热电电池 SP-100 测试

理查德·埃威尔* 和 安德鲁·佐尔坦† 喷气推进实验室，加州理工学院，帕萨迪纳，加利福尼亚州 91109

五块原型 SP-100 热电模块在真空和原型温度下进行了测试 ，其热性能和电性能通过 200、300、400 和 ${''500''}^{\mathrm{}}''C''$ 跨模块的温度梯度进行了表征 ，后者代表了原型工作条件下的热端温度和 ${''1050''}^{\mathrm{}}''C''$ 冷端温度 。所有五块模块的初始热性能和电性能与预测值高度吻合 。表征测试后，这些模块在原型温度下进行了寿命测试 ，以确定任何显著的性能退化模式 。在整个测试过程中，模块的热性能与预测值几乎一致 。对最初三块模块的测试也证实了之前的怀疑 ，即热端硅锗-电极界面在没有显著保护涂层的情况下会发生退化 。 由于该涂层存在资源限制和早期发展问题，在首批三个电池组制造时，必要的保护层尚未完全开发。在这些测试之后，采用该技术制造了新的电池组，其中两个目前正在进行测试。这两个电池组在性能方面未显示出任何显著的退化，超出预期。这些测试连同加速实验中的样品实验，现已验证了型号批准电池组技术。

引言

1983 年 3 月，美国启动了 SP-100 计划，旨在研发一种能够提供数十至数百千瓦电能的空间反应堆发电系统。 在计划的前三年中，系统研究和关键可行性问题得到解决，以确定能够完成军事和民用任务的最低质量、10 年寿命和最低成本的空间反应堆发电系统。 最终选择了快速谱氮化铀、锂冷却反应堆，并与热电转换电池和热管散热器面板耦合，将废热排入太空。 自那时起，在这一空间反应堆发电系统的发展方面取得了相当大的进展。2-5

SP-100 功率转换子系统接受来自主热传输系统中的流动锂的热量，通过热电装置将热量转换为电能，并通过锂冷却的次级热传输系统（该系统是热排放子系统的一部分）排放退化热量。主热传输系统在运行 10 年后，将提供高达 $''1375''''K''$ 温度的热量，并通过热侧热交换器的温度降约为 $''80''''K''$ 。次级热传输系统接受约 $''850''''K''$ 的热量，并将冷却剂返回至约 $''765''''K''$ 。考虑到热交换器内的温度降，这导致热电电池的最大温度差为 $''500''''K''$ 。

功率转换子系统由多个功率转换组件组成，这些组件本身又由若干个热电转换组件构成。功率转换组件是一种板式和框架式设备，其中板由热电组件（即热电转换组件）阵列组成，而框架则由含锂的歧管构成。热电转换组件为 SP- 100 提供电力。它由导电耦合的多联热电组件构成，与以往的高温热电技术相比，具有非常高的功率密度。多联组件通过冶金结合方式与换热器连接，以实现高功率密度。这种结合在组件中引入了显著的机械应力。

测试目标和目的

测试程序使原型 SP-100 热电电池在热真空环境中经受了 ${''500''}^{\mathrm{}}''C''$ 温度梯度。测试目标如下：

验证电池的初始电性能和热性能是否符合预期，并理解测试数据与预期性能之间的任何差异。

验证电池随时间退化是否符合预期，如果有任何差异，确定可能的原因，并决定应追求哪些额外的技术发展。

测试样品描述

被测试的热电电池是型式认可（TA）电池，代表原型电池。TA 电池被制造并钎焊到热端和冷端热收集器上，然后交付给喷气推进实验室（JPL）进行测试。TA 电池的配置如图 1.7 所示。该电池在热端和冷端都钎焊到铌热收集器上，以形成与 JPL 测试夹具的界面。电池 9 是第一个使用多孔铌冷端电极和互连的电池；之前的电池使用的是多孔钨。电池 30 和 31 与电池 9 几乎相同。电池 139 和 148 是在第一代 TA 电池测试完成后制造的，并在模块周边和模块凹槽中涂有一层低电压绝缘材料，以防止热端硅锗电极界面处的材料损失。

