热电池激活回路电阻变化测试与分析 ①

余福山，康二维，王军平，孙现忠，张继智，白银祥

(西安北方庆华机电有限公司，陕西 西安 710025)

1 引言

热电池属于热激活一次贮备化学电源，工作时通过武器系统给热电池发火装置输入一个外加能量来实现激活。目前利用武器系统提供的电能使热电池内部的电点火头发火从而点燃热电池内部的加热系统使热电池工作，这种电激活方式是热电池的主要激活方式[1-4]。电激活热电池激活回路电阻是指热电池接受武器系统激活电能的两个输入端之间的电阻值，由热电池的电缆线电阻、接线柱电阻、电点火头引线和其桥丝电阻等构成。激活回路作为热电池的重要组成部分，其可靠性将直接影响热电池工作的可靠性；同时其作为与武器系统对接的电气接口，作用过程电阻的变化将直接影响武器系统点火电源工作的可靠性和安全性。

鉴于目前热电池的技术更多集中于电极材料、保温材料及其结构设计，对热电池激活回路电阻变化规律研究极少。本文设计了测试电路，对桥丝类电点火头作用过程及采用其装配的热电池激活工作过程激活回路的电阻变化趋势进行了测试，并结合内部结构和材料的变化进行机理分析，提出了电激活热电池在激活和作用过程激活回路电阻随时间的变化趋势，可为两个及以上单元热电池组的激活电路的设计提供参考，有助于武器平台激活电气系统的安全、可靠点火电路的控制设计。

2 实验

2.1 实验材料

本文采用某制式桥丝类电点火头50个，该型电点火头装配热电池20发进行测试。其中热电池电堆直径40 mm，引燃条径向长度约40 mm，电点火头结构示意图见图1，其性能参数见表1，热电池结构示意图见图2，引燃条采用锆系加热纸裁制而成，加热片为铁加热片。

图1 电点火头结构组成示意图Fig.1 Structural diagram of electric match.

表1 电点火头性能参数Table 1 Performance parameters of electric match.

图2 热电池结构示意图Fig.2 Structural diagram of thermal battery.

2.2 实验仪器与条件

2.2.1 实验仪器

电点火头的发火时间和电阻变化测试采用发火时间测试系统；单元热电池激活回路电阻变化测试仪器详见表2。

表2 实验所用测试仪器明细Table 2 Detail of test instruments used in the experiment.

2.2.2 实验条件

数据采集仪采样率设定为20 KS/s,采集单元5 ms一个点进行电阻采集。电点火头发火时间测试原理图见图3。单元热电池选用-50 ℃～+70 ℃的测试温度范围，在环境试验箱进行低温、高温恒温2 h后进行激活回路电阻值测试。单元热电池激活过程激活回路电阻变化测试原理图见图4。通过测定电点火头的阻值和测试线缆的线阻，调节直流电源的电压值或者电流值，控制发火条件。

图3 电点火头发火时间测试原理图Fig.3 Test diagram of ignition time of electric match.

图4 激活回路电阻变化测试原理图Fig.4 Test diagram of resistance change of activation circuit.

3 结果与讨论

3.1 电点火头作用过程电阻测试结果与分析

在自然环境中，按照图3的测试线路对电点火头发火时间和电阻值变化进行了测试，50个电点火头的平均发火时间、发火时间极差、电阻值变化测试结果见表3。从表3可以发现，电点火头的发火时间均值为2.208 ms，发火过程电点火头阻值增大了0.748 Ω，作用后桥丝断开，其阻值变为无穷大。

表3 50个电点火头发火过程测试数据均值Table 3 Mean valves of test data of 50 electric match of ignition processes.

按照电点火头的结构和作用机理，激活加电过程时序如图5所示，分为桥丝升温过程、点火药的吸热反应延滞期、燃烧和桥丝熔断过程，将加电作用过程分解为桥丝升温时间(AC时间段)和点火药爆发延滞期(CE时间段)比仅用发火时间来描述更能准确地反映电点火头作用过程。首先，桥丝通电发热，变化点在桥丝与药剂处，遵循金属与合金材料的电阻变化规律，其计算公式为：

R=R0(1+aT)

(1)

式中，R为桥丝温度变化后的电阻值，R0为桥丝初始电阻值，a为材料的电阻温度系数，T为温度变化值。镍铬合金丝的电阻温度系数为正值，桥丝加电发热温度升高电阻增大，在高温作用下药剂爆燃，冲击波作用下桥丝断开，生成物残渣向外围扩散，点火头作用后电阻趋于无穷大，这与实验测试结果吻合，某电点火头作用过程实测见图6。

图5 电点火头作用机理和时序示意图Fig.5 Action mechanism and sequence diagram of electric match.

图6 自然环境下某电点火头作用过程实测图Fig.6 Measured diagram of action process of the electric match under natural environment.

3.2 不同环境温度激活回路电阻测试结果与分析

在-50 ℃～+70 ℃的贮存温度范围内，每隔30 ℃对20发热电池激活回路电阻进行测试，在-50 ℃和+70 ℃两个边界温度条件下，测得的电池激活回路的电阻值变化范围：0.051 Ω～0.079 Ω，平均值为0.065 Ω。

推测变化原因：激活回路组成的导线、桥丝合金材料电阻随温度的变化而引起。组成激活回路的导线材料电阻温度系数详见表4。从表中物理参数可知，电点火头镍铬合金电阻与金属导线的电阻相比高两个数量级，-50 ℃和+70 ℃两个边界温度条件下热电池激活回路电阻的变化主要是由电点火头桥丝的阻值变化引起。考虑到镍铬合金丝0 ℃～100 ℃温度范围内其电阻温度系数为常数，本文在-50 ℃和+70 ℃两个边界温度区间也近似以常数处理，

ΔR=R-R0

(2)

式中，R为温度变化后电阻值，R0为50个电点火头电阻的平均值。依据公式(1)及(2)，可知镍铬合金丝电阻平均变化值ΔR：

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

ΔR=(3.249-3.188)Ω=0.061 Ω；

这与测试的激活回路电阻变化均值0.065 Ω非常接近。

表4 激活回路导线电阻和温度系数Table 4 The wire resistance and temperature coefficient of activation circuit.

