热电池空中激活的优势分析*

路阳，张庆宏，蔡彬，陈彧欣，靳昊鑫，邓康

(北京电子工程总体研究所,北京 100854)

0 引言

热电池作为弹上电源系统的主要电能来源[1-3]，其一般会在射前由地面发控系统激活，激活方式有2种[4-5]：一种是电激活，即使用外电源引爆电火头发火，引燃加热片激活热电池；另一种是机械激活，即使用机械能使火帽发火引燃加热片激活热电池的方式。

热电池是利用其本身加热系统，把不导电的固态盐类电解质加热，并使电解质熔融成离子状态而进入工作状态的热激活一次电源[6]。热电池具有高比能量、高比功率、激活迅速可靠、大功率放电等特点[7-8]，因此在导弹武器电源系统中占有十分重要的地位。目前随着对导弹远程、轻小型化这一迫切发展需求，对热电池长航时供电、接力供电、轻小型化的设计需求也吸引了广大科研人员的研究兴趣。

当热电池被激活后，根据总体需求，按照导弹的飞行时序，依次为弹上设备提供电能。依据总体需求的特点，往往在导弹大部分的飞行过程中，是不需要为弹上设备供电的。由于此时热电池已经被地面发控系统激活，其不免要长时间放电，导致了大量不必要的电能浪费。而技术人员在设计电池时，会将电池在非工作状态时的这部分放电时间全部考虑在内，于是所制作出的电池都会尺寸过大以及质量过大，这非常不利于弹上电池设备的小型化和轻型化设计理念。

热电池空中激活本质上是导弹采用热电池长时间供电，受技术、体积、质量、成本等因素影响，转而采用分段接力供电，降低技术风险和成本。也即导弹在地面先不激活，根据导弹的飞行时序，当导弹飞行一定时间时，在适当的时刻激活热电池，此时即可满足弹上设备供电需求。采用空中激活的方式，不但可以有效避免热电池在非工作状态期间所造成的电能浪费，而且也不会影响热电池为弹上设备供电需求。由于减少了热电池电能损耗，采用空中激活方式的热电池，其尺寸和质量相较于采取地面激活方式所用的热电池，都会大幅度降低，从而优化热电池设计，实现弹上电池设备的小型化和轻型化这一目标。

1 热电池技术特点及工作原理

热电池是第二次世界大战时，由德国Erb博士发明的一次使用贮备电池[9-10]。热电池的电解质通常是2种或2种以上的无机盐组成的低共熔盐，常温下不导电，热电池自放电很小，因而热电池贮存寿命长。使用时通过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500℃左右，使得电解质熔融，形成高电导率的离子导体，释放电能[11-12]。热电池具有激活时间短、比能量高、耐瞬间大脉冲能力强、贮存时间长、使用温度范围宽、使用方便等优点[13]，因而被广泛用于各种战术武器中。经过半个多世纪的发展，热电池体系、结构取得很大进展，性能有很大提高。

目前，以LiB/CoS2体系的热电池已经广泛应用于众多防空导弹型号中，以LiB/CoS2为体系的热电池的反应机理如下[14-15]：

正极：

(1)

(2)

负极：

(3)

2 热电池空中激活的优势分析

下面分别以短时间、中等时间和长时间工作的3类热电池为应用背景，对比计算并分析其在空中激活与地面激活2种不同情形下热电池的尺寸和重量。

2.1 短时长热电池指标计算

以短时长热电池的工作电压、电流、时间、质量以及尺寸指标为例，进行详细分析与计算，以下是短时长热电池的指标情况：

(2) 工作电流：第0～30 s时间范围内输出电流为1 A；第30～50 s时间范围内输出电流为20 A；

(3) 工作时间：50 s；

(4) 质量1.2 kg，2块电池串联使用，尺寸为φ48 mm×90 mm×2。

图1是短时长热电池地面激活时的放电时序。从上述指标分析可以得出，热电池在地面被激活后，0～30 s时弹上设备已经由地面供电，但处于未工作状态。第30～50 s时输出20 A电流，有效工作时间为20 s。

图1 短时长热电池地面激活时的放电时序Fig.1 Short time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

由于热电池在地面被激活，因此技术人员在设计热电池时，需要将第0～30 s时间内的热电池所消耗电能考虑在内，这无疑增加了电池的质量和尺寸。而采取空中激活方式，即在热电池第0～30 s内不工作，无需考虑这部分热电池的电能消耗。也即只考虑第30～50 s之间热电池输出稳态电流20 A。如果采取空中激活的方式，经过计算可以得出热电池的质量约为710 g，尺寸约为φ56 mm×70 mm。图2是短时长热电池空中激活时的放电时序。

图2 短时长热电池空中激活时的放电时序Fig.2 Short time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

计算步骤如下：

(1) 输出电压按最大56 V计算，输出电流为20 A，工作时间20 s。电流密度以600 mA/cm2计算，单体截面积为20 000 mA÷1 200 mA/cm2≈16.67 cm2。于是采用φ48 mm的单体电极，按照每个单体2.0 V计算，需要56 V÷2.0 V=28个，即需要28个热电池单体串联。