TA 单元由以下六个组件构成：1)高压绝缘体，2)柔性垫，3)低压绝缘体，4) 电极，5)硅锗（SiGe）多级堆叠，以及 6)热收集器。高压绝缘体需要在将单元接入 SP-100 系统时，将串联连接的单元与地隔离。热电单元中的机械应力由制造过程产生，包括单元内材料热膨胀系数不匹配、热梯度运行、SiGe 合金非零膨胀系数以及热交换器之间的热梯度运行导致的热变形。柔性垫在隔离这些应力源的同时，提供了良好的热传导。

非零系数的 SiGe 合金以及热梯度运行，包括热交换器之间的热变形。柔性垫在隔离这些应力源的同时，提供了良好的热传导。

低压绝缘子需要将电极与可顺应垫电隔离，防止短路。电极使电池内 SiGe 腿之间形成串联连接，并提供了一种在冷侧将电池电气互连的方式。多耦合堆叠由交替的 $''n''$ -型 $''p''$ -型 SiGe 合金腿组成，这些腿通过绝缘玻璃粘合在一起。 其中有八根 $''n''$ -型腿和八根 $''p''$ -型腿。

热侧热收集器采用铌材料制成，以确保不会发生电池材料的污染，并尽量减少由热膨胀不匹配对电池产生的机械应力。热收集器是一个简单的方形板，通过 TA 电池制造中使用的相同钎焊材料连接到 TA 电池的热端。热收集器的另一侧与热侧加热器的铌基座简单地形成金属-金属低压接触。热收集器的目的是尽量减少 TA 电池和热块之间的温差。大面积确保即使热传递仅通过辐射完成，温度降仍然小于 ${''150''}^{\mathrm{}}''C''$ 。实际测量的温差约为其一半，表明发生了显著的导热。 这种低温差是必要的，以将加热器温度降至最低，从而确保加热器具有较长的使用寿命。热收集器足够厚，可以布置热电偶进行良好测量，以促进电池热性能的评估。

冷侧热收集器也由铌制成，以最小化电池应力并确保化学相容性。TA 电池与冷侧热收集器的连接方式与热侧类似。冷侧热收集器还支撑着电池两侧的电源线。多孔铌互联件被螺栓固定在固体铌棒上，这些棒被螺栓固定在氮化硼块上，而氮化硼块则被螺栓固定在铌热收集器上。冷热收集器与电池相反的一侧与冷侧加热器相匹配。

测试设备描述设备

测试装置，包括 TA 单元，安装在热真空室中一个水冷铜基板上。该测试装置由热侧加热器、冷侧加热器、装置支架和热绝缘层组成。

热侧加热块由铌棒制成。该加热块包含四个 150 W 的加热器。每个加热器由一个钼外壳组成，其中浸入了一个钼加热元件。加热元件通过高纯度氧化铝粉末与外壳体进行绝缘。加热块两侧用 16 层波纹钼箔热绝缘材料包裹。使用氧化锆块对加热块顶部进行绝缘。纤维绝热材料 Fiberfrax 放置在加热器上方，以填充加热器与氧化锆绝缘体之间的空隙。

冷端加热器由铌棒制成。冷端加热器的最终形状类似于卷轴。钽线缠绕在加热块的内部以形成加热元件。从高纯度氧化铝管上切割下来的氧化铝珠对加热线进行了电气绝缘。

冷侧加热器与铌冷侧热收集器相接。在加热器块和冷侧热收集器之间放置了一层金箔，以增强两个物体之间的热传递。加热器的下侧放置在冷却铜基板上。在热侧，从热加热器到包括热结点在内，使用了 16 个 C 型热电偶。在冷侧，使用了 16 个 E 型（镍铬-康铜）热电偶。这些热电偶从冷结点一直用到冷侧加热器。在测试最后两个电池时，为了确保模块周围保护层的完整性，在热结点和冷结点附近没有使用热电偶。最后，在所有电池上安装了六个电压抽头。

