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部的加熱部件使電解質熔融而輸出電能的一種一次性電池［1-2］。常溫狀態下其電解質為固態，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火頭發火，引燃加熱片激活熱電池；機械激活是利用機械能使電發火頭發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，它的內阻并不是一個常值［6］。當其在激活的瞬間，內阻迅速由無窮大變為歐姆級，隨著時間的逐漸推移，其內阻將趨于穩定。由于熱電池在激活瞬間，其內阻大約在數百毫秒內迅速變小，如果此時熱電池已經接入彈上負載回路，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，導致彈上用電設備工作異常。

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

1 熱電池技術特點及工作原理

德國科學家在第二次世界大戰時發明了熱電池，并成功應用于V2 火箭上［7-8］。這種熱電池是一次性使用的熔鹽電解質儲備電池，其電解質在常溫下為不導電固態，電池通過激活方法被加熱，使電解質熔融呈離子導體而使電池開始工作，其主要優點是可靠性高，激活時間短，比能量高，貯存時間長17 a（目前已有21 a 數據），內阻小，能夠適應大電流脈沖放電，使用時不受環境溫度和安裝方向的影響，具有良好的力學性能，是當前可以滿足彈上設備用電需求，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廣泛應用于眾多導彈型號中，以LiB/FeS2為體系的熱電池的反應機理如下［10-11］：

正極：FeS2+2e-→FeS+S2-

負極：2Li-2e-→2Li+

總反應式：FeS2+2Li→FeS+Li2S

2 試驗現象及原因

在某次試驗時，在熱電池激活時導致系統供電發生異常，該電池激活前由地面電源給彈上設備供電，激活后和地面電源并聯給彈上設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據進行判讀，發現在-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，系統供電數據判讀異常，試驗被迫終止，隨后輸出電壓又爬升到27.84 V 以上，電壓遙測數據曲線如圖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為設備供電。在并聯供電過程中，地面電源為恒壓源，由于電池激活時內阻變小，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，因此出現了圖1 中電壓跳變的現象，直接導致試驗終止。

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，結構示意圖見圖3。

圖3 單體電池結構示意圖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電能力。隔膜片為電解質與氧化鎂的混合物，單體電池未激活前，隔膜是不導電的絕緣材料，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，電解質熔融過程中，電極與電解質間形成雙電層，同時電解質電導率升高，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的關系（見圖4b））。當電解質完全熔融后，電池可以對外輸出，在電路上表現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熔融。電解質熔融時，單體電池電極與電解質之間形成雙電層，表現為電容特性。此類電容不同于常規使用的物理電容器，是一種電化學電容器（超級電容器），其容量遠大于常規電容器。

地面電源與電池并聯，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：①每個電池堆的單體數量越多，該電池堆電容越小；②并聯的電池堆數量越多，總電容越大；③電極極片面積越大，電容越大。

并聯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時，在電池激活后，如果電解質熔融速度過快，而正、負極間未反應，電壓建立緩慢，地面電源與電池間會在一定時間內存在電壓差，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：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系統供電異常，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穩定建壓后，通過閉合開關K 再接入負載R。空載激活示意圖如圖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，熱電池電壓逐步建立起來，待熱電池輸出穩定電壓后通過閉合開關接入負載電路。空載激活后的熱電池電壓輸出曲線變化情況如圖6 所示。

圖6 空載激活數據示意圖Fig. 6 No-load activation data schematic

系統狀態在A點（t1，U1）時發出電池激活指令，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，熱電池電壓穩步建立，當檢測到電池電壓滿足輸出要求時，閉合開關K，也即到B點時，將熱電池接入彈上負載回路，從而避免了出現圖1 中熱電池帶載激活時電壓突跳走低現象，不會出現影響系統供電的情形。

方法2：由于二極管的單向導通特性，可以根據工程實際需要在熱電池輸出端增加防倒灌二極管，避免激活時由于內阻變化引起倒灌電流。防倒灌二極管優選國產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 二極管防倒灌設計示意圖Fig. 7 Diode anti-backflow design schematic

方法3：改善熱電池生產工藝。根據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進行設計、在工藝研究中通過摻雜多種鹵素鋰鹽提高電解質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、調整加熱粉材料配比等確定加熱粉參數。

5 結束語

熱電池在激活時其內阻會在短時間內迅速變化，該變化對熱電池并聯帶載供電系統會產生瞬時電流輸出情況，有可能引起系統供電異常。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阻變化對系統供電可能產生的影響，針對實際試驗中帶載激活的熱電池出現的系統供電問題進行了分析與總結，給出了空載激活和增加防倒灌二極管等的改進設計方法。該方法簡單可靠，易于工程實現，便于相關工程人員參考應用。