專利名稱:改進性能的熱電池組的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱電池組的改進，更具體地說，本發明涉及利用一個附加的、可單獨激活的熱源來改進熱電池組的工作效率。
技術背景熱電池組是主要的備用電池組，它們利用一種在環境溫度下為非傳導的固體電解質。熱電池組的特征在于具有很長的存放時間，在許多情況下長于10年，能被很快激活，并且隨時間的推移其性能很少降低。一旦被激活，該電池組就能供給電能，從幾秒鐘到大約1小時或更長時間。在使用之前的存放過程中，熱電池組不需要維護，使它可以永久放在設備中。
熱電池組的特性使得它可以運用于許多方面，這種運用可以擴大到寬的環境溫度范圍和惡劣的動態環境。在-54℃到71℃的溫度范圍內存儲之后，熱電池組仍能可靠地工作。熱電池組被激活，首先是靠激活熱的供給，例如，一種可燃的焰火熱源，它引起電解質的熔化，因而，激活電池組內的一個或者一個以上的電池。因為熱電池組在存儲過程中會承受一個寬的溫度范圍，所以，難以預計激活時的環境溫度，并且難以預計熔化電解質以及激活電池組中的電池所需要的熱量。這樣，電池組的熱平衡已經趨于包含一個折中方案。通常，所含的焰火熱源材料在室溫下將使熱電池組具有良好的性能，一定量的這種材料在一個儲熱的電池組中將產生過高的開始溫度，并且可以導致熱散發(runaway)。當電池組在很低的溫度下存儲時，供給相同量的焰火熱源材料卻不能提供足夠的激活熱，來獲得最佳的工作溫度。
將多種熱源用于熱電池組是眾所周知的。在一種構造中，電池堆包含主熱源，一個輔助熱源被圍繞該電池堆的絕緣裝置包圍。來自輔助源的熱降低了從電池堆內部到外部環境通過絕緣裝置的溫度梯度，因而降低了電池堆的冷卻速率，并擴大了電池組的活性壽命。輔助熱源一般是一種鋯/鋇鉻酸鹽/陶瓷纖維熱紙。
在第二構造中，一種電阻加熱元件或者加熱絲被圍繞電池堆的絕緣裝置包圍。供給這種加熱元件的電能可以應用于使一個冷儲電池組在使用之前加溫。或者，熱電池組可以被構造，以在熱電池組放電過程中用電能供給加熱元件，這樣，為加熱的目的，轉移一部分熱電池組的輸出。如前面所說，來自輔助源的熱降低了溫度梯度，因而，降低了電池堆的冷卻速率，并擴大了電池組的活性壽命。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的熱電池組，它提供的一種熱激活能量的輸入與該電池組的環境溫度存儲條件更密切相關。
本發明的另一個目的是提供一種改進的熱電池組，除了一個第一焰火熱源提供熱能給該電池組之外，還具有一個第二獨立的可激活焰火熱源。
本發明又一個目的是提供一種改進的熱電池組，具有一個溫度傳感器和熱源激活裝置，它將響應由傳感器收集的數據，按環境存儲溫度條件的要求，只激活第一焰火熱源，或者激活第一焰火熱源和第二焰火熱源。
本發明假定，在電池芯部或者鄰近電池芯部測得的電池組的環境存儲溫度能改進對熱電池組激活的控制。這種控制被實現，是由于除了第一焰火熱源提供充足的能量之外，還利用第二可單獨激活的焰火熱源來熔化電解質，從而激活電池組的各個電池。至少，該第二焰火熱源通過一個傳感器和激活裝置來控制。該傳感器將評估芯部或者接近芯部的電池組的環境溫度，并且也可以選擇評估電池組箱的外部的電池組的環境溫度，并確定除了第一熱源之外第二熱源是否必須被激活，以便使電池組箱內的電池堆達到最佳工作溫度。第二焰火熱源可以具有一種不同的組合物，該組合物的激活溫度高于第一熱源，這樣，它就不會被由第一焰火熱源或者其激活裝置產生的熱激活。或者，假如在第一和第二焰火熱源之間提供充分的熱絕緣，當只是一個被激活時，能防止兩個都被激活，那么，各個熱源可以用同樣的可燃材料生產。在一種熱源位于電池組箱內，另一種熱源位于箱外的場合，采用后面這種焰火源的組合是有利的。最好是，第一和第二焰火熱源都位于電池組箱內并緊密接近電解質，以更有效地傳遞熱。
