熱電池電堆中加熱片故障對輸出性能的影響

康二維，席小練，郭 嬌，趙彥龍，白銀祥

(西安北方慶華機電有限公司，陜西 西安 710025)

1 引言

熱電池屬一次貯備電源，工作時需要自身激活系統輸出需要的熱量，使單體電池的熔鹽電解質熔融實現激活。激活系統主要由點火裝置、引燃藥條和加熱片組成。關于熱電池激活系統用引燃藥條和加熱片的配方材料特性、不同配方和配比、制造工藝參數等對點火靈敏度、燃速和熱值之間相互關系的研究已經比較成熟[1-4]。熱電池作為制導彈藥的關鍵部件，通過彈上電氣系統提供電能給彈藥的導航控制系統以及執行與起爆裝置。熱電池以及電氣系統各個環節之間的作用可靠性，均會影響提供給用電器的電能可靠性。本文通過對熱電池電堆中不同部位加熱片故障條件下輸出電性能特征的表征與分析，為彈上供電異常分析提供熱電池加熱片故障輸出性能的數據支撐。熱電池電堆中無論單體電池采用的是串聯還是并聯結構，為了快速均衡加熱激活，每個單體電池兩側各有一個加熱片[2]。另外，整個電堆結構的上下兩端一般各設置兩片加熱片進行端部材料加熱和保溫，通常加熱片布局屬于上下對稱結構。因此在電堆加熱片故障對性能影響測試中，選取電堆端部及中部單體電池緊鄰加熱片作為實驗對象。

2 實驗部分

2.1 樣品準備

測試熱電池的電堆由12個φ24 mm的硅鋰/二硫化鐵單體電池串聯輸出對稱的±12 V兩組電壓，加熱片采用鋯+鉻酸鋇的加熱紙沖制而成。電堆結構示意如圖1所示，其中1號極引出導流條、3號極引出導流條、4號極引出導流條分別是+12 V、地、-12 V極引出導流條，2號極引出導流條為故障加熱片緊鄰單體輸出性能測試用引出導流條。緊鄰單體電池的加熱片從電堆的上到下依次編號為1、2、3……13，加熱片的替換位置對應的電堆方案見表1。通過調整2號極引出導流條的位置以測試加熱片故障緊鄰單體的輸出性能。

表1 加熱片的替換位置與對應的電堆測試方案Table 1 Replace position of heating plate and corresponding stack test scheme.

圖1 熱電池電堆結構示意Fig.1 Structural diagram of thermal battery stack.

2.2 測試線路

圖2 熱電池測試線路原理Fig.2 Schematic diagram of thermal battery test circuit.

該研究使用美國Hi-Techniques公司的SYNERGY數據采集儀，采集電壓范圍為200 mV～1 000 V，采樣率為200 KS/s；采用自制點火器激活熱電池，激活電流為0.55～5 A可調，電壓0～30 V可調；數據采集單元采用安捷倫的34970，其電阻量程自動100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ可選，分辨率為41/2位。

3 結果與分析

3.1 帶載條件下加熱片故障對電堆輸出性能影響

常溫帶載條件下，五種不同方案電堆的輸出電壓曲線如圖3所示。從圖3五種電壓曲線可以明顯看到：五種方案電堆的輸出電壓曲線均平滑、無電壓抖動；在同一時刻五種方案的電壓曲線相比，方案5的電壓值最高，依次為：U方案5(帶載)>U方案1(帶載)>U方案3(帶載)>U方案2(帶載)>U方案4(帶載)。

圖3 不同方案電堆帶載、空載及緊鄰單體電池帶載電壓曲線Fig.3 The voltage curves of stack with different schemes on load,unload and adjacent single cell on load.

按照技術要求的輸出電壓下限10.1 V計，五種方案激活時間以及電壓達到最高值時刻的數據統計如表2所示。可以看出，故障加熱片電堆常溫帶載條件下，電堆輸出電壓曲線上升斜率與正常激活曲線相比減小，不論是一個加熱片還是兩個加熱片故障，在電堆上端對輸出電壓曲線的影響小于其在中間段，且激活時間均不能滿足不大于1.2 s的指標要求。

表2 帶載條件下各方案輸出電性能參數Table 2 Output electrical performance parameters of each schemes under load.

