超級電容器組在軌實驗系統(tǒng)設(shè)計與驗證

侯偉，王文濤，鄢婉娟，彭健

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

超級電容器組在軌實驗系統(tǒng)設(shè)計與驗證

侯偉，王文濤，鄢婉娟，彭健

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

針對超級電容器組瞬時大功率放電的特點，設(shè)計出了一套在軌實驗系統(tǒng)，并完成了在軌驗證和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，實驗系統(tǒng)成功地完成了超級電容器組的在軌實驗，超級電容器組各項參數(shù)穩(wěn)定，狀態(tài)良好。超級電容的成功在軌實驗為后續(xù)產(chǎn)品化及其在武器裝備上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超級電容器；在軌實驗；系統(tǒng)

超級電容器，又名電化學(xué)電容器、雙電層電容器，是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力，可提供強大脈沖功率的電源。它與常規(guī)電容器不同，其容量可達數(shù)萬法拉，突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬。由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來對超級電容開發(fā)能力的提高，超級電容在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，世界各國爭相研究，并越來越多地將其應(yīng)用到武器裝備上。

根據(jù)某衛(wèi)星工程研制總要求，超級電容器作為一項重要的實驗項目將完成搭載實驗。本文采用20 000 F(ELCP20000 型)的單體超級電容經(jīng)過2并10串組成超級電容器組，設(shè)計出一套在軌實驗系統(tǒng)，為霍爾電推進提供短時大功率放電，同時又可作為42 V電源系統(tǒng)鋰離子蓄電池的備份，在鋰電池故障情況下為氙離子電推進供電，提高了42 V母線及電推進實驗系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過在軌的實驗數(shù)據(jù)分析，可以判斷20 000 F超級電容器單體設(shè)計及生產(chǎn)工藝可靠，在實際空間環(huán)境下工作特性良好。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)方案

根據(jù)電推進短期峰值功耗大的特點，某衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用高、低壓雙母線獨立輸出的設(shè)計方案。其中高壓母線為42 V母線，供給氙離子電推進和霍爾電推進使用。超級電容器作為一套獨立的電源系統(tǒng)，在需要時為霍爾電推進供電，并且與42V鋰離子蓄電池互為備份，在鋰離子蓄電池故障時，可以為42 V母線其他負(fù)載供電。實驗系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

1.2 超級電容實驗方案

1.2.1 實驗方案概述

圖2 超級電容器組件原理框圖

超級電容器組件由超級電容器組和超級電容控制器組成，如圖2所示，超級電容器組件與母線之間由繼電器進行隔離，只有當(dāng)總開關(guān)閉合時，超級電容器組件才能進行充電和對母線供電。整個組件，在光照期，由母線通過控制器的充電模塊對超級電容器組進行限流限壓充電；在母線載荷工作時，超級電容器組通過控制器的放電模塊對母線供電。

1.2.2 超級電容器組方案

根據(jù)實驗要求，超級電容器組在需要時為霍爾電推進供電，需要1 000 W持續(xù)放電10 min，所需的總能量為1 000 W×10 min=167 Wh。

超級電容器單體的工作電壓范圍為：3.5～4.2 V，由于高壓母線為42 V，因此需要10只單體串聯(lián)。根據(jù)能量約束，同時取放電深度＝60%，單體所需的容量同樣可由下式求得：

為了進一步提高超級電容器組的可靠性，在一只單體失效的情況下，超級電容器組仍能夠正常工作，因此將40 000 F的單體設(shè)計由2只20 000 F的單體并聯(lián)組成，即整個超級電容器組采用20 000 F(ELCP20000型)的單體由2并10串組成。圖3為ELCP20000超級電容器單體外形圖。圖4為2P10S-ELCP20000超級電容器組。

圖3 ELCP20000超級電容器單體外形圖

圖42 P10S-ELCP20000超級電容器組

1.2.3 超級電容控制器方案

超級電容控制器是配套超級電容器組的控制單機，由充電調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、均衡控制模塊等組成。其主要任務(wù)是對超級電容器充放電調(diào)節(jié)和均衡控制，保持能源輸出電壓的穩(wěn)定，滿足霍爾電推進系統(tǒng)所需的功率需求。

(1)充電調(diào)節(jié)模塊

考慮到超級電容器組件為實驗載荷，因此在整星能源充足的情況下才能充電。充電電路采用非隔離型降壓調(diào)節(jié)電路，當(dāng)總開關(guān)閉合后，母線電壓大于40.5 V時開始充電，充電電流隨母線電壓升高而線性增加，最大為5.21 A。圖5給出了充電電流隨母線電壓線性變化曲線。