测试和控制架由以下组件组成：报警面板、数字电压表功能面板、温度功能面板、负载和控制面板，以及热侧和冷侧加热面板。报警面板用于监控和控制系统故障模式。当检测到冷却水丢失、真空丢失（压力超过 $''8''''\times ''{''10''}^{\mathrm{}}$ 托）或重大电力中断时，系统会中断电池操作并关闭热侧和冷侧加热器，以保护热电电池免受损坏。此外，还监控了热侧和冷侧热收集器的温度，如果任一侧超过设定限值（热侧为 ${''1300''}^{\mathrm{}}''C''$ ，冷侧为 ${''800''}^{\mathrm{}}''C''$ ），电池操作将通过关闭热侧和冷侧加热器来中断。

负载和负载控制面板使电池的输出功率从短路模式调整到 $''(''{''I''}_{\mathrm{}}'')''$ 开路模式 $''(''{''E''}_{\mathrm{}}'')''$ 。安装了开路触发电路以暂时断开电路，以便测量开路电压。负载控制器允许进行参数测试和确定电池最大功率输出。负载由与电池串联的电源和并联电阻控制。并联电阻用于监测电池电流。

真空室由一个水冷不锈钢钟罩、低温高真空泵和控制器组成。控制器连接到报警面板，以确保电池的安全运行。整个测试过程中维持了优于 $''5''''\times ''{''10''}^{\mathrm{}}$ 托的真空度。

测试程序

收到 TA 电池后，进行了目视检查，并记录了电池外壳上任何可见裂纹的位置。

对每个电池拍摄了彩色照片以记录其状态。 测量了电池的室温电阻，并制作了电池的电压分布图。 将所有必需的热电偶和电压探针连接到电池上，将电池放入测试夹具中，并将测试夹具放入真空腔室中。

真空腔体被密封并抽真空，直至获得低于 torr $''5''''\times ''{''10''}^{\mathrm{}}$ 的真空度。对热端和冷端加热器施加电源，使电芯等温加热至均匀温度 ${''550''}^{\mathrm{}}''C''$ 。此时测量了电芯的电阻。随后增加热端加热器的功率，同时降低冷端加热器的功率，直至获得稳定的运行条件，此时电芯的温度差达到 ${''200''}^{\mathrm{}}''C''$ 。冷端电芯温度为 ${''550''}^{\mathrm{}}''C''$ ，热端电芯温度为 ${''750''}^{\mathrm{}}''C''$ 。当电芯在该运行条件下稳定后，对至少五种不同的负载电阻进行稳态数据采集 。随后重复此步骤，分别对 300、400 和 ${''500''}^{\mathrm{}}''C''$ 的温度差进行测试。 温度差通过增加热侧加热器的功率并减少冷侧加热器的功率来提高，以保持冷侧电池温度为 ${''550''}^{\mathrm{}}''C''$ 。在完成电池特性测试后，将电池置于延长测试中，采用原型 ${''500''}^{\mathrm{}}''C''$ 电池温度差。

电池性能特性测试数据

尽管在 JPL 测试了五个电池，但电池性能特性测试数据和分析将仅针对第一个测试的电池 TA 电池 9 进行展示。这些测试数据代表了其他四个电池的情况。

在完成测试设施初始验证后，对电池进行的首次测试是一系列关于电池电气和热特性的参数研究。该电池在至少五个不同的负载点以及四个不同的标称温度差下进行了测试。这一系列首次测试的目的是确定电池的初始性能，并找出电池性能与预测值的比较情况。

在电池的初始表征过程中，将预测的温度分布与实际的热电偶测量值进行了比较。图 2 显示了 TA 电池 9 的一个数据点的比较结果。该图表明，热电偶测量值与预测温度分布之间存在极好的匹配（误差在 $''4''''\%''$ 范围内）。预测分布是基于一个负载电阻的输入，该电阻与测量的电流完美匹配。选择了与电池测量的温度紧密匹配的热端和冷端夹具温度，这些温度使得预测的开路电压与测量的开路电压完全匹配。预测的温度分布与热电偶测量值在热电偶的精度范围内相匹配。 唯一的例外在于 SiGe 腿本身，这是因为该图表明在热端和冷端结温度之间存在线性温度梯度，而这并不现实。因此，由于热端采用珀尔帖制冷和冷端采用珀尔帖加热，实际曲线将呈现非线性。实际温度在热端热电偶位置附近应低于预测线，而在冷端附近应高于预测线。在两种情况下，热电偶读数均遵循这一趋势。