3.3 激活过程激活回路电阻测试结果与分析

激活过程热电池激活回路加载的电压随时间变化曲线见图7，激活回路电阻随时间变化曲线见图8。从曲线的电压变化和电阻变化可知，激活过程热电池激活回路电阻的主要变化有三个阶段：①回路电阻微升阶段(0点到a点时间段)、②回路电阻开路阶段(ac时间段)、③回路电阻随机变化阶段(cd及de时间段)。

①回路电阻微升阶段(0点到a点时间段)：从图7曲线数据可知，电点火头从加电到作用持续时间2.43 ms(图7的CD段)，作用后点火头电阻趋于无穷大。由图2热电池激活回路内部结构可知，电点火头发火部分处于空腔之中，电点火头又是热电池中的首发部件，激活回路加电点火头发作用过程的持续时间和电阻变化与电点火头在自然环境的作用规律一致。

②回路电阻开路阶段(ac时间段)：通过对图7和图8曲线对比可知，电点火头加电2.43 ms后，回路电阻急剧增大，40 ms左右(图8中b点)出现回路阻值的最大值达到9 423.5 Ω，随后开始下降，85 ms左右下降到3 000.0 Ω。

图7 热电池电点火头熔断时间测试图Fig.7 Measured diagram of fusing time of electric match in thermal battery.注：(AB为未加载电压段，CD为桥丝升温和点火药反应燃爆段，EF为桥丝熔断段)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)

图8 发火过程激活回路电阻变化曲线Fig.8 The curve of resistance changes of activation circuit of ignition processes.

对此，结合热电池及相关药剂作用过程，本文认为造成此现象的因素一是与热电池电点火头点燃引燃条、引燃条沿径向传火的过程相关。二是与引燃条产生的热量有关。热电池引燃条通常设计采用锆系加热纸，宽度7 mm～8 mm。径向尺寸依据电堆的直径而定，依据实验所用热电池电堆直径为40 mm，引燃条径向长度40 mm，其质量约200 mg，热值按1 882.8 J/g计算，产生热量376.6 J。持续时间等于引燃条燃烧时间，按照锆系引燃条燃速200 mm·s-1[5]，引燃条单边作用距离为20 mm,作用时间为20 mm/200 mm·s-1=0.10 s。此燃烧过程产生的热量低，不足以导致电点火头捻合引线处绝缘材料热分解破损进而使其短路。通过上述分析可知，热电池内部引燃条传火作用时间约100 ms，激活回路电阻的变化与电点火头在自然环境下作用的电阻变化规律相似。

③回路电阻随机变化阶段(cd及de时间段)：从图8曲线看到，85 ms左右激活回路电阻值开始下降(cd时间段)，到100 ms左右时接近于短路状态(d点)，随后又逐渐上升，为开路和短路间的随机值(de时间段)。

对此，结合热电池及相关药剂作用过程，本文认为造成此现象的原因如下：一是与导线绝缘材变化有关。热电池内部加热片点燃后，内部温度迅速升高到500 ℃以上，电点火头的捻合导线绝缘材料聚氯乙烯170 ℃开始烧蚀分解，导线绝缘性下降，电堆在高温下膨胀，在纵向产生压力进一步使电点火头捻合导线容易搭接，致使激活回路电阻从接近开路状态下降甚至短路。二是与药剂作用产物有一定关系。电点火头药剂三硝基间苯二酚铅的爆炸反应如下：

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

另外，由反应可知：电点火头的燃爆反应产物有金属铅残渣，其熔点只有327.5 ℃，电池内部的高温下会使金属残渣熔融，随机性附着在引线上也会导致引线之间出现搭接造成回路电阻下降。

表5 20发热电池作用24 h激活回路阻值测量值Table 5 The measured valves of activation circuit of 20 thermal batteries after action for 24 h.

然后随着热电池内部反应的进行，直至结束，其内部温度和压力的逐步降低，每个单元热电池作用后电点火头捻合导线的接搭程度、金属残渣的附着结构状态因个体差异，激活回路电阻会出现短路、阻值增大甚至接近开路的不同结果。为进一步验证此结论，对已完成工作的20发热电池放置24 h后，对其激活回路电阻进行跟踪测量，测试结果见表5，可知激活回路阻值的变化规律与上述分析及文献报道基本相符[6]。

4 结论

通过对某制式桥丝类电点火头及采用其装配的热电池激活回路电阻的测试，及变化机理分析，给出了贮存过程、使用过程热电池激活回路电阻的变化趋势，结论及建议如下：

1)热电池激活回路电阻值在激活前随贮存温度的微小变化，在高、低温贮存极限条件下，阻值极差不会超过激活回路电阻的2%，通过阻值测定可以判定电池工作与否。

2)激活回路电阻在激活过程有三个变化阶段：一是阻值微增过程；二是阻值近似开路过程；三是阻值在开路和短路之间的随机值。

3)建议：由于热电池作用过程激活回路电阻变化的不确定性，建议在热电池激活回路设计时使用限流电阻或熔断电阻，在满足线路功率要求的情况下，能够保证武器系统点火电源的可靠性和安全性。