熱電池激活回路電阻變化測試與分析 ①

余福山，康二維，王軍平，孫現忠，張繼智，白銀祥

(西安北方慶華機電有限公司，陜西 西安 710025)

1 引言

熱電池屬于熱激活一次貯備化學電源，工作時通過武器系統給熱電池發火裝置輸入一個外加能量來實現激活。目前利用武器系統提供的電能使熱電池內部的電點火頭發火從而點燃熱電池內部的加熱系統使熱電池工作，這種電激活方式是熱電池的主要激活方式[1-4]。電激活熱電池激活回路電阻是指熱電池接受武器系統激活電能的兩個輸入端之間的電阻值，由熱電池的電纜線電阻、接線柱電阻、電點火頭引線和其橋絲電阻等構成。激活回路作為熱電池的重要組成部分，其可靠性將直接影響熱電池工作的可靠性；同時其作為與武器系統對接的電氣接口，作用過程電阻的變化將直接影響武器系統點火電源工作的可靠性和安全性。

鑒于目前熱電池的技術更多集中于電極材料、保溫材料及其結構設計，對熱電池激活回路電阻變化規律研究極少。本文設計了測試電路，對橋絲類電點火頭作用過程及采用其裝配的熱電池激活工作過程激活回路的電阻變化趨勢進行了測試，并結合內部結構和材料的變化進行機理分析，提出了電激活熱電池在激活和作用過程激活回路電阻隨時間的變化趨勢，可為兩個及以上單元熱電池組的激活電路的設計提供參考，有助于武器平臺激活電氣系統的安全、可靠點火電路的控制設計。

2 實驗

2.1 實驗材料

本文采用某制式橋絲類電點火頭50個，該型電點火頭裝配熱電池20發進行測試。其中熱電池電堆直徑40 mm，引燃條徑向長度約40 mm，電點火頭結構示意圖見圖1，其性能參數見表1，熱電池結構示意圖見圖2，引燃條采用鋯系加熱紙裁制而成，加熱片為鐵加熱片。

圖1 電點火頭結構組成示意圖Fig.1 Structural diagram of electric match.

表1 電點火頭性能參數Table 1 Performance parameters of electric match.

圖2 熱電池結構示意圖Fig.2 Structural diagram of thermal battery.

2.2 實驗儀器與條件

2.2.1 實驗儀器

電點火頭的發火時間和電阻變化測試采用發火時間測試系統；單元熱電池激活回路電阻變化測試儀器詳見表2。

表2 實驗所用測試儀器明細Table 2 Detail of test instruments used in the experiment.

2.2.2 實驗條件

數據采集儀采樣率設定為20 KS/s,采集單元5 ms一個點進行電阻采集。電點火頭發火時間測試原理圖見圖3。單元熱電池選用-50 ℃～+70 ℃的測試溫度范圍，在環境試驗箱進行低溫、高溫恒溫2 h后進行激活回路電阻值測試。單元熱電池激活過程激活回路電阻變化測試原理圖見圖4。通過測定電點火頭的阻值和測試線纜的線阻，調節直流電源的電壓值或者電流值，控制發火條件。

圖3 電點火頭發火時間測試原理圖Fig.3 Test diagram of ignition time of electric match.

圖4 激活回路電阻變化測試原理圖Fig.4 Test diagram of resistance change of activation circuit.

3 結果與討論

3.1 電點火頭作用過程電阻測試結果與分析

在自然環境中，按照圖3的測試線路對電點火頭發火時間和電阻值變化進行了測試，50個電點火頭的平均發火時間、發火時間極差、電阻值變化測試結果見表3。從表3可以發現，電點火頭的發火時間均值為2.208 ms，發火過程電點火頭阻值增大了0.748 Ω，作用后橋絲斷開，其阻值變為無窮大。

表3 50個電點火頭發火過程測試數據均值Table 3 Mean valves of test data of 50 electric match of ignition processes.