一種電池組，具有獨立的可燃第一和第二焰火熱源，其中，至少第二熱源由一個傳感器和激活裝置控制，這種電池組能夠在激活時至少部分地補償電池組的環境溫度，降低在過高環境溫度時熱散發和在低環境溫度時無效工作的風險。
一種具有獨立可燃熱源的電池組的另一個優點是可選擇地激活具有一個焰火熱源的電解質，在電解質冷卻之前允許各個電池部分放電，然后，在隨后的一個時間，用第二熱源再激活電解質。這種應用——特殊的布置能允許在必需時再激活。
附圖簡述各種其它的目的和優點將從本發明的下面描述和附圖中表現出來。附圖中
圖1是一個電池組的平面剖視圖，它采用一種可燃熱源構造，其箱內裝有多個電池。
圖2是一個電池組的平面剖視圖，它采用另一種可燃熱源構造，其箱內裝有多個電池。
圖2a是如圖2所示的裝有多個電池電池組的平面剖視圖，它為熱紙熔線墊采用另一種支持結構。
圖3是方框圖，表示溫度傳感器元件和激活裝置。
發明詳述從大的方面說，本發明是關于一種熱電池組，包括至少一個含有陰極、陽極和熱可激活的電解質的電池，第一焰火熱源，和可單獨激活的第二焰火熱源。最好是，至少一個電池和第一及第二焰火熱源被封裝在電池組箱內。在電池組箱內的熱源的封裝改善從第一和第二焰火熱源到熱可激活電解質的熱傳遞效率。在熱電池組包括多個陰極、陽極和熱可激活電解質組成的電池的情況下，第一和第二焰火熱源的數量可以分別不同于電池的數量。
第二焰火熱源的類型和敏感性可以與第一焰火熱源的類型和敏感性相同，也可以不同。在第一種情況下，熱電池組必須包括充足的絕緣裝置，使第一和第二焰火熱源之間熱絕緣，這樣，第一焰火熱源用的爆筒或者類似的激活裝置不會同時激活第二焰火熱源。一種能夠創造必要的絕熱環境的方法是一種焰火熱源放置在電池組箱的外部，而另一種放置在它的內部。
最好是，第二種焰火熱源與第一種具有不同的類型和敏感性。為那種特殊熱源材料設計的爆筒對第一焰火熱源的激活不足以激活第二焰火熱源。第二焰火熱源具有一種獨立的爆筒或者類似裝置，它提供必需的能量，以激活獨立于第一焰火熱源的第二焰火熱源。正如所能推測到的那樣，在兩種熱源沒有相互隔絕的情況下，在較高的溫度下激活第二焰火熱源將同時激活以較低的激活溫度工作的第一焰火熱源。
第一焰火熱源可以由一種鐵粉和高氯酸鉀的混合物壓成片或者丸而制成，通常稱作熱丸。熱丸通過冷壓細鐵粉和高氯酸鉀的干混合物來制造。鐵粉顆粒大小一般地是在1-10微米范圍內。鐵的含量超過化學計量，以保證激活之后的導電率，含量范圍為80％-88％(重量)。熱丸的熱含量通常的范圍從88％鐵丸的920焦/克到80％鐵丸的1590焦/克。在第二焰火熱源具有一個較高的激活溫度的場合，熱源可以用更難以點燃的混合物來制備，例如，用鈦加硼或者鈦加碳化硼來制備，后一種方法描述在美國專利4,432,818中，在此可結合起來作參考。