圖5 壓控限流充電曲線

(2)放電調(diào)節(jié)模塊

放電調(diào)節(jié)模塊均采用脈寬調(diào)制器(PWM)作為核心控制部件，電路由母線采樣、誤差放大、脈寬調(diào)制、驅(qū)動等組成。在電推進工作時由超級電容通過放電調(diào)節(jié)模塊給負(fù)載供電。每路模塊可輸出功率不小于400 W，總效率不低于90%。放電調(diào)節(jié)模塊由三路獨立的放電電路并聯(lián)組成。為了保證各個模塊間電流的平均分配，防止某個模塊由于外特性好而承擔(dān)較大的電流，影響可靠性和壽命，放電模塊采用輸出阻抗法進行均流調(diào)節(jié)，使每個模塊的電流分配達到均勻，輸出電流的不平衡度不超過20%。圖6為放電模塊并網(wǎng)圖。

圖6 放電模塊并網(wǎng)圖

(3)均衡與旁路控制模塊

由于指令資源的限制，采用10節(jié)單體均壓的均衡控制策略。當(dāng)某個單體電容器電壓比超級電容器平均電壓高出100 mV時，控制電路發(fā)出控制信號接通該超級電容器單體的旁路分流電路，達到均壓目的?？紤]到超級電容存在一節(jié)單體失效的可能，因此計算平均電壓時有兩個基準(zhǔn)：10節(jié)單體均壓和9節(jié)單體均壓，基準(zhǔn)的切換由地面遙控指令完成。

1.3 在軌實驗方案

發(fā)射前超級電容器組件處于斷電狀態(tài)，衛(wèi)星在軌正常工作后，超級電容器組件總開關(guān)接通，使控制器的均衡功能工作，超級電容器組件在軌為常加電狀態(tài)。在軌每次給電推進系統(tǒng)供電前，確認(rèn)超級電容器組已經(jīng)充滿電。超級電容器組件為電推進系統(tǒng)供電，工作10 min后，需要給電容器組充電。

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

到目前為止，超級電容在軌已累計工作200個循環(huán)，圖7～圖11分別給出了一個循環(huán)周期內(nèi)的充放電曲線、超級電容器組電壓變化曲線、單體電壓變化曲線和超級電容器組溫度變化曲線。由圖可見，超級電容在一個工作周期電壓范圍在35.9～41.14 V，單體電壓均在3.5～4.2 V，溫度在12.5～13.7℃，充電限流5.17 A。實驗結(jié)果表明，超級電容器組充放電功能正常，單體電壓均衡，性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求，驗證了超級電容單體設(shè)計和生產(chǎn)工藝的可靠性，在實際空間環(huán)境下特性良好。

圖7 超級電容充電限流控制曲線

圖8 超級電容放電時電壓變化曲線

圖9 超級電容器組一個充放電周期電壓變化曲線

3 結(jié)論

本文針對超級電容器組瞬時大功率放電的特點，設(shè)計出了一套在軌實驗系統(tǒng)，并完成了在軌驗證和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，實驗系統(tǒng)成功完成了超級電容器組的在軌實驗，超級電容器組各項參數(shù)穩(wěn)定，狀態(tài)良好。

該實驗項目的成功，標(biāo)志著我國首例空間用超級電容器飛行實驗的成功。該成果可以作為電推進配套電源，用于后續(xù)衛(wèi)星上，也可用于SAR系列衛(wèi)星，很好地滿足SAR星功率組件對短時間大功率供電的需求，經(jīng)過適當(dāng)改進還可應(yīng)用于電磁炮、高能激光武器等新型武器上，對加快我國武器裝備技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

圖10 單體1、3、5、7、9一個充放電周期電壓變化曲線

圖11 超級電容在一個充放電周期內(nèi)的溫度變化曲線

[1]曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應(yīng)用研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2008,42(11):1318-1319.

[2]鄧隆陽，黃海燕，盧蘭光，等.超級電容性能試驗與建模研究[J].車用發(fā)動機，2010,186(1):29-31.

Design of supercapacitors'test system and in-orbit Test

HOU Wei,WANG Wen-tao,YAN Wan-juan,PENG Jian

An in-orbit test system was designed based on the characteristic of supercapacitors'instantaneous high-power discharge.The validation and analysis of data of in-orbit test were accomplished.According to the test result,in-orbit test was accomplished successfully,and the supercapacitors'performance was steadily and nice. Subsequent production and its application to equipment were groundworked by the Supercapacitors'in-orbit test.

supercapacitor;in-orbit test;system

TM 53

A

1002-087 X(2014)02-0310-02

2013-11-21

侯偉(1978—)，男，陜西省人，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星電源系統(tǒng)。