热电池新型隔热结构设计及表面温度研究祝雨

热电池新型隔热结构设计及表面温度研究祝雨

祝雨

（贵州梅岭电源有限公司563000）

摘要：热电池作为一种储能电池随着社会的发展而被广泛的应用于各个领域中，但是在其应用尤其是军事领域的应用方面，由于热电池的表面温度而使其受到了一定的限制。对此，本文就热电池新型隔热结构设计以及表面温度进行了简单的研究，旨在为今后新型武器的研发提供技术支持。

关键词：热电池；隔热结构；表面温度

一、热电池简述及其结构设计

（一）热电池简述

热电池也叫热激活电池，这是一种能够长期储贮的一次性电池，其电解质是两种或两种以上的熔融盐。在温室下，由于电解质没有熔化，所以不能进行离子传导，这样一来，电池就会利用热源将电解质熔融激活，从而有效的发挥储备电池的作用及其性能。此外，当电热池点火装置将周围的加热物质激活时，其温度会迅速的上升，从而使电解质熔化并进行离子导电，于此同时，热电池的正负极活性物质也会进行电化反应并输出电流。

热电池区别于普通电池的一个最主要的特征就是其能够在高温下工作，且一般情况下内部温度都会大于550摄氏度，而当热电池经过热传导后，其温度将会上升到250—3500摄氏度。此外，热电池还具有较高的可靠性和稳定性，所以，在温室中进电解质是不能进行离子传导的，所以，热电池主要为弹上系统提供电能。但是，在使用的过程中，若热电池表面的温度超出弹上系统所能够承受的温度范围是，就会极大的降低其使用效果。对此，我们可以看出热电池表面的温度对其使用会造成严重的影响，一旦温度超过承受的范围，就会影响弹上元器件使用的安全性和可靠性，从而使热电池的应用受到限制。

（二）热电池的结构设计

电热池结构的主要组成部分有烟火系统、烟柱、电池堆、结构件等，在这些主要的组成部分中，电池堆的平均温度为550摄氏度，其热量主要是经过包裹层传导到电池外壳，其温度大致为250—350摄氏度。而在高比能量长时间热电池中，由于电池的工作时间较长，导致电池表面的温度不断升高，为了解决温度升高而对热电池的应用所造成的限制，我们设计出了一种金属箔包裹中空骨架式结构，其主要的结构设计如图1所示：

图一铜箔散热中空骨架式隔热结构示意图

在图一中，1为单元电池；2为气凝胶；3为铝箔；4为气凝胶骨架；5为铜箔。这一结构模型大致可以分为三层，第一层为气凝胶层，其主要的作用是保温；第二层为中空骨架式层，其主要是创造对流散热的通道；第三层则为金属箔片层，主要所起到的作用为通过快速热交换而降低表面的温度。

这一结构设计不仅能够通过利用空气来降低导热的系数，还能够创造气体的对流条件，并利用导热系数较高的金属箔片来实现大气环境间的快速热交换，从而达到降低表面温度的目的，拓宽热电池的应用范围。

二、热电池表面所受到的温度影响分析

（一）热电池表面会受到保温材质的影响

保温层材料的材质对热电池表面温度的影响较大，但是许多热电池结构的设计人员在设计的过程中，很少考虑到不同材质的保温材料其自身的保温性和隔热性是不同的，而要想真正的降低热电池表面的温度，就应该在热电池结构的设计中，在热电池表面包裹一层隔热效果较好的材料，这样就能够在一定程度上降低热电池内部的高温热源与热电池表面之间的热传导，从而降低其表面温度。此外，还应该在热电池保温层的外部继续添加层压板外壳，因为在添加隔热层压板后，热电池表面的温度上升速度就会减慢，这样一来就可以有效的降低热电池表面的温度。

总之，在对热电池进行隔热设计时，要想真正的起到降低热电池表面温度的作用，就应该考虑到保温层材料的材质对热电池表面温度所造成的影响，从而选择隔热效果比较好的保温层材料，降低热电池表面的温度。

（二）热电池表面会受到散热层的影响

热电池的表面温度还会受到散热层的影响，所以在进行热电池结构设计的过程中，设计人员还应该充分的考虑到散热层对热电池表面温度所造成的影响，并采取积极的措施来降低热电池表面的温度。而在降低热电池表面温度时，由于气凝胶和层压板降低温度的方式为隔热操作，其只能在一定程度上通过减少热电池内部热量的传导速率来降低热电池表面的温度，一旦当其热量积聚到一定程度时，热电池表面的温度也会随之上升，所以这一方式不能取得较好的降温效果。

针对这一现象，设计人员在对保温层进行设计以后，还应该对其内部的热量进行合理的疏导。而在疏导材料中，由于金属箔片能够有效的提高热电池表面的散热速度，所以要想使热量得到快速的疏导，应该用金属箔片对其散热层进行包裹，这样一来，就能够实现电池表面与大气间进行快速的热交换，从而有效的降低热电池表面的温度。

（三）热电池表面会受到金属箔片包裹中空骨架式结构的影响

除了保温材料的材质以及散热层对热电池表面温度造成影响以外，金属箔片包裹中空骨架式架构也会对热电池表面的温度产生影响。因为在进行金属箔片包裹中空骨架式结构的设计时，这一结构的气凝胶隔热材料会在热电池的使用过程中降低热传导的速率，中空骨架式结构则会在这时形成相应的内部气流通道，这样一来，热电池所散发出来的热量就会从两端空腔中散发出来，这时，金属箔片就会在热平衡的作用下实现与大气之间的快速热交换，从而降低热电池表面的温度。

从实验中我们不难发现，使用常规的气凝胶外包裹热电池时，在电池激活后的700s时间内，表面温度就会急剧上升，当温度达到125摄氏度时，其就达到了峰值温度。此后，电池表面的温度则会呈缓慢的趋势有所下降，直到电池工作结束。但是采用金属箔片包裹中空骨架结构热电池，当激活热电池以后，表面的温度会呈现缓慢上升的趋势，大约在2000s的时间内会达到最高温度，当其达到最高温度以后，电池表面温度则会保持不变，其温度不超过80摄氏度。所以，从实验中我们可以看出，这种金属箔片包裹中空骨架式结构要比常规的包裹结构的表面温度低三分之一甚至更多，其能够非常显著的降低热电池的表面温度，从而满足高比功率长时间热电池对表面温度的要求。

总结：为了有效的避免因热电池表面温度过高而对其应用造成的影响，我们在对热电池新型隔热结构进行设计的同时，分析了表面温度的影响因素。相信通过不断的技术研究和创新，一定能够在后期的应用过程中提高热电池的使用效率。

参考文献：

[1]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（37）

[2]闵德平.电池组结构设计及其热管理液流传热强化研究[D]，硕士论文，吉林大学，2016年