热发散设计在空间紧张大型封闭式热电池组中的研究

孟剑 段其智 杨重琳 罗莉 邓小强 何永浩

贵州梅岭电源有限公司 贵州 563003

摘要：大型封闭式热电池由于结构及热量分布不均等特点，在电池空载时易发生短路故障。本文研究了高导热炭纤维毡热包覆设计对热电池组安全性的影响。结果表明：高导热炭纤维毡可以有效分散热电池中部的热量积聚，提升热电池组的空载安全性。

关键词： 热电池；空间紧张；热发散设计

中图分类号：T 文献识别码：A

Research of thermal dispersion design technology in a space-limited and large enclosed thermal battery

Meng Jian Duan Qizhi Yang Chonglin Luo Li Deng Xiaoqiang He Yonghao

(Guizhou Meiling Power Supply CO., LTD., Guizhou,563003)

Abstract:  Due to the heat distribution and structural feature, the space-limited and large enclosed thermal battery short circuit occurrs frequently when it is unloaded in high temperature. This paper discusses the influence of the design of the coating of the high heat conductivity carbon fiber. The results show it can break the heat accumulation and improve the security of the no-load battery.

Key words: thermal battery, space limited, thermal dispersion design technology.

1.概述

热电池是一种热激活贮备电池，在常温下电解质为固体，使用时利用热源将其熔化而激活的储备电池。由于它内阻小、使用温度范围宽、贮存时间长、激活迅速可靠、不需要维护，故而发展成为航天设备的理想电源^[1]。

但是，也正是由于热电池的这种工作特性，使得其很难像其它电源一样进行充放电，也意味着在激活前难以对热电池自身的安全性进行准确的判断。从国内外的公开报道来看，热电池主要安全性问题在于各种设计或工艺原因造成的链式热失控，其基本机理为：电池堆局部热失控—硫化物正极分解—硫蒸汽与合金负极发生热反应—锂合金负极熔融并溢出—电堆大范围短路—热失控程度进一步扩大—金属壳体熔穿或爆炸。因此，在热电池研制过程中准确找到设计的薄弱环节，有效避免热失控是热电池研制过程中最重要的安全性考量因素。

对于空间紧张型封闭式热电池来说，电池堆中间部位是热电池设计的薄弱环节，这是因为电池堆中间的热量无法向四周快速扩散，热量在中部不断集聚，中部温度持续升高，最终发生热失控。因此，如何避免电池堆中部的热集聚是提高电池安全性设计的关键环节。

2.试验

2.1 热发散设计

本试验通过在电池堆外包裹一层高导热炭纤维毡来分散热电池中部的热量积聚，示意图见图1。

图1 热电池优化设计示意图

2.2 安全性测试

将常规设计热电池组和高导热纤维毡包覆设计热电池组进行高温空载安全性测试。

2.3 表面温度测试

采用测温仪对常规设计热电池组和高导热纤维毡包覆设计热电池组中部表面温度进行测试。

3.结果与讨论

图2 高温空载曲线图

图2为未采用和采用优化设计电池组的高温空载放电曲线图。从图中可以看出，未采用优化设计的热电池组在4000s空载曲线出现波动，随后电压快速下降，在6500s左右电压波动加剧，电池组内部发生短路。而采用优化设计的电池组空载安全工作14000s，空载电压曲线平滑，高温空载安全。

图3 放电过程中电池组中部和底部温度差异图

图3为未采用和采用优化设计电池组工作过程中部的温度差异图。从图中可以未采用优化设计电池组激活后其中部底部温度差异逐渐增大，最高达至100℃，而采用优化设计后的电池温度差异明显较小，并随着工作时间的增长，温度差异逐渐减小。

热电池组在高温空载过程中电池堆中部的温度会出现热量积聚，高导热炭纤维毡的包覆可以使电池堆表面的温度向低温区域扩散，从而实现电池堆表面的温度均匀，有效防止了局部趋于温度过高而导致的短路，因此，优化设计后的空间紧张封闭式热电池组未出现空载短路，电池组工作正常。

4.结论

通过对热电池组实施高导热炭纤维毡包覆设计，热电池组中部的表面温度差异减小，电池组高温空载安全性提高。碳纤维毡包覆性设计可以有效分散电池堆中部的热量，防止热电池组中部温度过高而引发的局部热失控，从而保证热电池组的安全性，适用于大型空间紧张封闭式热电池。

参考文献

[1] 陆瑞生,刘效疆.热电池[M].北京:国防工业出版社,2005.