一次電池快速激活帶載應用研究

王升貴，袁思鳴，王海清，陳迎亮，高新龍

(1.中國船舶集團公司第705 研究所昆明分部，云南昆明 650101；2.中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161；3.海軍駐昆明地區第二軍事代表室，云南昆明 650101；4.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

隨著潛艇機動性、隱蔽性、探測距離等性能的日益提升，以及戰場前沿的不斷前移，全球海軍面臨嚴峻的反潛形勢，傳統的水面艦近距離反潛已不能滿足打擊高性能新型潛艇的需求。直升機反潛、水面艦遠程反潛、岸基反潛等反潛形式應運而生。伴隨前述反潛作戰模式的改變，作為反潛利器的魚雷，特別是歐洲乃至世界魚雷武器庫競相更新發展的電動力魚雷，需要適應艦載發射、空投發射和火箭助飛發射等新形式。為滿足多平臺發射對電動力魚雷入水初始姿態的控制，同時適應淺水海域作戰使用需求，一次電池需要在魚雷入水幾秒內實現特定功率帶載，以及特定彈道模式下的滿功率運行，這對一次電池提出了全新需求。

鋁氧化銀電池作為魚雷動力電池已有30 余年歷史，是當今裝備魚雷最先進的動力電池之一[1]。國外，鋁氧化銀電池比能量可達160 Wh/kg以上，從激活到滿功率輸出需要十幾秒甚至更長時間，通常用于潛射重型魚雷。熱電池以激活快、低溫性能好、貯存壽命長等優點被廣泛應用于導彈、航天等武器裝備領域[2]。國外以LiB 合金做負極的熱電池比能量可達80 Wh/kg 左右，從激活到滿載輸出僅需一點幾秒甚至更短。本文在對兩種體系電池進行特性研究分析基礎上，采用2 種不同體系電池實現優勢互補的組合電源技術，充分利用熱電池激活快速性和鋁氧化銀電池高比能量的特性，提出滿足空投魚雷、火箭助飛魚雷對一次電池激活帶載時間、系統比能量等指標需求的解決方案，并通過試驗驗證了方案的可行性。

1 電池特性研究和需求分析

1.1 鋁氧化銀電池

鋁氧化銀電池屬于貯備式一次電池[3]，通過引入外界海水溶解自身攜帶的堿粉形成電解液參與電化學反應而對外釋放電能。電池組激活帶載性能受電池艙注液速度、電極浸潤速度、本體串聯電芯數、環境溫度及自身歐姆阻抗等因素影響，初始階段帶載能力隨著正負極活化程度的不斷推進而緩慢上升，從而影響鋁氧化銀電池初始激活帶載性能。

鋁氧化銀電池激活起始階段典型電壓曲線如圖1 所示，從發出激活指令到輸出電壓220 V 以上，時間較長。開路電壓穩定后，轉小功率加載實現低倍率放電，其激活過程電壓曲線如圖2 所示，受極化及歐姆阻抗影響，帶載能力較弱，電壓呈下降趨勢。研究結果表明，激活起始階段，電化學極化是影響鋁氧化銀電池放電倍率的主要因素；激活過程，雙極性電極歐姆阻抗則是影響其快速帶載的主要因素。

圖1 開路激活電壓曲線

圖2 激活過程帶載電壓曲線

模擬魚雷水下航行不同速制下負載特性，對鋁氧化銀電池帶載能力進行測試，其負載動態響應過程性能曲線如圖3所示。由圖中曲線可確定，鋁氧化銀電池在初始階段帶載響應能力顯著落后于設定加載要求；而在中后期，電池帶載響應能力明顯改善，可以滿足設定加載要求。研究表明，該種負載動態響應能力主要是鋁氧化銀電池自身特性(如堿粉配方、流量、活化程度等)所決定的。此外，根據圖3 曲線可看出，鋁氧化銀電池工作電壓較為穩定，帶載工作600 s 后仍具備加載大功率的能力。

圖3 加載過程典型性能曲線

1.2 熱電池

熱電池同樣屬于貯備式一次電池[4]，采用常溫下處于固體狀態的熔融鹽作為電解質，通過激活系統引燃內部加熱源使電解質變為熔融狀態而與電極活性物質發生化學反應對外快速輸出電能。

熱電池組開路激活過程電壓曲線如圖4 所示，電壓在0.7 s 即可達到穩定狀態，其激活輸出電壓能力遠超鋁氧化銀電池。在恒功率負載模式下，帶載電壓曲線如圖5 所示。根據圖中曲線可看出，熱電池的激活時間只有1 s 左右，具有優異的快速激活性能；但電池帶載電壓呈現持續下降趨勢，最高電壓出現在激活初期，表明熱電池具備較強的快速激活帶載能力。

圖4 開路激活過程電壓曲線

圖5 帶載電壓曲線

2 組合電源

2.1 激活帶載設計

為滿足多平臺發射魚雷武器對電池快速激活與高能量密度兼顧的需求，將熱電池和鋁氧化銀電池進行組合應用，充分利用熱電池的快速激活帶載、鋁氧化銀電池的高比能量穩定帶載特性，有效解決魚雷武器入水初期的快速激活帶載及后期大功率穩定帶載問題。從產品系統設計角度對激活帶載過程進行了如下設計：