在电池的初始表征过程中，将电池的预测电性能与电池实际测量的电流和电压输出进行了比较。图 3 展示了数据点与预测的电流-电压（I-V）电池特性的比较。然而，根据 I-V 曲线的斜率所示，实际电池的内阻略高于预测值。这显然是 SiGe 与电极石墨之间高于预测值的电气接触电阻的结果。图 4 展示了数据点与预测的电池功率输出随电流变化的比较。 再次存在合理的匹配，然而，测量的峰值功率略低于 $''(''''2.4''''\%'''')''$ 预测值，并且在高电流下的功率低于预测值。 同样，这是由于高于预测值的电池内部电阻的结果。

延长寿命测试

在原型条件下完成电池性能表征后，每个电池都在这些相同的原型条件下进行固定负载的延长寿命测试。 延长寿命测试是为了了解电池随时间的退化情况，并比较这种退化与预测值。

电池 9 在开始延长寿命测试前，由于电池表征测试，累计了 $''488''''\hspace{0.25em}''''h''$ 的总测试时间，此时热侧温度高于 ${''700''}^{\mathrm{}}''C''$ 。它继续测试了额外的 1800 小时，在此期间电池被移出测试并进行了破坏性检查。。

预测电池性能与实际电池性能随时间变化的主要偏差是由于电池内阻的快速增加所致。 这如图所示。

5，显示了在温度下测量的电池内阻随时间的变化，与掺杂物沉淀导致的预测增加值进行对比。曲线表明，在测试时间内，内阻增加了近 3 倍。这与其他时间段的预期增加值（仅增加 1 倍）形成对比。电池内阻的增加是由于热端 SiGe 与石墨界面恶化所致。该界面恶化如此严重，以至于在最外层-腿与热端石墨之间存在实际分离，这在测试后的检查中得到了证实。

图 6 显示了温度校正后的电池峰值功率输出随时间的变化关系。 进行了两项校正：一是将电池功率调整为峰值功率电压下的功率，二是对偏离标称工作点的温度偏差进行校正。 ${''500''}^{\mathrm{}}''C''$ 峰值功率的调整是通过将峰值功率设定为以下值来实现的： 功率 $''=''''/''''(''{''4''}^{\mathrm{}}{''R''}_{\mathrm{}}'')''$ 。如果电池工作在接近峰值功率电流附近，这种调整是合理的，因为从峰值功率点变化时，温度不会发生很大变化。 温度校正为 ${''P''}_{\mathrm{}}''=''$ (500/cell $''\Delta ''''T''{'')''}^{\mathrm{}}$ 功率。图示表明，电池功率的下降程度远超预期。这再次是由于电池内部电阻的增加所致。#12#

图 7 显示了电池热性能随时间的变化情况。它展示了实测开路电压与预测开路电压之间的偏差。该预测基于将实测装置温度和实测电流作为输入参数输入代码 ，并使用假设的 SiGe 塞贝克系数的时间依赖性。 该图表明，两者之间存在极好的吻合（在 $''5''''\%''$ 范围内）。这表明，在整个测试期间，热性能始终保持良好。

初始三组中的另外两个单元出现了与单元 9 相似的退化现象。然而，在模块周围涂有保护涂层的两个单元 （单元 139 和 148）并未出现超出正常 SiGe 掺杂析出所引起的退化。这两个单元的内部电阻随温度运行时间的退化情况如图 8 所示。图 8 显示出

