熱電池空中激活的優勢分析*

路陽，張慶宏，蔡彬，陳彧欣，靳昊鑫，鄧康

(北京電子工程總體研究所,北京 100854)

0 引言

熱電池作為彈上電源系統的主要電能來源[1-3]，其一般會在射前由地面發控系統激活，激活方式有2種[4-5]：一種是電激活，即使用外電源引爆電火頭發火，引燃加熱片激活熱電池；另一種是機械激活，即使用機械能使火帽發火引燃加熱片激活熱電池的方式。

熱電池是利用其本身加熱系統，把不導電的固態鹽類電解質加熱，并使電解質熔融成離子狀態而進入工作狀態的熱激活一次電源[6]。熱電池具有高比能量、高比功率、激活迅速可靠、大功率放電等特點[7-8]，因此在導彈武器電源系統中占有十分重要的地位。目前隨著對導彈遠程、輕小型化這一迫切發展需求，對熱電池長航時供電、接力供電、輕小型化的設計需求也吸引了廣大科研人員的研究興趣。

當熱電池被激活后，根據總體需求，按照導彈的飛行時序，依次為彈上設備提供電能。依據總體需求的特點，往往在導彈大部分的飛行過程中，是不需要為彈上設備供電的。由于此時熱電池已經被地面發控系統激活，其不免要長時間放電，導致了大量不必要的電能浪費。而技術人員在設計電池時，會將電池在非工作狀態時的這部分放電時間全部考慮在內，于是所制作出的電池都會尺寸過大以及質量過大，這非常不利于彈上電池設備的小型化和輕型化設計理念。

熱電池空中激活本質上是導彈采用熱電池長時間供電，受技術、體積、質量、成本等因素影響，轉而采用分段接力供電，降低技術風險和成本。也即導彈在地面先不激活，根據導彈的飛行時序，當導彈飛行一定時間時，在適當的時刻激活熱電池，此時即可滿足彈上設備供電需求。采用空中激活的方式，不但可以有效避免熱電池在非工作狀態期間所造成的電能浪費，而且也不會影響熱電池為彈上設備供電需求。由于減少了熱電池電能損耗，采用空中激活方式的熱電池，其尺寸和質量相較于采取地面激活方式所用的熱電池，都會大幅度降低，從而優化熱電池設計，實現彈上電池設備的小型化和輕型化這一目標。

1 熱電池技術特點及工作原理

熱電池是第二次世界大戰時，由德國Erb博士發明的一次使用貯備電池[9-10]。熱電池的電解質通常是2種或2種以上的無機鹽組成的低共熔鹽，常溫下不導電，熱電池自放電很小，因而熱電池貯存壽命長。使用時通過電流引爆電發火頭或用撞擊機構撞擊火帽，進而引燃內部的煙火藥源，使熱電池內部溫度迅速上升到500℃左右，使得電解質熔融，形成高電導率的離子導體，釋放電能[11-12]。熱電池具有激活時間短、比能量高、耐瞬間大脈沖能力強、貯存時間長、使用溫度范圍寬、使用方便等優點[13]，因而被廣泛用于各種戰術武器中。經過半個多世紀的發展，熱電池體系、結構取得很大進展，性能有很大提高。

目前，以LiB/CoS2體系的熱電池已經廣泛應用于眾多防空導彈型號中，以LiB/CoS2為體系的熱電池的反應機理如下[14-15]：

正極：

(1)

(2)

負極：

(3)

2 熱電池空中激活的優勢分析

下面分別以短時間、中等時間和長時間工作的3類熱電池為應用背景，對比計算并分析其在空中激活與地面激活2種不同情形下熱電池的尺寸和重量。

2.1 短時長熱電池指標計算

以短時長熱電池的工作電壓、電流、時間、質量以及尺寸指標為例，進行詳細分析與計算，以下是短時長熱電池的指標情況：

(2) 工作電流：第0～30 s時間范圍內輸出電流為1 A；第30～50 s時間范圍內輸出電流為20 A；

(3) 工作時間：50 s；

(4) 質量1.2 kg，2塊電池串聯使用，尺寸為φ48 mm×90 mm×2。

圖1是短時長熱電池地面激活時的放電時序。從上述指標分析可以得出，熱電池在地面被激活后，0～30 s時彈上設備已經由地面供電，但處于未工作狀態。第30～50 s時輸出20 A電流，有效工作時間為20 s。

圖1 短時長熱電池地面激活時的放電時序Fig.1 Short time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

由于熱電池在地面被激活，因此技術人員在設計熱電池時，需要將第0～30 s時間內的熱電池所消耗電能考慮在內，這無疑增加了電池的質量和尺寸。而采取空中激活方式，即在熱電池第0～30 s內不工作，無需考慮這部分熱電池的電能消耗。也即只考慮第30～50 s之間熱電池輸出穩態電流20 A。如果采取空中激活的方式，經過計算可以得出熱電池的質量約為710 g，尺寸約為φ56 mm×70 mm。圖2是短時長熱電池空中激活時的放電時序。

圖2 短時長熱電池空中激活時的放電時序Fig.2 Short time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

計算步驟如下：

(1) 輸出電壓按最大56 V計算，輸出電流為20 A，工作時間20 s。電流密度以600 mA/cm2計算，單體截面積為20 000 mA÷1 200 mA/cm2≈16.67 cm2。于是采用φ48 mm的單體電極，按照每個單體2.0 V計算，需要56 V÷2.0 V=28個，即需要28個熱電池單體串聯。

