CN107732267B - 高温环境下使用的大长径比热电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的高温环境下使用的大长径比热电池包括电堆，所述电堆由单体电池组和复合畜热隔层交替垒叠形成，所述单体电池组至少包含一个单体电池；同组的单体电池，热值相同；沿电堆轴向，单体电池热值呈梯度式设计，单体电池热值由两端向中心递减。本发明的高温环境下使用的大长径比热电池解决了热电池电堆轴向存在的温度梯度的问题。

Description

高温环境下使用的大长径比热电池
技术领域
本发明属于热电池技术领域，具体涉及一种高温环境下使用的大长径比热电池。
背景技术
热电池是用电池本身的加热系统把不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈低阻离子型导体而进入工作状态的一次贮备电池，其最大特点是输出功率高、激活时间短、贮存期间无需维护，作为导弹武器系统的配套电源是极为合适的，受到了国内外科研工作者的广泛关注。随着我国国防现代化事业的不断进步，各类导弹武器型号产品的种类呈井喷式发展，不但要求热电池实现比能量、比功率等电化学性能方面的进步，还对其几何尺寸和使用环境温度提出了诸多严苛的条件。如某新一代战略导弹型号要求直接在尾喷管附近安装多套伺服舵机热电池，在降低线路压降的同时提高可靠性，受弹体结构及总体设计限制，要求热电池同时具备长径比为5:1，工作时间超过1800s，贮存环境温度-50℃-+60℃下激活时间小于2s，工作环境温度达到+450℃等四种特点，而现有热电池产品及其它化学电源均难以同时实现上述性能指标。
从研制经验和国内外的公开报道来看，此类高温环境下使用的大长径比热电池的技术难点主要集中在下述三个方面：1)热电池电堆中部与两端端部的温度梯度随着工作时间的延长而愈发明显，易出现中部过热或端部过冷的情况；2)工作环境温度达到热电池工作窗口温度，热电池正常激活后，难以有效散热易出现安全性问题；3)高低温贮存环境温度跨度达到110℃，接近常规热电池产品的工作窗口温度极限，热设计困难。因此，如何有效解决这些问题就成为了成功研制此类舵机热电池的关键所在。
关于解决电堆轴向温度梯度过大、延长热电池工作时间和改善热电池在低温激活后的工作效率的报道已有很多。如中国专利CN 102306811A披露的一种具有电堆保温补偿功能的小型热电池，通过在电堆端部添加加热片来降低电堆轴向的温度梯度，但该方法适用范围较窄(要求热电池长径比小于2.5:1，工作时间小于60s)。中国专利CN 1348227A披露的一种改进性能的热电池组，通过二次激活热源的方法来提高热电池在低储存温度激活后的电性能，该方法要求热电池在空中进行二次激活，可靠度难以满足战略型号产品需要。中国专利CN102244206A披露的热电池用加热粉配方，含有相变蓄热材料的加热粉配方可以延长热电池的工作时间，但该方法存在明显技术缺陷，加热粉燃烧后的产物KCl会与其相变蓄热材料形成共熔盐而失效。因此，这些方法均不能从根本上解决上述高温环境下使用的大长径比热电池研制技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温环境下使用的大长径比热电池，解决了热电池电堆轴向存在的温度梯度的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是一种高温环境下使用的大长径比热电池，包括电堆，所述电堆由单体电池组和复合畜热隔层交替垒叠形成，所述单体电池组至少包含一个单体电池；同组的单体电池，热值相同；沿电堆轴向，单体电池热值呈梯度式设计，单体电池热值由两端向中心递减。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，将电堆中单体电池的热值分为多档，每档热值均不同，每档热值对应的单体电池的数量相同；将同档单体电池平均分成两组，同档的两组单体电池组对称分布在电堆中心的两侧，且由电堆两端向电堆中心，热值递减。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，单体电池组分为7档，热值分别为39.0％，39.5％，40.0％，40.5％，41.0％，41.5％和42.0％；以电堆轴向为方向组装热电池电堆，将热值最高的2组单体电池组布置在电堆两端，热值最低的2组单体电池组布置在电堆中间，以此类推，遵循热值“高-低-高”的顺序完成所有单体电池组的排布。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，复合蓄热隔层的总重量与加热片的总重量成比例关系，其最优比例为2.9:5～3.1:5。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，复合蓄热隔层中热相变材料为无水LiCl。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，该热电池长径比为5:1，工作时间超过1800s，贮存环境温度为-50℃-+60℃下激活时间小于2s，工作环境温度达到+450℃。
上述高温环境下使用的大长径比热电池，其中，在任意相邻的两组单体电池组之间插入复合畜热隔层。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1)本发明提供的热电池，是目前唯一一款能够安装于导弹尾喷管附近，并满足1800s工作时间及电动舵机用电需求的化学电源，极具军事价值与实际应用前景；
