热电池激活过程倒灌电流影响因素研究 *

盛德卫，王臻，王龙启，马晓东

（北京电子工程总体研究所，北京 100854）

0 引言

从20 世纪初期德国Erb 博士发明了一次使用贮备热电池，到目前诞生了很多体系的热电池，电池的各项性能指标在不断地提高。热电池是采用一种在常温下为非导电的固体无机电解质，电极活性物质和电解质相互之间不进行化学反应，处于非工作状态。在一定热量作用下将电池激活，电池内部温度迅速上升使得电解质熔融，形成高电导率的离子导体，正负极开始电化学反应输出直流电压及电流，随着放电时间的延长，电池温度逐渐降低，电池内阻加大，输出功率逐渐下降［1-5］。

热电池贮存寿命长，自放电低，正常贮存寿命可达10～15 年；激活时间短，瞬间达到所需的额定电压，适用于战时状态对反应速度的要求；适应于各种严酷条件。在高温、低温、振动、冲击、加速度、旋转等条件下工作，具有极高的可靠性和坚固性；使用简单、方便，基本上无须维护和保养。因此被广泛用于各种战术武器中［6-8］。

热电池输出端作为与导弹对接的电气接口，其激活过程中倒灌电流的大小将直接影响弹上电子设备工作的可靠性。为了解热电池激活过程中倒灌电流变化规律，本文对其影响因素进行研究。通过研究，为导弹电气系统的安全、可靠供电电路的设计提供有力支撑。

1 倒灌电流产生机理

1.1 电气接口设计

导弹发射前，地面发控电源和弹上电池并联为弹上负载供电。在导弹发射时，地面发控系统完成弹上电池激活，发控系统按照电池激活时间指标进行电池电压采集，采集电压满足设计指标后继续执行后续时序动作。弹上电池与地面发控、弹上负载接口连接关系如图1 所示。

图1 电气接口连接关系图Fig.1 Electrical interface connection diagram

地面发控电源和弹上电池并联供电过程中，地面发控电源为恒压源，电池激活前，弹上电池内阻Rbr为MΩ 级，电流Ibc几乎为0；电池激活时刻到建压正常前，初期电池电压低、阻抗下降快，发控电源快速向电池充电，产生倒灌电流Ibc，在倒灌电流形成时，流经地面电源Igc的电流是倒灌电流Ibc和负载电流Imc的和，倒灌电流越大则总电流越大，受线路阻值Rcr影响，线压降Ucv越大，弹上负载电压Umv被拉低，当电压被拉低到一定范围后就会影响弹上电子设备的正常工作，对武器系统带来严重影响。

1.2 机理分析

（1） 热电池组成

一个完整的热电池主要包含单元热电池和支架、外壳、盖板、印制板、绝缘片等零件，根据电池使用需求，一个热电池或存在多个单元热电池。单元热电池主要由电池堆、点火组件、引燃组件、绝缘保温组件、密封组件导流条及组合壳等组成，将各部分装入电池壳中，然后将组合盖压入电池壳的开口处，通过氩弧焊接或激光焊接形成密封的热电池单元整体，同样一个单元热电池或存在多个电池堆。电池堆是由多个单体电池串联而成，单体电池主要包含加热片、负极片、隔膜、正极片及集电片等［9-10］。以LiB/CoS2 电化学体系的电池为例，LiB 合金负极片采用单片-复合片组合单独制作，正极和隔膜复合片单独制作。引燃组件由引燃片和引燃条组成。单体电池的组成如图2 所示。一个完整的热电池组成如图3 所示。

图2 单体电池组成框图Fig.2 Block diagram of single cell composition

图3 完整的热电池组成框图Fig.3 Block diagram of complete thermal battery composition

（2） 热电池激活过程分析

热电池激活过程是通过外电源给出一个激活信号，点爆电发火头，引燃引燃片，引燃片引燃引燃条，通过引燃条引燃加热片，使电池的内部温度升高，单体热电池的电解质熔融形成高电导离子导体，激活单体热电池后就激活单元热电池，最后输出电能，单元热电池激活过程如图4 所示。

图4 单元热电池激活过程Fig.4 Activation process of single thermal battery

（3） 热电池等效电路

单体电池正极片和负极片中间的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5a）。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MΩ 级减小到Ω 级，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5b）。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，内阻接近0，见图5c）。

图5 单体电池等效电路Fig.5 Single cell equivalent circuit

单元热电池的等效电路如图6 所示，以每个单元电池由3 个电池堆并联组成，每个电池堆由16 个单元单体串联组成。设电池堆的电容为Cn（n=1，2，3），单体电池的电容为Cni（i=1，2，…，16；n=1，2，3），单元热电池的电容为C，则

图6 单元热电池等效电路Fig.6 Unit cell equivalent circuit

（4） 倒灌电流形成过程

当电池与地面发控电源并联时，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，此时电池表现为容性负载，根据Q=CU=I倒灌t，地面发控电源就会向电池进行充电。在获得同样电量的情况下，若充电时间（电池激活时间）越短，则倒灌电流越大；电池等效电容越大，则倒灌电流越大。