本發明的熱電池組能夠用于現有技術的熱電池組的任何使用環境。現有技術的熱電池組響應一個控制信號，例如，來自一個遠處的無線信號源的信號，響應一個監控如地震之類的環境條件的傳感器，或者響應一個用于軍事的點火信號，而被激活。本發明的熱電池組進一步包括一個控制裝置，它監控電池組芯部的溫度條件和有選擇地監控存儲熱電池組附近的環境溫度條件。當電池組芯部的溫度在第一溫度范圍內時，一般在熱電池組工作溫度范圍(大約-54℃-71℃)的較高端，控制裝置只允許第一焰火熱源激活。當電池組芯部的溫度在較低的第二范圍內時，控制裝置有選擇地激活第一和第二焰火熱源。熱的散發在第二溫度范圍內在電池組芯部不會有明顯的影響，并且第一和第二焰火熱源的激活有利于電解質以一種方式熔化，這種方式使熱電池組更有效地工作。
在圖1中，熱電池組2包括一個電池組箱4，其中封裝分別點燃的第一和第二焰火熱源，它們作為在電池組2內的元件。電池組箱能以多種形狀形成，但通常是一個圓柱。在熱電池組2中示出了與電解質復合材料10相鄰的陰極8，電解質復合材料10又與陽極12相鄰。當電池組箱4是一個圓柱時，這些元件通常是具有一個中心孔的圓盤。
第一焰火熱源14和第二焰火熱源16被布置成鄰近由陰極8，電解質復合材料10和陽極12組成的電池，由金屬電極20將它們相互分開，并與另一個堆元件分開。在圖1中的重復單元“A”包括陰極8、電解質復合材料10、陽極12、第一焰火熱源14和第二焰火熱源16，具有所需的分隔(interspersed)金屬電極20。金屬電極通常用冷軋鐵，不銹鋼，最好是，300系列，或者鉬板來制備。金屬電極20被定位在電池堆中，位于熱源和陽極之間，也可以選擇位于熱源和陰極之間。陽極一般對熱敏感，金屬電極20用來隔離陽極。還有，金屬電極20緩和由熱源產生的熱。金屬電極放置在熱源和陰極之間是有選擇的，由使用電池組的場合來確定。
熱電池組2進一步包括側壁絕緣裝置24，它由外觀和熱絕緣性能與石棉相似的纖維陶瓷材料制成，成型為一種無紡物。代表性的材料包括Al2O3/SiO2混合物，例如，Carborundum公司制造的FIBERAX產品和Lydall公司制造的LYTHERM產品。熱電池組還包括一個下端組件26、連接到激活銷30上的主爆筒28、輔助爆筒32、上端組件34、絕緣裝置36、與陰極8和正極銷40電接觸的陰極集流器38、以及與陽極2和負極銷44電接觸的陽極集流器42。
陰極8可以由多種材料制作，例如，鉻酸鈣(CaCrO4)，重鉻酸鉀(K2Cr2O4)，鉻酸鉀(KCr2O2)，鉻酸鉛(PbCrO4)，金屬氧化物，例如，五氧化二釩(V2O5)和三氧化鎢(WO3)，和硫化物，例如，硫化銅(CuS)，二硫化鐵(FeS2)，和二硫化鈷(CoS2)。一種優選的材料是混合有少量電解質鹽混合物的二硫化鐵粉末，并且，還可以加入粘合劑材料，例如，氧化錳。二硫化鐵和二硫化鈷因化學相容性而優先用于含鋰的陽極。
陽極可以由鈣金屬或者錳金屬制作，但是，鋰金屬和鋰-鋁或者鋰-硅合金是優選的。鋰-鋁和鋰-硅合金被加工成粉末，并冷壓成片或者丸。在電池中，陽極材料用一個電極來支持，它可以是鐵，不銹鋼，或者類似物。鋰合金陽極材料在活性電池中如固體一樣起作用，這樣，工作溫度必須是低于合金的熔點。在鋰金屬用作陽極材料的場合，它的181℃的低熔點要求使用一種表面積高的金屬粉末(例如鐵或者鎳)或者金屬泡沫，它靠表面張力使熔化的鋰保持固定。
電解質復合材料10可以由多種鹽的組合物制成。一種組合物是45％(重量)氯化鋰(LiCl)和55％(重量)氯化鉀(KCl)的低共熔混合物(eutectic mixture)，其熔點為352℃，它與一種表面積很高的粘合劑材料，例如，氧化錳(MgO)或者氧化鋁(Al2O3)相混合，以保持足夠的粘度，限制鹽混合物熔化之后的流動。其它的鹽組合物包括溴化鋰-溴化鉀-氟化鋰(熔點313℃)，氯化鋰-溴化鋰-溴化鉀(熔點321℃)，和氯化鋰-溴化鋰-氟化鋰(熔點430℃)。