2)本发明着眼于实现广温域激活、高环境温度和大长径比尺寸条件下的电堆热平衡，完成了电堆中热电池单体热值的梯度式热设计优化和复合蓄热隔层的优化，在保证热电池安全可靠性的前提下实现了电化学性能的一致性；
3)本发明提供的热电池所用原材料及零部件制备工艺均与常规热电池相同，可在不改造现有生产线的前提下进行大规模生产，生产过程通用性高，在满足新一代战略导弹型号研制生产任务的同时，成本压力低，经济效益优良。
具体实施方式
现通过优选实施例对本发明的高温环境下使用的大长径比热电池作进一步阐述。
本发明的高温环境下使用的大长径比热电池包括电堆，所述电堆由单体电池组和复合畜热隔层交替垒叠形成，所述单体电池组至少包含一个单体电池；同组的单体电池，热值相同；沿电堆轴向，单体电池热值呈梯度式设计，单体电池热值由两端向中心递减。即电堆两端的单体电池的热值最大，电堆中心的单体电池的热值最小，由端部向正中间，单体电池的热值递减。
本发明的高温环境下使用的大长径比热电池，通过电堆中单体电池热值优化设计，很好地解决了热电池电堆轴向存在的温度梯度的问题。
为满足某新一代战略导弹型号要求，本发明主要从三个方面对热电池进行热优化设计：1)电堆中单体电池热值的优化设计；2)复合畜热隔层用量的优化设计；3)复合畜热隔层中热相变材料的选择优化。
1)电堆中单体电池热值的优化设计
沿电堆轴向，单体电池热值呈梯度式设计，单体电池热值由两端向中心递减，即电堆两端的单体电池的热值最大，电堆正中间的单体电池的热值最小，由端部向正中间，单体电池的热值递减。
较优地，将电堆中单体电池的热值分为多档，每档热值均不同，每档热值对应的单体电池的数量相同；将同档单体电池平均分成两组，同档的两组单体电池组对称分布在电堆中心的两侧，且由电堆两端向电堆中心，热值递减。
2)复合畜热隔层用量的优化设计
复合蓄热隔层的总重量与加热片的总重量成比例关系，其最优比例为2.9:5～3.1:5。
3)复合畜热隔层中热相变材料的选择优化
复合蓄热隔层中热相变材料优选无水LiCl。
例如，单体电池设计：使用LiB/LiCl-LiBr-LiF/FeS2-CoS2电化学体系；电堆包含的单体电池总数为140片，将140片单体电池分为7档，热值分别为39.0％，39.5％，40.0％，40.5％，41.0％，41.5％和42.0％，每档包含的单体电池的数量相同，即每档包含20片单体电池，同档的20片单体电池其热值相同；将各档的单体电池平均分成两组，即140片共分为14组，每组包含10片单体电池。
电堆组装：以电堆轴向为方向组装热电池电堆，将热值最高的2组单体电池组布置在电堆两端，热值最低的2组单体电池组布置在电堆中间，以此类推，遵循热值“高-低-高”的顺序完成所有单体电池组的排布；将14组单体电池组进行串并联组合；在任意相邻的两组单体电池组之间插入复合畜热隔层，最后组装为电堆；
复合蓄热隔层的总重量与加热片的总重量之比为2.9:5～3.1:5；复合蓄热隔层按总重量平均分成13组，任意相邻的两组单体电池组之间插入一组复合蓄热隔层；复合蓄热隔层中热相变材料为无水LiCl。
单元电池组装：将电堆与其它零部件组装为单元电池，其外形尺寸为Φ90mm×450mm，即得到高温环境下使用的大长径比热电池。
在使用环境温度为+450℃±2℃的条件下对该高温环境下使用的大长径比热电池进行放电，放电结果如表1所示：
表1
Figure GDA0001526764350000061
本发明的高温环境下使用的大长径比热电池可直接安装在导弹尾喷管附近作为电动舵机的配套电源使用，填补了国内外关于此类热电池的技术空白。本发明的高温环境下使用的大长径比热电池通过热优化设计重点解决了热电池内部的热平衡问题，实现了战略导弹型号舵机热电池实际应用零的突破。本发明提供的热电池同时具备长径比为5:1，工作时间超过1800s，贮存环境温度为-50℃～+60℃下激活时间小于2s，工作环境温度达到+450℃等四种特点，完全满足导弹武器型号的实际研制需要。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.高温环境下使用的大长径比热电池，包括电堆，所述电堆由单体电池组和复合蓄热隔层交替垒叠形成，所述单体电池组至少包含一个单体电池；其特征在于，同组的单体电池，热值相同；沿电堆轴向，单体电池组热值呈梯度式设计，单体电池组热值由两端向中心递减;
将电堆中单体电池的热值分为多档，每档热值均不同，每档热值对应的单体电池的数量相同；将同档单体电池平均分成两组，同档的两组单体电池组对称分布在电堆中心的两侧，且由电堆两端向电堆中心，热值递减;
单体电池组分为7档；以电堆轴向为方向组装热电池电堆，将热值最高的2组单体电池组布置在电堆两端，热值最低的2组单体电池组布置在电堆中间，以此类推，遵循热值“高-低-高”的顺序完成所有单体电池组的排布。
2.如权利要求1所述的高温环境下使用的大长径比热电池，其特征在于，复合蓄热隔层中热相变材料为无水LiCl。
3.如权利要求1所述的高温环境下使用的大长径比热电池，其特征在于，该热电池长径比为5:1，工作时间超过1800s，贮存环境温度为-50℃-+60℃下激活时间小于2s，工作环境温度达到+450℃。
4.如权利要求1所述的高温环境下使用的大长径比热电池，其特征在于，在任意相邻的两组单体电池组之间插入复合蓄热隔层。
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