(2) 工作时间20 s，每个单体高度按2.0 mm计算，则28只单体的电堆高度为28×2 mm=56 mm。

(3) 考虑隔热层、壳体厚度和点火头安装位置，实际热电池尺寸为φ56 mm×70 mm。

(4) 电池质量计算：2.8 cm2×3.14×7.0 cm×4.1 g/cm3≈710 g。

计算结果表明，采用空中激活方式，热电池的质量减少约0.49 kg，减幅达59.2%。尺寸减少了约54.6%(如表1所示)。

表1 短时长热电池指标对比情况Table 1 Short time battery indicators comparison

2.2 中等时长热电池指标计算

以中等时长热电池的工作电压、电流、时间、质量以及尺寸指标为例，进行详细分析与计算，以下是热电池的指标情况：

(2) 工作电流：第0～185 s时间范围内输出电流为0.5 A；第185～200 s时间范围内输出电流为20 A；

(3) 工作时间：200 s；

(4) 质量6.5 kg，尺寸φ125 mm×420 mm。

这部分的计算过程和2.1节类似，不再详细给出计算过程。图3,4分别为中等时长热电池地面和空中激活时的放电时序图。这里电池的相关参数包括：工作时间15 s，电流密757 mA/cm2，经计算可得电池直径为φ60 mm。每个单体2.0 V，单体高度按2.0 mm计算，则电堆高度为115×2 mm=310 mm。考虑隔热层、壳体厚度和点火头安装位置，实际热电池尺寸为φ68 mm×320 mm，电池质量计算：3.42cm2×3.14×32 cm×4.1 g/cm3≈4.76 kg，对比指标d)，可得出电池质量减轻约3.2 kg，质量减幅约26.7%，体积减少约58.5%(如表2所示)。

图3 中等时长热电池地面激活时的放电时序Fig.3 Medium time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

图4 中等时长热电池空中激活时的放电时序Fig.4 Medium time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

表2 中等时长热电池指标对比情况表Table 2 Medium time battery indicators comparison

2.3 长时热电池指标计算

以长时工作的热电池工作电压、电流、时间以及质量指标为例，进行详细分析与计算，以下是热电池的指标情况：

(2) 工作电流：第0～400 s时间范围内输出电流为0.1 A；第400～410 s时间范围内输出电流为20 A；第410～415 s时间范围内输出电流为84 A；

(3) 工作时间：415 s；

(4) 质量6 kg，尺寸φ130 mm×96 mm。

图5,6分别为长时热电池地面和空中激活时的放电时序图。

图5 长时热电池地面激活时的放电时序Fig.5 Long time thermal battery sequence of discharge about the ground activation

图6 长时热电池空中激活时的放电时序Fig.6 Long time thermal battery sequence of discharge about the sky activation

按最大输出电压56 V计算，15 s时工作电流为84 A，电流密度以2 300 mA/cm2计算，因此采用φ70 mm的单体电极。按照每个单体2.0 V，单体高度按2.0 mm计算，需要28个热电池单体串联。28只单体的电堆高度为28×2 mm=56 mm。

考虑隔热层、壳体厚度和点火头安装位置，实际热电池尺寸为φ80 mm×6 6mm。

电池质量计算：4 cm2×3.14×6.6 cm×4.1 g/cm3≈1.36 kg。

计算结果表明，采用空中激活方式，热电池的质量减少约4.96 kg，减幅达82.6%。尺寸减少了约57.7%(如表3所示)。

表3 长时热电池指标对比情况表Table 3 Long time battery indicators comparison

说明1： 以上热电池的工作时间都是假设的，尤其是为了验证采取空中激活方式在减重和减尺寸方面的优势而虚拟出来的。

说明2： 目前弹上热电池都是在地面先激活，然后其处于等待工作状态。但是热电池几乎没有不被激活的情形，因此空中激活热电池这一思路具有一定的可行性，具有一定的工程指导意义。

说明3： 在电池建压完成后，其内阻会随工作时间延长而增大，即电池在前期比后期的抗大电流能力强。当采取地面激活方式，前期小电流密度放电会造成较大的自损耗，导致后期承载能力下降，因此设计时需要增加设计容量以提高后期抗大电流的能力。而采取空中激活方式，可有效避免增加设计容量这一问题。

说明4： 通过计算表明，采取空中激活热电池的方式可以大幅度减少其尺寸和质量，这不但能够实现弹上电池设备的小型化和轻型化这一目标，同时也为全弹其他设备的减重与轻型化提供了一种可借鉴的思路。

说明5： 在全弹需要长航时供电时，从全弹的供配电角度考虑，如果采用热电池空中激活方式，不但可以提升热电池的工作效率，同时还能优化全弹供配电体系设计，这一点应引起科研人员的注意。

3 结束语

本文讨论了热电池空中激活的问题。给出了热电池技术特点、工作原理以及热电池的激活方法。分析了热电池采取地面激活方式对电池的质量和尺寸所带来的不利影响。分别以短时长、中等时长和长时间放电的3类热电池为研究背景，利用空中激活热电池的方式，详细计算了其质量和尺寸，并且与采取地面激活时热电池的质量和尺寸进行对比分析。研究结果表明，采取空中激活热电池的方式，可以大幅度减小热电池的质量和尺寸，从而有利于实现热电池轻型化和小型化这一设计目标，同时也为弹上其他设备轻型化与小型化提供了有意义的思路。