热电池组模块化集成与热管理策略

引言：近年来，高性能热电池广泛服务于军用高动态、高冲击、高功率系统，在精准导向、应急启动等响应速度、可靠性要求高的热电池组系统有着广阔的应用前景。现有热电池组长时间放电大功率及恶劣苛刻的工况环境，对可靠性要求高，刚性要求高，温度梯度大，结构复杂不可重构。模块化组装能够对热电池系统重新定义，使热电池的部署维护更加简单灵活。

一、热电池组模块化集成技术研究

1、模块单元化设计对热电池系统架构的重构价值

热电池模块单元化设计方法主要围绕标准、功能电池单元，组合装配成不同的系统配置。传统的热电池集成式的设计方法不利于系统升级和维护，采用模块装配式设计，将热源模块、化学电极模块、熔盐电解质模块等分别组装至各自的标准单元里，机械互连、电性接入系统，实现系统的快速替换、个性配置和维护，并统一模块接口标准，提高制造和互换性，从系统集成层面降低复杂冗余度和装配设计工艺，提高系统热耦合平衡度和系统热耦合刚度，优化系统空间。

2、模块化架构下的功能区耦合机制优化

除了结构上的改变，模块耦合化还实现了热电池区间耦合，模块结构中，模块与模块之间需要耦合三方面：热流，电导率，结构负荷。模块间考虑了瞬时大功率启动热流分配以及电流分配，因此在模块中考虑了内嵌高热界面材料，同时还有缓冲层，避免模块应力集中而结构早期失效，同时多个模块进行并联需要考虑的是内嵌有电压平衡以及内嵌有热流平衡防止模块热流、电流的不平衡，从而提高模块热电稳定性以及响应能力，保障模块的快速启动和长期稳定的工作。

3、模块集成的冗余容错设计逻辑

可靠性的要求对热电池进行模块化集成，需具备容错逻辑，以应对复杂作战场景中的热电池模块突发故障。模块化集成具备一定的系统结构柔性，可利用激活后备单元、故障隔离等容错机制恢复系统功能，针对可能存在的部分模块熔盐渗漏、电极炸毁、热启动失败等情况，通过预制热电池模块内部的温度、电压、阻值等参数信息，及时确定故障点和故障范围，启动热电池模块自动旁路、热启动的容错逻辑，并通过预制热电池模块智能接口管理模块与总控系统进行联动，避免故障蔓延至更多的热电池模块。容错逻辑提升热电池可靠性，为极端条件下的热电池稳定工作提供保障。

二、热电池组的创新热管理策略

1、多尺度热调控架构的构建路径

热电池组在瞬间大电流、热启动过程中，会出现内部分布不同热流渠道、热场情况，若不调控将导致局部过热、热膨胀失衡甚至热失控，极大损害热场全域和电能释放效果。因此应构建微观、中观、宏观耦合热控制系统，实现全域热场统一调控及响应。微观层面，以电极界面、熔盐接触面为核心，以热导率高的氮化硼陶瓷薄片、石墨烯膜等为热导介质，引入界面热阻匹配技术，降低热局域化速度，提高热扩散能力。中观层面，以模块之间的双向热传导为核心，以金属垫片、可控热通阀、多孔热交换材料为热导介质，构建热场均温网，减小热场点集聚度，提高热扩散能力。宏观层面，电池组壳体内设计相变储能模块或相变微流控散热的储能模块，通过内置传感器感知热场状态，实现热容随需增减和热流诱导。该多尺度调控系统不仅为优化热管理系统路径提供了技术支撑，也提升了系统对动态工况下热扰动的响应能力，从整体上为热电池组的稳定工作提供了技术支撑。

2、高热通量区域的热集中消解技术

对于热电势能大的热电池进行大功率快速放电，会在瞬间形成很高的热能密度，若放热量不能及时导出，会导致热电极层、熔盐层、隔热层三者之间快速温变，进而导致热电势能的累积和界面热损，形成热失稳和系统恶化。为降低热势能的聚集性，在热源附近放置可控各向异质功能材料（碳纳米结构阵列基底或各向热材料膜层），利用各向热传导特性将热能传递至其它热源处，降低热能的局部升温速率和热电势能传输路径。其次，在热堆内部放置金属泡沫或微孔钛，将热能流经小容积但面积足够大的结构，实现热量在空间内的发散散热和各向热扩散。最后，在热势能出流端口布置微翅片结构，或布置柔性热电势能器件，主动将热量传输至外界热量冷却空间，并将自身部分热量转换为信号用于热电势能器件的驱动或维持通讯。该方法基于材料的—结构协同效应，限制瞬态尖峰和陡直热峰，增加热电池系统的热安全裕度和热疲劳寿命。

3、环境耦合型热管理模型的动态适应机制

热电池系统面向战地平台、宇航平台和高原高寒平台部署，应用环境极端复杂，环境温度突变、气流扰动、热辐射等对系统性能的影响十分明显，通过模型构建与环境的耦合，是提升系统全域适应性的关键。以环境温度、环境压力、环境流速等作为边界条件，耦合内部温度分布、工作电流、热模等参数，构建热平衡调节模型。在系统处于中低温场景下，系统启动部分小热源和部分导热通道，提升系统内热源启动能力；在系统高温或太阳辐照场景下，系统启动自动热屏蔽模块、热阀导通方向或相变热模块等热屏蔽模块，实现系统内热容量重塑。同时，模型中具备控制模块，能够根据历史任务和当前热模等参数调整响应阈值和调节策略，实现热模可预知控制。这种耦合模型能够提升热电池在极端温度条件下的性能和适用性，提高系统在不同场景下的可靠性和安全性。

4、基于热安全阈值的智能预测控制系统

热电池系统在工作状态下，尤其在高负载连续工作或经常启动时，容易出现局部热突变或热过冲现象。为主动预防，精控，对系统工作温度进行提前预估，提出一种热安全阈值智能预测控制系统。以高密度热传感器阵列为基础，通过嵌入式小尺度传感器实时记录各模块温度梯度、梯度速率、热流密度，形成热行为数据高时空网络，通过多物理（热、电、力）场耦合模型，形成热行为动态模型，对未来一段时间热行为进行实时预估。在热响应控制方面，通过建立热响应临界阈值窗口，系统内任一区域温度超过临界阈值温升斜率，便触发相关冷却模块或降温或减功率、通热通路等控制响应，避免系统进入临界热失控。通过神经、支持向量机等学习历史任务、工况内在关系，优化控制决策，实现模型的自学习、自适应。该系统提升了热管理的实时性、可预测性及个性化，是未来智能热电池系统安全控制的基础。

三、结语

热电池作为高功率短时响应的典型电源，集成化模块化成为热电池系统优化布局、提高性能的基础方向，布局化模块化的功能分解、结构优化、耦合设计，为系统的灵活性、可修性提供有力支撑，多尺度控制策略构建、高效热管理和智能热预测为高热负荷挑战、复杂变化的作战态势提供基础保障。

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