热电池激活过程电压跳变影响及改进方法 *

路阳 ，赵军号 ，周兴 ，蔡彬 ，邓康 ，薛健 ，陈维兵

（1. 北京电子工程总体研究所，北京 100854；2. 陆军装备部驻北京地区第七军事代表室，北京 100854；3. 贵州梅岭电源有限公司，贵州 遵义 563000）

0 引言

热电池是通过激活部分引燃其内部的加热部件使电解质熔融而输出电能的一种一次性电池［1-2］。常温状态下其电解质为固态，它的负极为钙或锂合金等，正极为金属氧化物（如二硫化铁）。热电池为弹上各个设备供电［3-4］，它的激活方式有2 种：电激活和机械激活。电激活是通过点燃电发火头发火，引燃加热片激活热电池；机械激活是利用机械能使电发火头发火引燃加热片激活的方式［5］。

热电池在激活时，其负载情况一般有2 种情形，分别是空载激活和带载激活。带载激活是指热电池激活时输出端接额定负载，而空载激活是指其输出端不接负载的激活方式。由于热电池本身的物理特性，在工作时间内，它的内阻并不是一个常值［6］。当其在激活的瞬间，内阻迅速由无穷大变为欧姆级，随着时间的逐渐推移，其内阻将趋于稳定。由于热电池在激活瞬间，其内阻大约在数百毫秒内迅速变小，如果此时热电池已经接入弹上负载回路，将会造成弹上总负载整体变小，使得地面系统供电电流瞬间变大，线路压降增大，从而拉低弹上端电源供电电压，导致弹上用电设备工作异常。

关于热电池在激活时可能对系统供电带来的影响，目前还未引起相关工程人员的足够注意，同时也未见到相关文献报道。针对某次试验中产生的系统供电问题，本文着重分析了热电池激活机理，并根据试验产生的现象，给出了消除该现象的方法。

1 热电池技术特点及工作原理

德国科学家在第二次世界大战时发明了热电池，并成功应用于V2 火箭上［7-8］。这种热电池是一次性使用的熔盐电解质储备电池，其电解质在常温下为不导电固态，电池通过激活方法被加热，使电解质熔融呈离子导体而使电池开始工作，其主要优点是可靠性高，激活时间短，比能量高，贮存时间长17 a（目前已有21 a 数据），内阻小，能够适应大电流脉冲放电，使用时不受环境温度和安装方向的影响，具有良好的力学性能，是当前可以满足弹上设备用电需求，并已在弹上广泛使用的一种电池［9］。

目前，以LiB/FeS2为体系的热电池已经广泛应用于众多导弹型号中，以LiB/FeS2为体系的热电池的反应机理如下［10-11］：

正极：FeS2+2e-→FeS+S2-

负极：2Li-2e-→2Li+

总反应式：FeS2+2Li→FeS+Li2S

2 试验现象及原因

在某次试验时，在热电池激活时导致系统供电发生异常，该电池激活前由地面电源给弹上设备供电，激活后和地面电源并联给弹上设备供电直至电池独立供电。热电池在激活前后，弹上供电电压通过遥测数据进行判读，发现在-15.0 s 给出激活电池信号，弹上供电电压为27.84 V，约0.5 s后，在-14.5 s时刻弹上供电电压跳变到最低点11.22 V，系统供电数据判读异常，试验被迫终止，随后输出电压又爬升到27.84 V 以上，电压遥测数据曲线如图1 所示。

图1 电压遥测曲线Fig. 1 Voltage telemetry curve

本次试验的电路示意图如图2 所示。可以看出，本次试验激活电池前，由地面电源为弹上负载供电，激活电池后，电池与地面电源并联为设备供电。在并联供电过程中，地面电源为恒压源，由于电池激活时内阻变小，此时电压未完全建立，地面电源电压U2向电池电压U1倒灌充电，在倒灌电流形成时，经地面电源的电流是倒灌电流和负载电流的总和，倒灌电流越大则总电流越大，受线路中线阻影响，线压降增大，表现为地面电源输出电流过大造成母线电压大幅度下降，因此出现了图1 中电压跳变的现象，直接导致试验终止。

图2 电路示意图Fig. 2 Circuit diagram

3 热电池激活机理分析

热电池单体电池是电池输出电能的主要部件，结构示意图见图3。

图3 单体电池结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of single battery structure