按照電點火頭的結構和作用機理，激活加電過程時序如圖5所示，分為橋絲升溫過程、點火藥的吸熱反應延滯期、燃燒和橋絲熔斷過程，將加電作用過程分解為橋絲升溫時間(AC時間段)和點火藥爆發延滯期(CE時間段)比僅用發火時間來描述更能準確地反映電點火頭作用過程。首先，橋絲通電發熱，變化點在橋絲與藥劑處，遵循金屬與合金材料的電阻變化規律，其計算公式為：

R=R0(1+aT)

(1)

式中，R為橋絲溫度變化后的電阻值，R0為橋絲初始電阻值，a為材料的電阻溫度系數，T為溫度變化值。鎳鉻合金絲的電阻溫度系數為正值，橋絲加電發熱溫度升高電阻增大，在高溫作用下藥劑爆燃，沖擊波作用下橋絲斷開，生成物殘渣向外圍擴散，點火頭作用后電阻趨于無窮大，這與實驗測試結果吻合，某電點火頭作用過程實測見圖6。

圖5 電點火頭作用機理和時序示意圖Fig.5 Action mechanism and sequence diagram of electric match.

圖6 自然環境下某電點火頭作用過程實測圖Fig.6 Measured diagram of action process of the electric match under natural environment.

3.2 不同環境溫度激活回路電阻測試結果與分析

在-50 ℃～+70 ℃的貯存溫度范圍內，每隔30 ℃對20發熱電池激活回路電阻進行測試，在-50 ℃和+70 ℃兩個邊界溫度條件下，測得的電池激活回路的電阻值變化范圍：0.051 Ω～0.079 Ω，平均值為0.065 Ω。

推測變化原因：激活回路組成的導線、橋絲合金材料電阻隨溫度的變化而引起。組成激活回路的導線材料電阻溫度系數詳見表4。從表中物理參數可知，電點火頭鎳鉻合金電阻與金屬導線的電阻相比高兩個數量級，-50 ℃和+70 ℃兩個邊界溫度條件下熱電池激活回路電阻的變化主要是由電點火頭橋絲的阻值變化引起。考慮到鎳鉻合金絲0 ℃～100 ℃溫度范圍內其電阻溫度系數為常數，本文在-50 ℃和+70 ℃兩個邊界溫度區間也近似以常數處理，

ΔR=R-R0

(2)

式中，R為溫度變化后電阻值，R0為50個電點火頭電阻的平均值。依據公式(1)及(2)，可知鎳鉻合金絲電阻平均變化值ΔR：

R=3.188 Ω×(1+1.6×10-4/℃×120 ℃)=3.249 Ω；

ΔR=(3.249-3.188)Ω=0.061 Ω；

這與測試的激活回路電阻變化均值0.065 Ω非常接近。

表4 激活回路導線電阻和溫度系數Table 4 The wire resistance and temperature coefficient of activation circuit.

3.3 激活過程激活回路電阻測試結果與分析

激活過程熱電池激活回路加載的電壓隨時間變化曲線見圖7，激活回路電阻隨時間變化曲線見圖8。從曲線的電壓變化和電阻變化可知，激活過程熱電池激活回路電阻的主要變化有三個階段：①回路電阻微升階段(0點到a點時間段)、②回路電阻開路階段(ac時間段)、③回路電阻隨機變化階段(cd及de時間段)。

①回路電阻微升階段(0點到a點時間段)：從圖7曲線數據可知，電點火頭從加電到作用持續時間2.43 ms(圖7的CD段)，作用后點火頭電阻趨于無窮大。由圖2熱電池激活回路內部結構可知，電點火頭發火部分處于空腔之中，電點火頭又是熱電池中的首發部件，激活回路加電點火頭發作用過程的持續時間和電阻變化與電點火頭在自然環境的作用規律一致。

②回路電阻開路階段(ac時間段)：通過對圖7和圖8曲線對比可知，電點火頭加電2.43 ms后，回路電阻急劇增大，40 ms左右(圖8中b點)出現回路阻值的最大值達到9 423.5 Ω，隨后開始下降，85 ms左右下降到3 000.0 Ω。

圖7 熱電池電點火頭熔斷時間測試圖Fig.7 Measured diagram of fusing time of electric match in thermal battery.注：(AB為未加載電壓段，CD為橋絲升溫和點火藥反應燃爆段，EF為橋絲熔斷段)Add:(AB is the unloaded voltage section,CD is the bridge wire heating and ignition charge reaction explosion section,EF is the bridge wire fusing section)

圖8 發火過程激活回路電阻變化曲線Fig.8 The curve of resistance changes of activation circuit of ignition processes.