2 影响因素分析及验证情况

通过对倒灌电流的机理分析可知，影响热电池激活过程中倒灌电流大小的主要因素包含电池堆并联数量、引燃条燃速、加热片燃速、极片的面积大小、电解质的熔融速度、电池堆单体电池串联数量、电发火头激活方式、线阻大小及弹上负载功率大小等［11-15］。

其中，极片面积越大等效电容越大，电池堆单体电池串联数量越少等效电容越大，双端单发激活方式（单体电池从电池盖和电池底处往电池堆中部依次激活）比单端双发激活方式（单体电池从电池盖处从上往下依次激活）激活时间更短，产生的倒灌电流越大，对系统影响越大。

对电池堆并联数量、引燃条燃速、加热片燃速、电解质的熔融速度、线阻大小及弹上负载功率大小等因素进行分析及试验验证。架构试验电路测试电池激活过程中产生的倒灌电流，如图7所示。

图7 激活试验电路等效图Fig.7 Equivalent diagram of activation test circuit

（1） 电池堆并联数量

设计参数相同、所有材料批次相同，进行不同堆数倒灌电流摸底试验，电池堆堆数分别为6 堆、3堆、1 堆，装配完成后按图7 进行倒灌电流试验，试验结果见表1，图8 所示。

表1 并联堆数试验结果Table 1 Test results of parallel stacks

图8 母线电压-倒灌电流曲线（并联堆数）Fig.8 Bus voltage-inverted current curve(number of parallel stacks)

从图8 可以看出，在保持其他参数一定的情况下，倒灌电流的大小和电池堆数成正比，并联的电池堆越多，倒灌电流越大，这是因为并联堆数越多，同时形成电容的概率越大，电容就越大，因此，倒灌电流就越大。

（2） 引燃条燃速

设计参数相同、所有材料批次相同，进行不同引燃条燃速倒灌电流摸底试验，装配完成后按图7 进行倒灌电流试验，试验结果见表2，图9 所示。

表2 引燃条燃速试验结果Table 2 Burning rate test results of pilot strip

图9 母线电压-倒灌电流曲线（引燃条燃速）Fig.9 Bus voltage-inverted current curve(burning rate of pilot strip)

测试结果表明，其他状态一定的情况下，引燃条燃速越快，倒灌电流越大。

（3） 加热片燃速

设计参数相同、所有材料批次相同，进行不同加热片燃速倒灌电流摸底试验，装配完成后按图7 进行倒灌电流试验，试验结果见表3，图10 所示。

测试结果表明，其他状态一定的情况下，加热片燃速越快，倒灌电流越大。

（4） 电解质的熔融速度、线阻大小及弹上负载功率大小

设计参数见表4，其中低熔点电解质熔点约236 ℃，三元全锂电解质熔点约为436 ℃。试验结果如表5 所示。

表4 试验条件Table 4 Test conditions

表5 电解质的熔融速度、线阻大小及弹上负载功率大小试验结果Table 5 Test results of electrolyte melting rate，line resistance，and load power on missile

综上所述，在电池堆数、极片面积、引燃条燃速、加热片燃速相同设计状态下，线阻大小、负载功率大小、电解质种类及电池线缆电阻因素产生的倒灌电流无明显差别。

3 对系统设计建议

通过影响因素分析及试验情况统计，热电池在相同设计状态下激活过程中倒灌电流无明显差别，数据一致性较好。在弹上电气系统设计时，对倒灌电流进行充分分析及试验摸底，辨识其对系统的影响，如果因倒灌电流导致的线阻压降对系统供电电压影响会影响系统安全、可靠地工作，需要系统级开展防倒灌电流设计。

为了避免弹上电池激活过程中低阻状态对系统造成的不良影响，在弹上电池供电端增加防倒灌二极管后再与地面电源并联输出，为二次电源产生单元提供稳定供电。二极管型号为2DK60200，正向导通电流可达60 A，在设备出厂前检测二极管的性能，避免单只失效。设计如图11 所示。设计过程中需要充分考虑二极管降额设计、可靠性设计、冗余设计以及全温下的管压降问题，图12 为2DK60200 二极管不同温度、不同过电流状态下的管压降。

图11 防倒灌二极管设计示意图Fig.11 Schematic diagram of anti-backflow diode design

图12 2DK60200 二 极 管 管 压 降Fig.12 2DK60200 diode tube voltage drop

4 结束语

为了解热电池激活过程中倒灌电流变化规律，本文对其影响因素进行了研究。通过研究表明，热电池在相同设计状态下激活过程中倒灌电流无明显差别，数据一致性较好。倒灌电流的大小和电池堆数、引燃条燃速、加热片燃速成正比，并联的电池堆越多，引燃条燃速越快、加热片燃速越快，产生的倒灌电流越大。线阻大小、负载功率大小、电解质种类及电池线缆电阻因素产生的倒灌电流无明显差别。上述结论为导弹电气系统的安全、可靠供电电路的设计提供了有力支撑。