在温度作用下经过一年多的时间，TA 电池 139 和 148 的内阻退化紧密遵循基于杂质沉淀预测的曲线。电池 139 的所有内阻数据均在 $''3''''\%''$ 预测曲线范围内，存在一定的阻值偏差。 $''17''''-''''m''''\Omega ''$ 此外，在加速温度下进行的样品测试表明，其相当于 11-13 年的运行时间，未出现明显的退化现象。从图中还需注意的另一项是， 初始电池内阻比代码预测值 $''17''''-''''21''''m''''\Omega ''$ 更大。这一现象也出现在许多未施加保护涂层的电池中，这可能是由于 SiGe 与电极之间的电接触阻值高于最佳值所致。

测试后评估

在 JPL 将 TA 细胞 9 移除测试后，对细胞进行了光学显微镜检查，并绘制了细胞电阻图。在光学显微镜下明显可见，在最外层存在几乎完全的脱粘现象。

一侧的电池热端 SiGe 与石墨界面处观察到，另一侧没有发现明显的裂纹，且无法沿着端部观察以确定裂纹的范围。

进一步证据表明 TA 细胞 9 的恶化来自于对测试开始和结束时的室温电压图的比较。通过检查初始电压图可以明显看出，SiGe 与石墨电极之间的接触电阻在整个电池中大致相同。而通过检查测试结束时的电压图，可以明显看出热侧的连接电阻发生了显著变化，但冷侧的连接电阻与测试开始时的值非常相似。最外层的热侧-type SiGe/石墨连接电阻比初始值增加了约 240 倍。相邻的-type SiGe/石墨连接电阻比初始值增加了约 15 倍。四个中央-type SiGe/石墨连接电阻的阻值增加了约四到五倍初始值。

该 $''n''$ - 型 SiGe/石墨键对于最外层 $''p''$ - 臂的耦合体，其电阻增加了约 35 倍。邻近的 $''n''$ - 型 SiGe/石墨键的电阻增加了约 13 倍。这表明该 $''n''$ - 型 SiGe/石墨键在温度作用下会随时间劣化，且最外层键受影响最大。对于该 $''p''$ - 型 SiGe/石墨键，也发生了类似的劣化现象，但程度较小。当最外层 $''p''$ - 臂为最外层时，由于温度作用，接触电阻增加了约 20 倍。对于该 $''p''$ - 型 SiGe/石墨键，当 - 臂为最外层时，其电气接触电阻增加了约 2 倍。最内层的 6 个 $''p''$ - 型 SiGe/石墨键的电阻未受显著影响。

TA 细胞 139 和 148 尚未进行破坏性评估， 因为它们仍在测试中。它们在温度下并未显示出任何意外的性能退化，因此 SiGe/石墨键退化的問題似乎已被解决。

结论

所有五个原型 SP-100 热电电池的初始热性能和电性能均非常优异。它们的热性能与预测几乎完全一致。这表明即使 SP-100 热电电池由大量不同层组成， 也能实现优异的热性能。这种优异的热性能在整个测试期间始终保持。初始电池电性能也紧密匹配预测。在原型条件下，所有五个电池均产生近 8 W 的电力。

%% 经过表征测试后，将电池置于原型温度下进行寿命测试，以确定电池的任何显著退化模式。在此测试过程中，

电池的热性能与预测几乎相同。前三个测试的电池证实了之前的怀疑，即热侧 SiGe 与电极界面在没有键合线处的一些显著保护涂层的情况下会退化。在这些初始测试之后，制造了具有模块周围保护涂层的新的电池并进行了测试。目前在 JPL 进行测试的这两个具有保护涂层的电池，在热侧 SiGe 与电极界面没有显示出任何退化，并且表现完全符合预测。这项测试和样品的加速实验现已验证了 TA 电池技术。

致谢

本文所述的研究由喷气推进实验室进行，该实验室隶属于加州理工学院，并与 NASA 及能源部签订合同。五种原型 SP-100 热电电池由洛克希德·马丁航天公司在宾夕法尼亚州费城山谷制造。

参考文献

1 Mondt, J. F., Truscello, V. C., and Marriott, A. T., “SP- 100 电源计划,” 空间核电源与推进第 11 届研讨会论文集，美国物理学会，新墨西哥州阿尔伯克基，1994 年 1 月，第 143-155 页。

