐級減小到歐姆級別，單體電池類似于一定直徑的電容器，在電路上可等效為一個電容與一個電阻串聯(lián)的關(guān)系（見圖4b））。當電解質(zhì)完全熔融后，電池可以對外輸出，在電路上表現(xiàn)為一個具有一定電壓的電源（見圖4c））。

圖4 單體電池等效電路Fig. 4 Single battery equivalent circuit

熱電池激活時，通過引燃條引燃每個單體電池中的加熱片，加熱片燃燒使電解質(zhì)熔融。電解質(zhì)熔融時，單體電池電極與電解質(zhì)之間形成雙電層，表現(xiàn)為電容特性。此類電容不同于常規(guī)使用的物理電容器，是一種電化學(xué)電容器（超級電容器），其容量遠大于常規(guī)電容器。

地面電源與電池并聯(lián)，電池激活過程中的等效電路如圖2 所示，電路的總阻抗由電池的電容和總電阻組成。

在電池激活過程中，電池等效電容的大小與以下因素有關(guān)：①每個電池堆的單體數(shù)量越多，該電池堆電容越?。虎诓⒙?lián)的電池堆數(shù)量越多，總電容越大；③電極極片面積越大，電容越大。

并聯(lián)電源倒灌電流形成過程及影響因素有：當電池與地面電源并聯(lián)時，在電池激活后，如果電解質(zhì)熔融速度過快，而正、負極間未反應(yīng)，電壓建立緩慢，地面電源與電池間會在一定時間內(nèi)存在電壓差，則地面電源就會向電池（電容）進行充電。該充電電流（倒灌電流）的大小與以下因素有關(guān)：①與電池等效電容的大小成正比；②與對電池等效電容充電的時間成反比（Q=CU=It）。

4 改進方法

為了避免熱電池激活時出現(xiàn)系統(tǒng)供電異常，提供以下幾種改進方法供工程人員參考。

方法1：將帶載激活方式改為空載激活方式。空載激活是指熱電池U1被地面電源U2激活時，熱電池U1先不接入彈上負載R，待熱電池U1穩(wěn)定建壓后，通過閉合開關(guān)K 再接入負載R?？蛰d激活示意圖如圖5 所示。

圖5 空載激活示意圖Fig. 5 No-load activation diagram

這樣的設(shè)計的特點是跨過了熱電池在激活時的阻值由∞→0 的突變過程，在激活時間內(nèi)，熱電池電壓逐步建立起來，待熱電池輸出穩(wěn)定電壓后通過閉合開關(guān)接入負載電路?？蛰d激活后的熱電池電壓輸出曲線變化情況如圖6 所示。

圖6 空載激活數(shù)據(jù)示意圖Fig. 6 No-load activation data schematic

系統(tǒng)狀態(tài)在A點（t1，U1）時發(fā)出電池激活指令，激活后到B點（t2，U2）時完成建壓過程，由圖6 可以看出在激活時間內(nèi)，熱電池電壓穩(wěn)步建立，當檢測到電池電壓滿足輸出要求時，閉合開關(guān)K，也即到B點時，將熱電池接入彈上負載回路，從而避免了出現(xiàn)圖1 中熱電池帶載激活時電壓突跳走低現(xiàn)象，不會出現(xiàn)影響系統(tǒng)供電的情形。

方法2：由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕梢愿鶕?jù)工程實際需要在熱電池輸出端增加防倒灌二極管，避免激活時由于內(nèi)阻變化引起倒灌電流。防倒灌二極管優(yōu)選國產(chǎn)化器件并滿足一級降額要求。當激活建壓完成后，電池可以單獨為負載供電。示意圖如圖7 所示。

圖7 二極管防倒灌設(shè)計示意圖Fig. 7 Diode anti-backflow design schematic

方法3：改善熱電池生產(chǎn)工藝。根據(jù)Q=CU=It，通過延長激活時間而減小熱電池倒灌電流。在不影響電池性能的前提下，可以改善熱電池各種材料工藝參數(shù)達到減小熱電池倒灌電流的目的，如采用熔點較高的電解質(zhì)進行設(shè)計、在工藝研究中通過摻雜多種鹵素鋰鹽提高電解質(zhì)熔點以及熱量匹配試驗確定合適熱量，通過改善加熱粉制備方法、調(diào)整加熱粉材料配比等確定加熱粉參數(shù)。

5 結(jié)束語

熱電池在激活時其內(nèi)阻會在短時間內(nèi)迅速變化，該變化對熱電池并聯(lián)帶載供電系統(tǒng)會產(chǎn)生瞬時電流輸出情況，有可能引起系統(tǒng)供電異常。本文通過分析熱電池的基本工作原理以及激活特點，研究了熱電池在帶載激活過程中因其內(nèi)阻變化對系統(tǒng)供電可能產(chǎn)生的影響，針對實際試驗中帶載激活的熱電池出現(xiàn)的系統(tǒng)供電問題進行了分析與總結(jié)，給出了空載激活和增加防倒灌二極管等的改進設(shè)計方法。該方法簡單可靠，易于工程實現(xiàn)，便于相關(guān)工程人員參考應(yīng)用。