(1)同步激活，提升帶載速度：調整產品電路和激活時序，實現熱電池和鋁氧化銀電池同時激活。該設計使得鋁氧化銀電池激活零點提前，提升了產品帶載速度。同時，該設計使得熱電池能夠同時為全雷及鋁氧化銀電池的泵電機供電，可簡化鋁氧化銀電池的自用電機熱電池；

(2)變功率輸出設計，提升體積和質量比能量：熱電池成組是通過單元電池的串并聯來實現的。在電壓一定的情況下，大功率輸出均采用增加并聯單元電池數量的方式實現。單元電池數量越多所占用的空間越大，質量也越重。相對于鋁氧化銀電池而言，熱電池的體積比能量和質量比能量均較低。對于空投魚雷、火箭助飛魚雷而言，由于具備較高的初始速度，其激活初期大功率輸出要求并不十分嚴苛。為此，在全產品設計上提出了變功率輸出的設計，即在激活初始的10 s 內輸出功率只有額定功率的1/3 至1/2，以減小熱電池輸出功率，提升系統體積和質量比能量。

2.2 組合電源特性匹配

熱電池與鋁氧化銀電池構成組合電源，需要采用并聯供電的方式實現電能的輸出。在電池設計方面需要做好電壓匹配和隔離設計。

相對于鋁氧化銀電池而言，熱電池的工作電壓范圍較大。在產品額定電壓范圍一定的情況下，兩種體系電池的電壓設計需要遵循以下原則，以期獲得組合電源性能最佳。

(1)熱電池設計電壓應以產品額定電壓的上限為基準，鋁氧化銀電池設計電壓應以產品額定電壓的下限為基準；

(2)在此基礎上，盡量提高鋁氧化銀電池電壓，以縮短熱電池的工作時間，減小熱電池質量，從而維持組合能源有較高的系統比能量。

熱電池與鋁氧化銀電池并聯供電需要采取隔離設計，以防止相互充電而帶來安全性問題。隔離設計可采用二極管來實現，但需要解決好散熱及二極管壓降帶來的輸出電壓降低問題。至于是采用單隔離方案還是雙隔離方案，還需要結合熱電池與鋁氧化銀電池的自身特性及組合電源的具體設計方案而定。

2.3 負載特性

基于前述設計思路，完成了熱電池與鋁氧化銀電池的組合電源樣機，并結合動力系統進行了恒功率放電考核。組合電源激活過程電壓曲線如圖6 所示,激活指令發出僅0.5 s 輸出電壓就達到了最大值，表現出良好的帶載性能。在預設的加載模式下，組合電源輸出性能曲線如圖7 所示。從圖中可看出，激活約8 s 出現電壓、電流曲線趨勢變化的第一分界點，電壓從下降趨勢變為了上升趨勢，而電流則從上升趨勢變為了下降趨勢，這是由于熱電池和鋁氧化銀電池帶載交替導致。組合電源全程負載特性曲線如圖8 所示，整個放電過程組合電源輸出功率穩定，電壓變化平緩表明組合電源實現了并聯接力供電的無縫銜接，既滿足了初期的快速啟動需求，又滿足了后期長時間穩定帶載需求。

圖6 激活過程電壓曲線

圖7 加載過程性能參數曲線

圖8 組合電源負載特性曲線

從整體測試情況來看，激活帶載過程電壓曲線出現了從下降轉上升、再轉下降的趨勢，表明在當前具體容量配比條件下，熱電池尚有裕量，可通過減少熱電池容量配比從而提升系統整體比能量；另外，也表明當前加載模式不是最優方式，可通過加載時間點前移的方法實現電壓的平穩過渡，進一步縮短激活帶載時間，提升載體平臺入水初期機動性能。

3 結論

針對空投魚雷和火箭助飛魚雷的應用需求，在研究分析熱電池和鋁氧化銀電池工作特性的基礎上，從全雷系統角度對組合電源提出了同步激活、變功率輸出、特性匹配等設計要求，并開展了應用研究。研究結果表明：

(1)采用組合電源技術，實現兩種體系電池優勢互補，在具備較高比能量的同時，實現了快速激活帶載；

(2)兩種體系電池的實際能量配比需要結合載體平臺需求進行優化，必要時結合載體機動性能要求開展優化工作；

(3)在現有電池工業技術水平條件下，采用組合電源是滿足空投、火箭助飛等反潛魚雷快速啟動需求的最佳解決方式；

(4)結合裝備發展實際，開發具備高比能量、高比功率、激活時間短、全壽命周期免維護的一次電池將是電池工業的主攻方向之一。

快速激活帶載能力是衡量一次電池初期性能的關鍵指標，由于熱電池自身比能量低、鋁氧化銀電池激活速度慢等因素限制了兩種電池在水中兵器領域的應用，采用組合能源的方式，在獲取初期快速帶載能力的同時，維持了電池組較高的系統比能量。本文對能源組合的具體方式進行了明確，同時給出了相關研究結論，對于擴展熱電池和鋁氧化銀電池在水中兵器領域的應用具有重要意義。