SSB蓄电池降低热电池表面温度的设计方法

SSB蓄电池降低热电池表面温度的设计方法

热电池作为一次性储备电源广泛用于航空航天领域。热电池在激活状态下，其内部高温会向外扩散热量，过高的表面温度会破坏弹上设备，超出电池周围感温器件工作温度，使得弹上设备工作安全性和可靠性降低。本文概述了热电池表面温度降低的设计方法，从电解质种类、保温材料、结构设计等方面开展介绍。

关键词：热电池；表面温度；设计方法

1 引言

热电池是一种熔盐电解质贮备电池，又称熔盐电池[1,2]。在使用时，通过引燃热电池内部烟火系统，使固态的电解质熔融，从而激活电池，即可提供用电设备所需的直流电流和电压。热电池由于具有高比能量、高比功率、温度使用范围宽、贮存时间长、贮存期内免维护等特点，广泛用于航空航天领域。

新一代武器装配热电池为其提供电能，电池激活后，加热片温度高达1000℃以上，整个电池堆平均温度约为550℃，经过保温后外壳温度达250℃以上[3]，超出电池周围感温器件工作温度，使得弹上设备工作安全性和可靠性降低。尤其是随着武器装备小型化发展，受弹上空间限制，各设备排布紧密，热电池过高表面温度对周围设备的影响也就越大。此外，除热电池作为发热源外，还有弹上其他发热设备对热电池进行烘烤，进一步提升弹上舱内温度，影响弹上仪器设备工作可靠性，进而大幅限制热电池的应用范围。本文从电解质种类、保温材料、结构设计等方面进行论述，降低热电池表面温度，从而拓宽其应用领域。

2原理及结构

热电池的电解质采用低共熔盐，常温下不导电，使用时通电流引爆电发火头或用撞击机构撞击火帽，进而引燃内部的烟火药源，使热电池内部温度迅速上升到550℃左右，电解质熔融，形成高电导率的离子导体，释放电能。其中，电池内部轴向和径向的温度分布是延中间向两侧依次降低。

将n个单体电池叠装在一起，加上电发火头、引燃条、正负极导流条、钢带、固定板、绝缘材料、保温层等零部件，组装成电池堆，再将电池堆装入筒体，通过氩弧焊进行焊接密封，图1为单元热电池设计示意图。

 

1 电池堆；2壳；3盖；4 绝缘保温组件；5 点火引燃组件；6 导流条

图1 单元热电池设计示意图

3 电解质种类对表面温度的影响

常态下电解质为固体状态，不导电，在电池激活后，电解质受热熔融为液态的离子导体，从而输出电能。即要使电池正常工作，必须要有足够的热量使电解质处于熔融状态，其电解质熔点的高低决定电池热量多少，电解质熔点越高，电池整体需求的热量也就越多，反之越小。常用的电解质材料见表1。

表1 常见电解质参数

电解质	熔点温度 ℃
LiCl-KCl	352
LiF-LiCl-BrLi	440
LiF-LiBr-KBr	320

采用高熔点电解质，电池整体热容大，对外辐射的热量也就越多，电池表面温度也就越高，反之降低。

随着时间的延长，电池的表面温度持续升高，一般在10min左右表面温度达到最高值。其中采用LiF-LiCl-BrLi电解质的电池，表面温度急速升高至300℃左右，而后缓慢上升至350℃左右。而采用LiF-LiBr-KBr电解质的电池，表面温度相对较低，最高约为260℃左右。通过采用较低熔点电解质可以有效降低单元热电池表面温度。

4 保温材料对表面温度的影响

热电池的保温设计对电池的热寿命起着非常重要的影响，通常在电池周围采用保温材料，减缓电池堆的热量散失，延长工作时间。常用的保温材料由硅酸铝纤维毡、石棉纸和气凝胶等，其导热系数分别为0.198W/（m·K）、0.035 W/（m·K）、0.015 W/（m·K），导热系数依次降低。采用的保温材料导热系数越小，电池的保温效果就越好，电池对外辐射的热量也就越小，电池表面温度也就越小，反之则越大。

5 电池结构对表面温度的影响

5.1 单元型电池

常见的单元电池型结构有裸单元、卡箍式、支耳式等，通常由单个单元电池完成电能输出，其表面温度测试点在单元电池壳体中部。

            

图2常见的单元电池型三维图

为降低电池表面温度，在保证电池性能的前提下，应尽量缩小电极极片尺寸，拉大电池堆与壳体距离，同时在电池堆和壳体包裹高效保温材料以此来降低电池表面温度。通常单元电池型表面温度在250℃～350℃范围内。

但上述结构降低的温度有限，往往不能满足要求。针对单元电池型，还可以通过采用保温材料包裹单元电池和真空绝热设计来降低电池表面温度。

伍宏明[3]等通过金属箔包裹中控骨架式隔热技术，将电池的表面温度由250℃～350℃稳定降低至80℃以内，大幅降低了电池的表面温度。

真空绝热采用不锈钢制成的双层夹套壳体，夹套内抽真空，利用真空绝热特性大幅降低电池表面温度。

5.2 组合型电池

组合型电池通常由单元热电池、框架、隔热外壳等组成，其表面温度测试点在隔热外壳表面中部。组合型电池表面温度测试点如图3所示。

图3组合型电池示意图

在单元电池内部添加高效保温材料进行保热设计，加装隔热外壳，拉开单元电池与外壳的距离，采用空气进行隔

热，能大幅降低电池的表面温度，表面温度在150℃左右。特殊地，可用保温材料包裹单元电池，同时在外壳内侧加装保温材料，其包裹层和保温隔热层越厚，空气层距离越大，保温隔热效果越好。通过复合保温隔热设计，电池表面温度能控制在60℃以内。

6工作环境对表面温度的影响

根据不同系统工作需要，往往热电池的工作环境不同，初始工作温度越高，电池表面温度越高。常用的热电池工作温度为-50℃～70℃。特殊的热电池，其工作温度为-50℃～500℃。随着工作环境温度的升高，电池对外辐射的热量会增加，为降低电池对外辐射热量，可在外壳内侧涂敷发射涂层，将电池对外辐射的热量发射回电池本体，从而降低电池外表面温度。

4 结论

本文从电解质种类、保温材料、结构设计等方面进行论述，降低热电池表面温度：

（1）：热电池采用的电解质熔点越高，相对的电池表面温度会较高，反之则降低；

（2）：热电池采用的保温材料导热系数越高，相对的电池表面温度会较高，反之则降低；

（3）：针对单元型电池，可通过采用保温材料包裹单元电池和真空绝热设计来降低电池表面温度，表面温度可降低至80℃以内；

（4）：通过复合保温隔热设计，电池表面温度能控制在60℃以内；

（5）：采用发射涂层能降低电池外表面温度。