2 Truscello, V. C., and Rutger, L. L., “SP- 100 电源系统,” 空间核电源与推进第 9 届研讨会论文集，美国物理学会，新墨西哥州阿尔伯克基，1992 年 1 月，第 1-23 页。

3 DeMuth, S. F., “SP- 100 Reactor Subsystem Development,” 第 11 届太空核能及推进研讨会论文集 ，美国物理学会，阿尔伯克基，新墨西哥州，1994 年 1 月，第 171、172 页。

4 DeMuth, S. F., “SP- 100 Control Drive Assembly Development Plan,” 第 11 届太空核能及推进研讨会论文集 ，美国物理学会，阿尔伯克基，新墨西哥州，1994 年 1 月，第 173、174 页。

5 Buksa, J. J., “SP- 100 Heat Transport Technology Development,” 第 11 届太空核能及推进研讨会论文集 ，美国物理学会，阿尔伯克基，新墨西哥州，1994 年 1 月，第 175-181 页。

6 England, C., and Ewell, R. C., “Progress on the SP- 100 PowerConversion Subsystem,” 第 11 届太空核能及推进研讨会论文集 ，美国物理学会，阿尔伯克基 ，新墨西哥州，1994 年 1 月，第 183-193 页。

6 Bond, J. A., Matteo, D. N., and Rosko, R. J., “SP-100 导电耦合热电电池的演变,” 第 10 届太空核能动力会议论文集，美国物理学会，新墨西哥州阿尔伯克基，1993 年 1 月，第 753-758 页。

6 Ewell, R. C., and Zoltan, A., “SP-100 型认证电池 9 的成分测试最终报告,” 喷气推进实验室，D-11486，加利福尼亚州帕萨迪纳，1994 年 4 月。

6 Ewell, R. C., and Zoltan, A., “SP-100 认证电池 30 和 31 的成分测试最终报告,” 喷气推进实验室，D-11703，加利福尼亚州帕萨迪纳，1994 年 8 月。

测试与评估中的运营研究分析

DONALD L. GIADROSICH

1995 年，365 页，插图，精装，ISBN 1-56347-112-4

航空航天学会会员 $''49.95''''L''''i''''s''''t''''P''''r''''i''''c''''e''$ 69.95 元订购#12-4 (945)

美国航空航天学会

出版物客户服务，9. Jay Gould Ct.，邮政信箱 753，瓦尔多夫，MD 20604 传真 301/843-0159 电话 1-800/682-2422 东部时间 8:00-17:00

本文的发表对军事和商业测试与评估的现有技术文献做出了重要贡献 。第一章提供了重要的历史背景，并探讨了高质量测试与评估与国防武器系统获取和运行之间的关键关系。后续章节涵盖了成本与作战效能分析（COEA）、建模与仿真（M&S）以及验证、确认与认证（VV&A）等概念 。在结尾章节中，讨论了未来新而独特的一些概念。

本文建议供国防和商业行业的广泛管理人员和官员阅读，以及那些对应用运营研究分析和 T&E 感兴趣的高水平和研究生水平的学生。

目录：

引言 $''•''$ 成本与运营效能分析 $''•''$ 基本原则 $''•''$ 建模与仿真方法 $''•''$ 测试与评估概念 $''•''$ 测试与评估设计 $''•''$ 测试与评估规划 $''•''$ 测试与评估实施、分析与报告 $''•''$ 软件测试与评估 $''•''$ 人因评估 $''•''$ 可靠性、可维护性、后勤保障性与可用性 $''•''$ 综合武器系统测试与评估 $''•''$ 效能指标与性能指标 $''•''$ 培训评估 $''•''$ 联合测试与评估 $''•''$ 附录 $''•''$ 主题索引

销售税：加拿大居民，8.25%；哥伦比亚特区，6%。运输和包装费另加 1-4 本书加收 4.75 美元（数量较多请电话咨询费率）。订单金额低于 100.00 美元的必须预付。 国外订单必须预付，并需加付 20.00 美元的邮费附加费。请允许 4 周的配送时间。 价格如有变动恕不另行通知。30 天内可退货。非美国居民需自行承担其政府要求的任何税费。