側壁絕緣裝置24通常由陶瓷纖維制成，布置在一個撓性或者剛性的襯墊(mat)中。上端組件34和下端組件26也是由陶瓷纖維制作。這兩種組件通常比側壁絕緣裝置24表現出更大的剛性，以支持電池堆。上端組件34和下端組件26可以結合鐵粉-高氯酸鉀熱丸，這些熱丸激活電池堆的端部并且供熱給電池堆的端部，以保持沿電池堆為一個均勻的溫度。
激活第一焰火熱源14的主爆筒28是一種電爆炸裝置，它具有一種優選的鋯和鐵的氧化物的輸出混合物。輔助爆筒32通常也是一種電爆炸裝置，它也具有一種優選的鋯和鐵的氧化物的輸出混合物。這種混合物能用來點燃鈦-硼丸。
在圖2所示的另一種熱電池組構造中，電池組的元件實質上是相同的，但是，具有下列改進。第一焰火熱源14位于電池堆的相對端，以及分布于整個電池堆。圖2(和下面的圖2a)中的重復單元“B”包括第一焰火熱源14、陰極8、電解質復合材料10和陽極12，具有所需的分隔金屬電極20。第一焰火熱源14由熱紙熔絲串(heatpaper fuse train)46點燃，通常用焰火級(pyrotechnic grade)鋯粉和鉻酸鋇的混合物制作，支持在一個用無機纖維，例如，陶瓷和玻璃纖維，隔開的有機纖維墊中。通過實際的任何第一點火，可以將熱紙熔絲串46依次容易地點燃，包括來自一個低功率電導火索48，它由經激活銷30的電流而點燃。熱紙熔絲串46一般包括多個條，掛在電池堆周圍的多個位置上。該多個條依次與一個熱紙熔絲墊49熱接觸，該墊由相同的材料制作，并定位在上端組件之上電池堆的頂部。在圖2中，熱紙熔絲墊49擱在一個上端組件34a的頂部上，牢固地橫跨在上端組件的面上，以隔開來自電導火索48的第二焰火熱源。在另一個實施例中，如圖2a所示，一個金屬阻擋盤54定位在含有一個中心孔的上端組件34之上。熱紙熔絲墊49擱在金屬阻擋盤54上，與熱紙熔絲串46熱接觸。點燃電導火索48引起熱紙熔絲墊49的點火，因而熱紙熔絲串46也點火。
第二焰火熱源50為圓柱形，附著到一個輔助爆筒52上。在圖2中由第二焰火熱源50供給的熱由電解質復合材料10接收，開始在電解質復合材料的內半徑，然后徑向朝外傳遞到電池組箱4。這種構造由于能夠在電池堆內省去作為分離層的第二焰火熱源，因而可以節省空間，但是，采用中央焰火熱源50將熱傳遞到電解質復合材料10的效率是很低的。
圖3以框圖形式表示與激活第一和第二焰火熱源，或者單獨激活第二焰火熱源結合使用的一種控制裝置60。控制裝置60包括一個熱電偶62，它依次連接到一個溫度調整電路64，之后連接到硅控電阻器(SCR)鎖存器66，再連接到繼電器或者開關68，以控制爆筒的點火。可以看出，熱電偶62在功能上可以由一個熱敏電阻來取代。熱電偶62最好接近電池組的芯部。也可以是，至少一個附加的熱電偶位于電池組2的附近，以測量存儲環境溫度。也可以根據溫度，用其它方式來控制爆筒點火。
熱電池組2由一個輸入信號來激活，在一個實施例中，它提供一個輸入給控制電路60。根據接收的這個信號，控制電路60評估所存儲的熱電池組2的環境溫度，并將這一溫度與一個預定最小溫度比較。這個最小溫度基于多個參數中的一個或者多個來設定，這些參數包括第一焰火熱源的熱輸出、熱電池組的大小、熱電池組的應用、以及其它參數。控制電路60確定只是第一焰火熱源將被激活，還是第一和第二熱源將被激活。根據環境溫度是否在預定的最低溫度之下來確定。繼電器或者開關68的構成方式要保證能單獨激活第一焰火熱源14，或者能激活第一和第二焰火熱源14和16。或者，輸入信號直接地激活第一焰火熱源，還用控制裝置60來接收信號，并控制只對第二焰火熱源16的激活。
