CN102354773A - 锂－亚硫酰氯电池及其供电控制电路 - Google Patents

锂－亚硫酰氯电池及其供电控制电路 Download PDF

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Abstract

锂-亚硫酰氯电池及其供电控制电路，涉及电池的安全性技术领域。本发明解决了现有锂-亚硫酰氯电池在实现大电流的放电电流密度的同时，存在过热、过放和短路的问题。本发明所述的锂-亚硫酰氯电池的壳体为密封壳体，多个锂-亚硫酰氯单体电池成矩阵型排布固定在壳体内，并且所有锂-亚硫酰氯单体电池的电极均朝向同一个方向，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池串联连接之后的多个输出端连接至壳体顶部的输出接口，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池之间和锂-亚硫酰氯单体电池与壳体侧壁之间均填充有导热硅脂，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池之间还固定有一个热敏电阻，所述热敏电阻浸在导热硅脂内，每个热敏电阻的信号输出端均连接至输出接口。

Description

锂-亚硫酰氯电池及其供电控制电路
技术领域
本发明涉及电池的安全性技术领域，具体涉及到一种放电电流密度大的锂-亚硫酰氯电池的安全性设计方法。
背景技术
锂-亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池是在目前已实现的化学电源中其比能量是最高的，其重量比能量是锌银电池的2倍，这表明在输出相同能量的情况下，它的重量和体积要小得多，同时具有工作电压高、电压输出平稳等优点，具有容量大、体积小、重量轻的优点。
国内外已应用该体系的电池，如1988年Altus公司为美国“Centaur-G”火箭系统研制了250Ah的动力型Li/SOCl2电池。同年，法国SAFT公司为美国大力神IV火箭的仪器和制导系统研制了标称容量250Ah的动力型Li/SOCl2电池组；SAFT公司还为European航天飞机“HERMES”号的燃料电池设计了作为支撑电源用的大容量Li/SOCl2电池；与此同时，美国Appl.phys.Lab.也以大容量Li/SOCl2电池作为Delta181低轨道探测器的主电源；1998年美国JPL为火星着陆探测器研制了Li/SOCl2电池组；国内700Ah的Li/SOCl2电池已成功应用于多颗返回式卫星作为电源系统。但以上的应用均为大容量、小电流密度的锂-亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池，其放电电流密度都不大于1mA/cm2。
与上述不同的是，本系统中涉及的锂-亚硫酰氯电池是作为长时间工作、高集成度的系统的主供电电源，需要的电流密度比较大，达到3mA/cm2左右，重量体积要求苛刻，工作环境中涉及空间真空环境和恶劣的力学环境。在真空环境下电池较容易发生过热现象；在恶劣的力学环境和空间环境下，容易诱发电池发生过热、过放电和供电回路短路等情况，电池发生过热、过放电和短路等情况时，由于放电过程中产生的粉末态的硫沉积在碳电极中，可能与滥用情况下在多孔碳电极中生成的粉末态金属锂混合，当多孔碳电极中锂硫混合物的浓度大于一定值时，受到某种“刺激”就会发生剧烈的氧化还原反应，发出大量的热量，触发快速的“链式反应”，导致安全问题发生，因此电池的散热安全性设计非常重要。
由于锂电池常态是带电状态，不需要激活，只要接通负载就会有电流输出，若不进行有效控制，容易对设备造成危害。同时电池存在电压滞后现象，因此需要设计了专门的供电控制电路既充分发挥了电池的优越性能，又保证了电池处于安全工作状态。
选用大放电电流密度的锂-亚硫酰氯电池作为系统的主供电电源在国内的领域中尚属首次，没有现成的可以借鉴的安全性设计技术。
发明内容
为了解决现有锂-亚硫酰氯电池在实现大电流的放电电流密度的同时，存在过热、过放和短路的问题，本发明采用一种适用于放电电流密度大的锂-亚硫酰氯电池的安全性设计方法设计了一种锂-亚硫酰氯电池及其供电控制电路，本方法具有安全系数高、结构简单、可靠性高、操作快捷、两级双重保险控制、兼顾地面测试和试验两个使用状态的特点。
本发明所述的锂-亚硫酰氯电池，其特征在于该电池由锂-亚硫酰氯单体电池、壳体、垫板和多个热敏电阻组成，壳体为密封壳体，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池成矩阵型排布固定在壳体内，并且所有锂-亚硫酰氯单体电池的电极均朝向同一个方向，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池串联连接之后的多个输出端连接至壳体顶部的输出接口，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池之间和锂-亚硫酰氯单体电池与壳体侧壁之间均填充有导热硅脂，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池之间还固定有一个热敏电阻，所述热敏电阻浸在导热硅脂内，每个热敏电阻的信号输出端均连接至输出接口。
单体电池之间的距离为2mm至2.5mm。
所述壳体内侧是经过黑色阳极化处理的。
每个锂-亚硫酰氯单体电池的两个输出电极并联到一起后，再分别通过熔断丝连接到电池的电极输出接口。
上述锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路包括一级控制继电器、预放电控制继电器、模拟负载、二级控制继电器、电池供电接口、设备供电输出接口和控制信号IO端口，控制信号IO端口的供电状态信号输入端连接一级控制继电器的状态信号输出端，控制信号IO端口的断电控制信号输出端连接一级控制继电器的断电控制信号输入端，所述控制信号IO端口的转电控制信号输出端连接一级控制继电器的转电控制信号输入端，一级控制继电器和二级控制继电器的开关串联连接在电池供电接口的电源信号输出端与设备供电输出接口的电源信号供电输入端之间，被供电设备的自断电信号输出端连接二级控制继电器的控制信号输入端，控制信号IO端口的预放电控制信号输出端连接预放电控制继电器的预放电控制信号输入端，该预放点控制继电器的开关串联在电池供电接口的电源信号输出端与模拟负载的供电输入端之间。
本发明所述的锂-亚硫酰氯电池安全性设计方法能够保证电池在大电流密度放电的前提下，能够有效的防止过热、过放电和短路现象的发生，有效地防止电池安全性问题的发生，本发明所述的锂-亚硫酰氯电池安全性设计方法适用于工作在放电电流密度要求高、空间真空及恶劣环境中锂-亚硫酰氯电池的安全性设计使用。
附图说明
图1是具体实施方式一中所述的电池组中的所有单体电池的分布示意图，图2是电池组中的热敏电阻的位置示意图，图3是本发明所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路的结构示意图。图4、5和6分别是具体实施方式一中所述的热真空试验中电池第一次、第二次和第三次的高温放电曲线图，图中曲线B1表示电压曲线，曲线B2表示电流曲线，图7是真空实验中，电池组的温度、电流曲线图，其中曲线A1是电池组壳体温度，曲线A2是电池组内部的单体电池的壳体温度，曲线A3是电池组外部环境温度，曲线A4是电池组放电电流曲线，其中第一个脉冲为高温段放电，第二个脉冲为低温段放电，第三个脉冲为高温段放电，其他时间电池不放电。。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式所述的是一种锂-亚硫酰氯电池由锂-亚硫酰氯单体电池3、壳体1、垫板2和多个热敏电阻4组成，壳体1为密封壳体，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池3成矩阵型排布固定在壳体1内，并且所有锂-亚硫酰氯单体电池3的电极均朝向同一个方向，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池3串联连接之后的多个输出端连接至壳体1顶部的输出接口5，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池3之间和锂-亚硫酰氯单体电池3与壳体侧壁之间均填充有导热硅脂6，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池3之间还固定有一个热敏电阻4，所述热敏电阻4浸在导热硅脂6内，每个热敏电阻4的信号输出端均连接至输出接口5。
本实施方式中，多个单体电池采用矩阵式排布，单体电池之间为面接触，扩大了导热面积和热辐射面积。
单体电池之间的距离为2mm至2.5mm。
本实施方式中，还在单体电池之间、单体电池和壳体之间填充了导热硅脂，增加了对外的热传导能力，防止电池局部过热，能够将每个单体电池产生的热量迅速的传导在壳体上。
本实施方式中，所述壳体1是经过黑色阳极化处理的。经过黑色阳极化处理的壳体能够更多的吸收单体电池的热量，尽可能将电池内部的热量吸收到壳体上，有利于散热。
采用上述壳体内侧经过黑色阳极化处理后的壳体1的电池，通过电池热真空试验得出了电池的安全工作温度范围，电池的安全工作温度由通常的80℃提高到了100℃。
本实施方式中，在电池内部各单体电池之间设置有热敏电阻，能够实时监测电池内部的温度。在实际应用中，可以通过读取各个热敏电阻电信号来获得电池内部的温度即温度分布情况，进而实现对电池工作状态的安全控制。
本实施方式所述的锂-亚硫酰氯电池在实际使用过程中，都是固定在舱体上的，在固定过程中，将电池的壳体与舱体的接触面也涂导热硅脂，能够将电池产生的热量迅速传递到舱体上，采用舱体对电池进行散热，有效降低电池本身的问题。
参见图1所示的一种锂-亚硫酰氯电池中的多个锂-亚硫酰氯单体电池3的排布位置示意图，该图所示的锂-亚硫酰氯电池由9块锂-亚硫酰氯单体电池3组成，所述9块锂-亚硫酰氯单体电池3按照3×3的矩阵排布。参见图2所示，是图1所述电池的局部剖视图，该图中，在相邻两个单体电池3之间填充有导热硅脂6，位于两侧的两块单体电池3与壳体1之间也填充有导热硅脂6，在相邻两个单体电池3之间的导热硅脂6中浸有热敏电阻4，每个热敏电阻4的信号输出端与输出接口5连接。
所述输出接口5是该电池内部与外部的电信号的连接端口。
本实施方式所述的电池具有良好的散热效果。下面论述本实施方式所述的电池进行热真空试验的验证结果。
真空试验过程中，电池的放电曲线见图4、图5和图6，温度曲线见图7所示。根据这些数据可以获知，该电池的最大安全工作温度点由原来的单体电池温度不得超过80℃，现在提高为单体电池最高温度不得超过100℃，表明经过本方法中的散热设计，能够达到很好的散热效果，从而拓宽了电池的安全工作温度范围。
具体实施方式二、本实施方式所述的是具体实施方式一所述的锂-亚硫酰氯电池的进一步限定，本实施方式所述的锂-亚硫酰氯电池中，每个锂-亚硫酰氯单体电池3的两个输出电极并联到一起后，再分别通过熔断丝7连接到电池的电极输出接口5。
本实施方式在电池的每个电极输出端串联一个熔断丝7，当电池的输出电流大于熔断丝7能够承受的电流值时，对应的熔断丝7能够瞬时熔断，切断电流回路，对电池起到保护的作用，能够有效防止电池由于过放电或者瞬间短路而导致电池过热、甚至爆炸的情况发生。
具体实施方式三、本实施方式所述的是具体实施方式一或二所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，该控制电路包括一级控制继电器、预放电控制继电器、模拟负载、一级控制继电器、电池供电接口、设备供电输出接口和控制信号IO端口，控制信号IO端口的供电状态信号输入端连接一级控制继电器的状态信号输出端，控制信号IO端口的断电控制信号输出端连接一级控制继电器的断电控制信号输入端，所述控制信号IO端口的转电控制信号输出端连接一级控制继电器的转电控制信号输入端，一级控制继电器和二级控制继电器的开关串联连接在电池供电接口的电源信号输出端与设备供电输出接口的电源信号供电输入端之间，电池供电接口的停止信号输出端连接二级控制继电器的控制信号输入端，控制信号IO端口的预放电控制信号输出端连接预放电控制继电器的预放电控制信号输入端，该预放电控制继电器的开关串联在电池供电接口的电源信号输出端与模拟负载的供电输入端之间。
所述控制信号IO端口输入/输出信号与外部控制设备相连接，主要为适用于地面测试过程中，与地面系统相连接，由地面系统实施控制。
所述的一级控制继电器必须采用磁保持继电器实现，磁保持继电器具有控制方便、可靠性高的特点，尤其是当电池脱离地面系统控制时，能够始终保持之前设定的控制状态，保证电池的正常工作。
所述二级控制继电器由被供电设备发出信号控制，实现被供电设备的自断电功能，所述二级控制继电器的驱动电路可以采用光电耦合驱动电路实现。
上述电路中的转电控制信号和断电控制信号分别采用独立的指令线进行操作。
所述供电状态信号是通过检测一级控制继电器中的一对触点的通断来检测电池的供电状态，例如，可以定义该对触点处于导通状态表明电池处于断电状态，断开状态表明电池处于供电状态。
本实施方式中，所述通过控制电池一级控制继电器和预放电控制继电器保证在系统需要电池供电时，能够使电池准确可靠的接入供电控制电路；在需要切断电池供电时，能够及时响应完成断电工作，使电池的输出容量在允许范围内的情况下，可以多次使用，节省了电池的能源；并且在测试过程中遇到故障情况时，能够实施紧急断电，保证系统的安全。其中，一级控制继电器输出的供电状态信号是为了随时了解电池的供电状态，是电池供电状态的检查信号，通过该信号能够清晰的确认电池的供电状态，防止出现误操作。
该控制电路在使用过程中，通过电池供电接口与具体实施方式一或二所述的电池相连接，通过设备供电输出接口与外部需要供电的设备连接，在供电过程中，首先要确认电池的供电状态，确保电池处于断电状态，保证弹上设备的安全，然后再进行其他工作。而且如果使用过程中出现任何故障，可以实现对电池的应急断电操作，保证设备的安全。
该自断电信号由被供电的设备来发出、用于切断电池供电的信号，这级控制主要用于试验状态下，试验结束后，切断电池供电，完成试验设备的断电工作。该自断电信号主要是保证在试验过程中，与地面系统分离后，在试验结束后，能够及时切断电池供电，防止电池的过放电现象发生。
本实施方式中，所述预放电控制电路继电器是用于解决锂-亚硫酰氯电池在存放一定时间后，最初放电时会出现电压滞后现象。
本实施方式中，采用电磁继电器来控制电池与模拟负载的接通状态，模拟负载是根据设备正常工作时所需的供电电压和电流，计算得出的等效电阻模拟负载值。
根据电池的特性，电池的常态是带电状态，不需要激活，只要接通负载就会有电流输出，所以，如果在供电过程中不对电池进行有效的控制，就会发生短路或过放电现象，此现象的发生不但会对供电的设备造成损坏，而且会引起电池过热、甚至发生爆炸。采用本实施方式所述的供电控制电路控制电池的供电过程，能够满足设备自控与地面系统两级控制功能，具有高可靠性、可控性、可测试性和快速响应的特点，能够有效保证电池供电的安全可控。

Claims (10)

1.锂-亚硫酰氯电池，其特征在于该电池由锂-亚硫酰氯单体电池(3)、壳体(1)、垫板(2)和多个热敏电阻(4)组成，壳体(1)为密封壳体，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池(3)成矩阵型排布固定在壳体(1)内，并且所有锂-亚硫酰氯单体电池(3)的电极均朝向同一个方向，所述多个锂-亚硫酰氯单体电池(3)串联连接之后的多个输出端连接至壳体(1)顶部的输出接口(5)，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池(3)之间和锂-亚硫酰氯单体电池(3)与壳体侧壁之间均填充有导热硅脂(6)，每相邻两个锂-亚硫酰氯单体电池(3)之间还固定有一个热敏电阻(4)，所述热敏电阻(4)浸在导热硅脂(6)内，每个热敏电阻(4)的信号输出端均连接至输出接口(5)。
2.根据权利要求1所述锂-亚硫酰氯电池，其特征在于单体电池之间的距离为2mm至2.5mm。
3.根据权利要求1所述锂-亚硫酰氯电池，其特征在于所述壳体(1)内侧是经过黑色阳极化处理的。
4.锂-亚硫酰氯电池，其特征在于所述的锂-亚硫酰氯电池中，每个锂-亚硫酰氯单体电池(3)的两个输出电极并联到一起后，再分别通过熔断丝(7)连接到电池的电极输出接口(5)。
5.权1至4任一权利要求所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，该控制电路包括一级控制继电器、预放电控制继电器、模拟负载、二级控制继电器、电池供电接口、设备供电输出接口和控制信号IO端口，控制信号IO端口的供电状态信号输入端连接一级控制继电器的状态信号输出端，控制信号IO端口的断电控制信号输出端连接一级控制继电器的断电控制信号输入端，所述控制信号IO端口的转电控制信号输出端连接一级控制继电器的转电控制信号输入端，一级控制继电器和二级控制继电器的开关串联连接在电池供电接口的电源信号输出端与设备供电输出接口的电源信号供电输入端之间，被供电设备的自断电信号输出端连接二级控制继电器的控制信号输入端，控制信号IO端口的预放电控制信号输出端连接预放电控制继电器的预放电控制信号输入端，该预放电控制继电器的开关串联在电池供电接口的电源信号输出端与模拟负载的供电输入端之间。
6.根据权利要求5所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，所述的一级控制继电器采用磁保持式继电器实现。
7.根据权利要求5所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，所述转电控制信号和断电控制信号分别采用独立的指令线进行操作。
8.根据权利要求5所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，所述二级控制继电器由被供电设备发出信号控制，实现被供电设备的自断电功能，其驱动电路采用光电耦合驱动电路实现。
9.根据权利要求5所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，所述供电状态信号是通过检测一级控制继电器中的一对触点的通断来检测电池的供电状态。
10.根据权利要求5所述的锂-亚硫酰氯电池的供电控制电路，其特征在于，所述模拟负载是线性负载。
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