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摘要：为了适应新型武器系统的发展需求，本文以高比能量长时间工作热电池样机为研究目标。研究了包裹材质、金属箔片散热层对热电池表面温度的影响，并开发出金属箔片包裹中空骨架隔热技术，实现了高比能量长时间热电池表面温度降低至80℃以内的技术水平。
关键词：热电池；新型；隔热结构设计；表面温度
1热电池简述
热电池即热激活电池，它是以熔融盐作为电解质，利用热源将电解质熔融而激活的一次储备电池。热电池的特点是工作高温，通常内部温度在550℃以上，经过热传导使热电池表面温度高达250℃～350℃。
由于热电池的主要应用是为弹上系统提供电能，过高的表面温度会超出了弹上系统的温度承受范围。尤其是随着导弹武器系统小型化的发展，弹上各组件间的距离越来越小。过高的表面温度严重影响着弹上电子元器件的可靠性与安全性，从而限制了热电池的应用范围。因此，满足弹上系统环境温度的需要是当前热电池技术发展的重要方向。
当前，降低电池表面温度的主要技术是使用隔热外罩框架，增加电池表面与发热源之间的距离。该种技术可使短时间工作热电池表面温度温度保持在120℃左右，然而高比能量长时间热电池表面温度甚至超过150℃。
2原理与方法
2.1热电池结构
本文以高比能量长时间工作热电池为研究对象，其主要组成包括电池堆、烟火系统、极柱和结构件，如图1所示。其中电池堆由加热片和单体电池通过夹心饼式叠加堆积而成。电池激活后，加热片温度可达1000℃以上，整个电堆平均温度约为550℃，热量经过包裹层传导到电池外壳可达250℃～350℃。
3结果与讨论
3.1保温层材质的影响
不同的材料具有不同的保温隔热性能，减小热电池表面温度的有效办法是在单元电池表面包裹隔热材料以减少电池内部高温热源与电池表面之间的热传导。试验研究了样机电池外部包裹同样厚度的气凝胶和层压板刚性保温层对热电池表面温度的影响。电池表面温度测试结果如图3所示。
由图3中电池表面温度测试结果可知，电池包裹隔热材料后，表面温度显著降低。常规电池不包裹隔热材料时，在放电初期表面温度急剧上升，并且在750s时达到约250℃的最高温度。在外部包裹导热系数较低的气凝胶隔热层时，由于电池内部热量受到隔热材料限制，热传导速率降低。尽管电池激活初期表面温度仍然快速上升，但是表面最高温度仅为125℃左右，其后表面温度缓慢下降。表明隔热效果明显，电池表面温度显著降低。为了进一步降低表面温度，试验在气凝胶保温层外部继续添加层压板外壳。由图3中曲线2和曲线3可知，尽管两种隔热设计的电池表面温度相当，但是通过添加隔热层压板，可以显著降低电池表面温度上升速度。表明层板压隔热材料对于短时间工作电池具有良好的隔热效果。
3.2散热层的影响
由于气凝胶和层压板都是通过隔热的方式，减少内部热量的传导速率以降低电池表面温度。因此一旦热量积聚后，表面温度也会急剧升高。为了合理疏导热量，在前述隔热材料设计的基础上，包裹金属散热层，以提高电池表面的散热速度。试验对比了金属箔片散热层对电池表面温度的影响。可知，在同等的条件下，采用铜箔散热层，电池的表面温度能够降低10℃。表明采用铜箔能够有效降低表面温度，这是由于铜箔提高了电池表面热散失速率，实现了电池表面与大气间的快速热交换，从而降低电池表面温度。
3.3金属箔片包裹中空骨架式结构的影响
为了充分利用传导和对流的热量传递方式，根据上述研究结果，设计出了金属箔片包裹中空骨架式结构（如图2所示）。在该结构中，气凝胶主要用于降低热传导速率，中空骨架式结构用于增强对流，金属箔片用于提高电池表面散热速度。研究试验比较了该种新型隔热结构和常规气凝胶包裹加层压板框架结构对电池表面温度的影响，通过试验结果可知，常规气凝胶外包裹热电池，在电池激活后700s内，表面温度急剧上升，并达到125℃左右的峰值温度。此后，电池表面温度缓慢的下降，直至电池工作结束。
采用金属箔片包裹中空骨架结构热电池，激活后，表面温度缓慢上升，大约在2000s左右达到最高温度，并且电池表面温度保持稳定，整个放电过程中电池表面温度不超过80℃。这是由于相比常规结构，在该隔热结构中，气凝胶隔热材料降低热量传导速率，中空骨架式结构形成内部气流通道，使得热量从电池两端空腔中散出，金属箔片在热平衡的作用下实现与大气的快速热交换，因此减少了电池表面的热量聚集程度，显著降低表面温度。该种金属箔片包裹中空骨架式结构相比常规包裹结构的表面温度降低了约三分之一，可以显著降低热电池表面温度满足高比功率长时间热电池对表面温度的要求。
结语
金属箔包裹中空骨架式隔热技术充分利热传递原理进行隔热设计。通过该技术，可使高比能量长时间热电池的表面温度从250~350℃稳定降低至80℃以内，该模型结构简单，方便实用，综合比特性高，能够满足未来武器系统应用需要。
参考文献：
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[2]段成丽.长寿命热电池技术对策[J]电源技术，2012.
[3]马晶晶.热电池的电化学仿真和热仿真研究进展[J]电源技术，2014.
作者简介：
孙文涛，男，吉林扶余人，贵州大学本科，助理工程师，单位：贵州梅岭电源有限公司
简娟娟，女，湖南邵阳人，贵州大学本科，工程师，单位：贵州梅岭电源有限公司
论文作者:孙文涛,简娟娟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：电池论文; 表面温度论文; 包裹论文; 隔热材料论文; 结构论文; 凝胶论文; 骨架论文; 《电力设备》2017年第4期论文;