(2) 工作時間20 s，每個單體高度按2.0 mm計算，則28只單體的電堆高度為28×2 mm=56 mm。

(3) 考慮隔熱層、殼體厚度和點火頭安裝位置，實際熱電池尺寸為φ56 mm×70 mm。

(4) 電池質量計算：2.8 cm2×3.14×7.0 cm×4.1 g/cm3≈710 g。

計算結果表明，采用空中激活方式，熱電池的質量減少約0.49 kg，減幅達59.2%。尺寸減少了約54.6%(如表1所示)。

表1 短時長熱電池指標對比情況Table 1 Short time battery indicators comparison

2.2 中等時長熱電池指標計算

以中等時長熱電池的工作電壓、電流、時間、質量以及尺寸指標為例，進行詳細分析與計算，以下是熱電池的指標情況：

(2) 工作電流：第0～185 s時間范圍內輸出電流為0.5 A；第185～200 s時間范圍內輸出電流為20 A；

(3) 工作時間：200 s；

(4) 質量6.5 kg，尺寸φ125 mm×420 mm。

這部分的計算過程和2.1節類似，不再詳細給出計算過程。圖3,4分別為中等時長熱電池地面和空中激活時的放電時序圖。這里電池的相關參數包括：工作時間15 s，電流密757 mA/cm2，經計算可得電池直徑為φ60 mm。每個單體2.0 V，單體高度按2.0 mm計算，則電堆高度為115×2 mm=310 mm?？紤]隔熱層、殼體厚度和點火頭安裝位置，實際熱電池尺寸為φ68 mm×320 mm，電池質量計算：3.42cm2×3.14×32 cm×4.1 g/cm3≈4.76 kg，對比指標d)，可得出電池質量減輕約3.2 kg，質量減幅約26.7%，體積減少約58.5%(如表2所示)。

圖3 中等時長熱電池地面激活時的放電時序Fig.3 Medium time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

圖4 中等時長熱電池空中激活時的放電時序Fig.4 Medium time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

表2 中等時長熱電池指標對比情況表Table 2 Medium time battery indicators comparison

2.3 長時熱電池指標計算

以長時工作的熱電池工作電壓、電流、時間以及質量指標為例，進行詳細分析與計算，以下是熱電池的指標情況：

(2) 工作電流：第0～400 s時間范圍內輸出電流為0.1 A；第400～410 s時間范圍內輸出電流為20 A；第410～415 s時間范圍內輸出電流為84 A；

(3) 工作時間：415 s；

(4) 質量6 kg，尺寸φ130 mm×96 mm。

圖5,6分別為長時熱電池地面和空中激活時的放電時序圖。

圖5 長時熱電池地面激活時的放電時序Fig.5 Long time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

圖6 長時熱電池空中激活時的放電時序Fig.6 Long time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

按最大輸出電壓56 V計算，15 s時工作電流為84 A，電流密度以2 300 mA/cm2計算，因此采用φ70 mm的單體電極。按照每個單體2.0 V，單體高度按2.0 mm計算，需要28個熱電池單體串聯。28只單體的電堆高度為28×2 mm=56 mm。

考慮隔熱層、殼體厚度和點火頭安裝位置，實際熱電池尺寸為φ80 mm×6 6mm。

電池質量計算：4 cm2×3.14×6.6 cm×4.1 g/cm3≈1.36 kg。

計算結果表明，采用空中激活方式，熱電池的質量減少約4.96 kg，減幅達82.6%。尺寸減少了約57.7%(如表3所示)。

表3 長時熱電池指標對比情況表Table 3 Long time battery indicators comparison

說明1： 以上熱電池的工作時間都是假設的，尤其是為了驗證采取空中激活方式在減重和減尺寸方面的優勢而虛擬出來的。

說明2： 目前彈上熱電池都是在地面先激活，然后其處于等待工作狀態。但是熱電池幾乎沒有不被激活的情形，因此空中激活熱電池這一思路具有一定的可行性，具有一定的工程指導意義。

說明3： 在電池建壓完成后，其內阻會隨工作時間延長而增大，即電池在前期比后期的抗大電流能力強。當采取地面激活方式，前期小電流密度放電會造成較大的自損耗，導致后期承載能力下降，因此設計時需要增加設計容量以提高后期抗大電流的能力。而采取空中激活方式，可有效避免增加設計容量這一問題。

說明4： 通過計算表明，采取空中激活熱電池的方式可以大幅度減少其尺寸和質量，這不但能夠實現彈上電池設備的小型化和輕型化這一目標，同時也為全彈其他設備的減重與輕型化提供了一種可借鑒的思路。

說明5： 在全彈需要長航時供電時，從全彈的供配電角度考慮，如果采用熱電池空中激活方式，不但可以提升熱電池的工作效率，同時還能優化全彈供配電體系設計，這一點應引起科研人員的注意。

3 結束語

本文討論了熱電池空中激活的問題。給出了熱電池技術特點、工作原理以及熱電池的激活方法。分析了熱電池采取地面激活方式對電池的質量和尺寸所帶來的不利影響。分別以短時長、中等時長和長時間放電的3類熱電池為研究背景，利用空中激活熱電池的方式，詳細計算了其質量和尺寸，并且與采取地面激活時熱電池的質量和尺寸進行對比分析。研究結果表明，采取空中激活熱電池的方式，可以大幅度減小熱電池的質量和尺寸，從而有利于實現熱電池輕型化和小型化這一設計目標，同時也為彈上其他設備輕型化與小型化提供了有意義的思路。