单体电池由负极片、隔膜、正极和基片组成［12］，其中正负极均具有电子导电能力。隔膜片为电解质与氧化镁的混合物，单体电池未激活前，隔膜是不导电的绝缘材料，电池相当于一个电阻值无穷大的电阻（见图4a））；当电池激活后，电解质熔融过程中，电极与电解质间形成双电层，同时电解质电导率升高，电池电阻由兆欧级减小到欧姆级别，单体电池类似于一定直径的电容器，在电路上可等效为一个电容与一个电阻串联的关系（见图4b））。当电解质完全熔融后，电池可以对外输出，在电路上表现为一个具有一定电压的电源（见图4c））。

图4 单体电池等效电路Fig. 4 Single battery equivalent circuit

热电池激活时，通过引燃条引燃每个单体电池中的加热片，加热片燃烧使电解质熔融。电解质熔融时，单体电池电极与电解质之间形成双电层，表现为电容特性。此类电容不同于常规使用的物理电容器，是一种电化学电容器（超级电容器），其容量远大于常规电容器。

地面电源与电池并联，电池激活过程中的等效电路如图2 所示，电路的总阻抗由电池的电容和总电阻组成。

在电池激活过程中，电池等效电容的大小与以下因素有关：①每个电池堆的单体数量越多，该电池堆电容越小；②并联的电池堆数量越多，总电容越大；③电极极片面积越大，电容越大。

并联电源倒灌电流形成过程及影响因素有：当电池与地面电源并联时，在电池激活后，如果电解质熔融速度过快，而正、负极间未反应，电压建立缓慢，地面电源与电池间会在一定时间内存在电压差，则地面电源就会向电池（电容）进行充电。该充电电流（倒灌电流）的大小与以下因素有关：①与电池等效电容的大小成正比；②与对电池等效电容充电的时间成反比（Q=CU=It）。

4 改进方法

为了避免热电池激活时出现系统供电异常，提供以下几种改进方法供工程人员参考。

方法1：将带载激活方式改为空载激活方式。空载激活是指热电池U1被地面电源U2激活时，热电池U1先不接入弹上负载R，待热电池U1稳定建压后，通过闭合开关K 再接入负载R。空载激活示意图如图5 所示。

图5 空载激活示意图Fig. 5 No-load activation diagram

这样的设计的特点是跨过了热电池在激活时的阻值由∞→0 的突变过程，在激活时间内，热电池电压逐步建立起来，待热电池输出稳定电压后通过闭合开关接入负载电路。空载激活后的热电池电压输出曲线变化情况如图6 所示。

图6 空载激活数据示意图Fig. 6 No-load activation data schematic

系统状态在A点（t1，U1）时发出电池激活指令，激活后到B点（t2，U2）时完成建压过程，由图6 可以看出在激活时间内，热电池电压稳步建立，当检测到电池电压满足输出要求时，闭合开关K，也即到B点时，将热电池接入弹上负载回路，从而避免了出现图1 中热电池带载激活时电压突跳走低现象，不会出现影响系统供电的情形。

方法2：由于二极管的单向导通特性，可以根据工程实际需要在热电池输出端增加防倒灌二极管，避免激活时由于内阻变化引起倒灌电流。防倒灌二极管优选国产化器件并满足一级降额要求。当激活建压完成后，电池可以单独为负载供电。示意图如图7 所示。

图7 二极管防倒灌设计示意图Fig. 7 Diode anti-backflow design schematic

方法3：改善热电池生产工艺。根据Q=CU=It，通过延长激活时间而减小热电池倒灌电流。在不影响电池性能的前提下，可以改善热电池各种材料工艺参数达到减小热电池倒灌电流的目的，如采用熔点较高的电解质进行设计、在工艺研究中通过掺杂多种卤素锂盐提高电解质熔点以及热量匹配试验确定合适热量，通过改善加热粉制备方法、调整加热粉材料配比等确定加热粉参数。

5 结束语

热电池在激活时其内阻会在短时间内迅速变化，该变化对热电池并联带载供电系统会产生瞬时电流输出情况，有可能引起系统供电异常。本文通过分析热电池的基本工作原理以及激活特点，研究了热电池在带载激活过程中因其内阻变化对系统供电可能产生的影响，针对实际试验中带载激活的热电池出现的系统供电问题进行了分析与总结，给出了空载激活和增加防倒灌二极管等的改进设计方法。该方法简单可靠，易于工程实现，便于相关工程人员参考应用。