對此，結合熱電池及相關藥劑作用過程，本文認為造成此現象的因素一是與熱電池電點火頭點燃引燃條、引燃條沿徑向傳火的過程相關。二是與引燃條產生的熱量有關。熱電池引燃條通常設計采用鋯系加熱紙，寬度7 mm～8 mm。徑向尺寸依據電堆的直徑而定，依據實驗所用熱電池電堆直徑為40 mm，引燃條徑向長度40 mm，其質量約200 mg，熱值按1 882.8 J/g計算，產生熱量376.6 J。持續時間等于引燃條燃燒時間，按照鋯系引燃條燃速200 mm·s-1[5]，引燃條單邊作用距離為20 mm,作用時間為20 mm/200 mm·s-1=0.10 s。此燃燒過程產生的熱量低，不足以導致電點火頭捻合引線處絕緣材料熱分解破損進而使其短路。通過上述分析可知，熱電池內部引燃條傳火作用時間約100 ms，激活回路電阻的變化與電點火頭在自然環境下作用的電阻變化規律相似。

③回路電阻隨機變化階段(cd及de時間段)：從圖8曲線看到，85 ms左右激活回路電阻值開始下降(cd時間段)，到100 ms左右時接近于短路狀態(d點)，隨后又逐漸上升，為開路和短路間的隨機值(de時間段)。

對此，結合熱電池及相關藥劑作用過程，本文認為造成此現象的原因如下：一是與導線絕緣材變化有關。熱電池內部加熱片點燃后，內部溫度迅速升高到500 ℃以上，電點火頭的捻合導線絕緣材料聚氯乙烯170 ℃開始燒蝕分解，導線絕緣性下降，電堆在高溫下膨脹，在縱向產生壓力進一步使電點火頭捻合導線容易搭接，致使激活回路電阻從接近開路狀態下降甚至短路。二是與藥劑作用產物有一定關系。電點火頭藥劑三硝基間苯二酚鉛的爆炸反應如下：

2C6H(NO2)3O2Pb·H2O→9CO+3CO2+3H2O+3N2+2Pb。

另外，由反應可知：電點火頭的燃爆反應產物有金屬鉛殘渣，其熔點只有327.5 ℃，電池內部的高溫下會使金屬殘渣熔融，隨機性附著在引線上也會導致引線之間出現搭接造成回路電阻下降。

表5 20發熱電池作用24 h激活回路阻值測量值Table 5 The measured valves of activation circuit of 20 thermal batteries after action for 24 h.

然后隨著熱電池內部反應的進行，直至結束，其內部溫度和壓力的逐步降低，每個單元熱電池作用后電點火頭捻合導線的接搭程度、金屬殘渣的附著結構狀態因個體差異，激活回路電阻會出現短路、阻值增大甚至接近開路的不同結果。為進一步驗證此結論，對已完成工作的20發熱電池放置24 h后，對其激活回路電阻進行跟蹤測量，測試結果見表5，可知激活回路阻值的變化規律與上述分析及文獻報道基本相符[6]。

4 結論

通過對某制式橋絲類電點火頭及采用其裝配的熱電池激活回路電阻的測試，及變化機理分析，給出了貯存過程、使用過程熱電池激活回路電阻的變化趨勢，結論及建議如下：

1)熱電池激活回路電阻值在激活前隨貯存溫度的微小變化，在高、低溫貯存極限條件下，阻值極差不會超過激活回路電阻的2%，通過阻值測定可以判定電池工作與否。

2)激活回路電阻在激活過程有三個變化階段：一是阻值微增過程；二是阻值近似開路過程；三是阻值在開路和短路之間的隨機值。

3)建議：由于熱電池作用過程激活回路電阻變化的不確定性，建議在熱電池激活回路設計時使用限流電阻或熔斷電阻，在滿足線路功率要求的情況下，能夠保證武器系統點火電源的可靠性和安全性。