3.2 空載條件下加熱片故障對電堆輸出性能影響

常溫空載條件下，方案1(空載)、方案3(空載)和方案5(空載)電壓曲線如圖3所示。電堆激活時間和最高電壓及其出現時刻具體數據如表3所示。不論從輸出電壓的曲線斜率，還是從最高電壓與其出現的時刻和激活時間分布可以看出，空載條件下加熱片故障對輸出電性能的影響均要小于帶載情況下的影響。關于這點，從空載電壓基本等于電動勢可以解釋，當電池外線路中沒有電流流過，電池電壓為：

V=E-IR內=E-I(RΩ+Ri)[6]

(1)

式中：V為工作電壓，V；E為電動勢，V；I為工作電流，A；RΩ為歐姆內阻，Ω；Ri為極化內阻，Ω。由于空載電流接近于0，內阻對開路電壓影響減小。

表3 空載條件下激活時間和最高電壓Table 3 The activation time and maximum voltage under unload.

3.3 故障加熱片對緊鄰的單體電池輸出性能影響

為進一步驗證加熱片故障對電堆輸出電壓的具體影響，在方案1和方案2電堆輸出性能采集的同時，對其故障加熱片緊鄰單體電池電壓進行同步采集，方案1(單體)、方案2(單體)和方案5(單體)帶載條件下其電壓曲線如圖3所示。

依據電堆輸出電壓要求下限10.10 V計算單體電池下限電壓為1.68 V，單體電池激活時間以及最高電壓出現的時刻見表4。通過表4可知，加熱片故障對電堆輸出性能的影響小于其對緊鄰單體電池的影響，空載條件下影響程度小于帶載條件，故障加熱片主要是對其緊鄰單體電池輸出性能造成影響。

表4 帶載條件下單體電池輸出電性能參數Table 4 Output electrical performance parameters of single cell under load.

從熱電池結構可知，熱電池內部基本上被單體電池、集流片、加熱片、絕緣保溫材料等固體零部件充滿，單體電池為正極層、電解質層和負極層等材料冷壓成型的薄型圓片狀，單體電池結構示意如圖4所示。

圖4 單體電池結構示意Fig.4 Structural diagram of single cell.

電解質層處于正負極層中間，可以簡單地認為正、負極材質均勻，各自熱導率λ不隨溫度變化，視為常數。加熱片燃燒瞬間對單體電池的加熱，相當于一個高溫熱源，單體電池圓片狀壁面的面積為A，平壁的溫度只沿著垂直于單體電池壁面的x軸方向變化，故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面。根據傅里葉定律[7]

Q=-λAdt/dx

(2)

式中，Q為導熱速率，W；A為導熱面積，m2；λ為熱導率，℃/m；dt/dx為沿x方向的溫度梯度。

可知：由于方案1中最上部缺少一個加熱片，少一個加熱片燃燒產生的熱量，導致其單體電池電解質加熱熔融需要傳導的熱量速率減少了一半，激活時間、最高電壓等輸出性能在激活和工作初始階段與正常電堆相比都有降低。雖然方案2與之相似，但其輸出性能降低更明顯，從電堆結構和內部激活瞬間溫度分布可知，電堆兩端溫度可達1 400 ℃，加熱片燃燒溫度1 051 ℃[8]，端部溫度梯度大于中部，傳熱速率大，所以方案1輸出性能影響小于方案2。

另外，從故障加熱片緊鄰單體電池方案2的輸出電壓曲線可以看到，在7s以前該單體電池檢測的電壓為負值。這主要是因為在方案2中單體電池兩面加熱片均出現作用故障，需要更遠處端部保溫產生的熱量傳遞來加熱單體電池，電解質熔融速度會更明顯的減慢。此時，該單體電池在帶載情況下，表現出初始內阻大，隨著熱量逐步的傳遞，內阻逐步降低，在整個工作回路中以從大到小變電阻形式在電路中起作用。激活后0～7 s及之后的電堆工作電路原理示意圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，在0～7 s，上端單體電池內阻產生的壓降值大于其電壓值，以負值輸出，致使在此期間電堆電壓輸出值與正常電堆輸出相比，很明顯較低，與采集的圖3曲線和測試的表4數值基本一致。

圖5 (a)起始階段7 s以后工作電路原理示意(b)起始階段0～7 s工作電路原理示意Fig.5 (a) Schematic diagram of working circuit after 7 s in initial stage;(b) Schematic diagram of working circuit from 0 s～7 s in initial stage.

4 結論

熱電池單體電池激活過程中加熱片故障，對輸出電壓等電性能均會產生不同程度的影響。主要有以下幾點表現。

(1)帶載時電堆輸出電壓變低(且電壓上升變慢)，激活時間變長；隨著電堆的負載越大，其影響也越明顯。

(2)加熱片故障，主要影響加熱片緊鄰的單體電池，單體電池的內阻為主體表現形式。

(3)無論是單體電池的單面一片(一端)還是其雙面二片(兩端)加熱片作用故障，其電解質熔融均會變慢，此時單體電池以內部大電阻的形式出現(內阻介于常溫和激活狀態之間)，使其激活時間滯后，前期帶載能力不足，不能滿足用電需求。