這樣，本發明的熱電池組能用在現有這類電池組的使用場合，但是，其工作與存儲熱電池組的環境溫度條件更加協調。因此，激活的熱電池組在存儲于熱處時將對熱的散發不太敏感，在低溫時工作更可靠。可以看出，第一焰火熱源和第二焰火熱源材料的數量可以調整，以對預期的存儲條件溫度范圍、電池組的大小、和在電池組內各個電池的大小和數量進行補償。
這樣，很明顯，根據本發明，已經提供了一種改進的熱電池組，完全滿足上面設定的目的、目標和優點。雖然已經結合具體實施例對本發明進行了描述，但對于本領域的普通技術人員來說，很明顯，根據上面的描述，許多替換、改進和改變是顯而易見的。因此，這些細節可以作出改變，而不會背離本發明的總體精神或者范圍。
權利要求
1.一種熱電池組，包括至少一個電池，該電池包括一個陰極、陽極、和可熱激活的電解質；第一焰火熱源；第二可單獨激活的焰火熱源；以及一個控制裝置，用于判斷電池溫度是否低于第一閥值，如該溫度高于該第一閥值則激活該第一焰火熱源，如該溫度低于該第一閥值則一并激活該第一和第二焰火熱源。
2.根據權利要求
1所述的熱電池組，進一步包括一個電池組箱，用于封裝所述的至少一個電池、所述的第一焰火熱源、和所述的第二焰火熱源。
3.根據權利要求
1所述的熱電池組，進一步包括一個電池組箱，用于封裝所述的至少一個電池、以及所述的第一焰火熱源和所述的第二焰火熱源之一。
4.根據權利要求
1所述的熱電池組，其中，所述的第二焰火熱源的類型和敏感性與所述的第一焰火熱源是相同的。
5.根據權利要求
1所述的熱電池組，還包括在所述第一和第二焰火熱源之間的絕緣裝置。
6.根據權利要求
1所述的熱電池組，其中，所述的第二焰火熱源的類型和敏感性與所述的第一焰火熱源是不同的。
7.根據權利要求
1所述的熱電池組，其中，所述的第一焰火熱源是一種鐵粉和高氯酸鉀的混合物。
8.根據權利要求
1所述的熱電池組，其中，所述的第二焰火熱源是一種鈦和硼的混合物。
9.根據權利要求
1至8中任一個所述的熱電池組，其中可以操作所述控制裝置，以監控熱電池組存儲溫度，并且當所述的存儲溫度在第一范圍內時，激活所述的第一焰火熱源，以及當所述的存儲溫度在第二范圍內時，激活所述的第一和第二焰火熱源。
10.一種供熱給一個熱電池組以激活在熱電池組中的電解質的方法，包括響應一個引起所述的熱電池組工作的信號，激活一個與所述的熱電池組熱接觸的第一焰火熱源；測量所述的熱電池組的存儲環境溫度；將所述的溫度與一個預定最小溫度進行比較；以及當所述的溫度小于所述的預定最小溫度時，激活與所述熱電池組熱接觸的第二焰火熱源。
11.根據權利要求
10所述的方法，其中，所述的溫度在所述的熱電池組的芯部被測量。
12.根據權利要求
10所述的方法，其中，所述溫度在鄰近所述的熱電池組的芯部被測量。
專利摘要
一種改進的熱電池組，具有改進的工作效率。該熱電池組使用了第一可激活熱源和第二可單獨激活的熱源。第二熱源在存儲環境條件下，例如，在低溫下，有選擇地被激活，因而，使電池組的工作效率得到改善。
文檔編號H01M6/20GKCN1213498SQ01115966
公開日2005年8月3日 申請日期2001年6月5日
發明者理查德·D·斯潘塞 申請人:伊格爾－皮徹技術有限責任公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan