超級電容器在航空蓄電池起動車上的應(yīng)用研究

孔 華，康 凱，張 光，楊學光

(1.空軍勤務(wù)學院，江蘇徐州221000；2.廣空裝備部，廣東廣州510000)

超級電容器在航空蓄電池起動車上的應(yīng)用研究

孔 華1，康 凱2，張 光1，楊學光1

(1.空軍勤務(wù)學院，江蘇徐州221000；2.廣空裝備部，廣東廣州510000)

航空蓄電池起動車采用分級起動方式起動飛機，在此過程中會產(chǎn)生幾次大的峰值電流，這不僅會使蓄電池在瞬時大功率輸出上難以滿足起動要求，還會對起動車蓄電池的極板產(chǎn)生較大沖擊，減少蓄電池的使用壽命。將超級電容器與蓄電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)的能量利用率大幅度提高，同時保證飛機起動成功率，延長蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：航空；復(fù)合電源；超級電容器

1 問題的提出

飛機起動即飛機發(fā)動機的起動，是指用外力矩將飛機發(fā)動機加速到“自持轉(zhuǎn)速”的過程。為使電機能柔和地、無撞擊地帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并逐步增大轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機逐步加速，目前各類小型飛機大都采用分級起動方式，在整個起動過程當中，起動電流會有三次比較明顯的階躍。而起動飛機時所產(chǎn)生的大電流激變不僅會使蓄電池在瞬時大功率輸出上難以滿足啟動要求，還會因大電流對起動車蓄電池的電極板產(chǎn)生較大沖擊，減少蓄電池的使用壽命。本文的目的就是要找出一種方法既能滿足起動要求，同時又能有效延長蓄電池的壽命。

1.1 飛機地面起動簡介

以某型飛機地面起動為例，分析在起動過程中所需起動電流的大小和地面電源的工作情況。

第一級起動：飛機發(fā)動機從靜止狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動；第二級起動：增大起動轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速增大；第三級起動：升壓；第四級起動：完成起動。

該型機四級起動的時間順序不會改變，其起動電流和起動電機端電壓的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 某型飛機地面起動電流、電壓曲線

1.2 超級電容器[1]

超級電容器的基本結(jié)構(gòu)包括兩個高比表面積多孔性電極、多孔性隔膜材料以及吸附其中的電解液。隔膜一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料，如聚丙烯膜，要求具有盡可能高的離子電導和盡可能低的電子電導。在每個電極的另一面緊貼有集電極以減少電容器的阻抗損耗，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超級電容器的基本結(jié)構(gòu)

超級電容器和靜電電容器及電池的優(yōu)勢明顯，見表1。

(1)有非常高的功率密度。其功率密度可為電池的10～100倍，可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得超級電容器非常適用于短時間高功率輸出的場合。

表1 超級電容器和靜電電容器及電池的特性比較

(2)充電速度快。超級電容器可采用大電流充電，能在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成充電過程，是真正意義上的快速充電。在任何荷電狀態(tài)值處，超級電容器都能以滿電流方式放電。

(3)循環(huán)壽命長，半永久性使用無需更換。碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無窮，實際可達10萬次以上，比電池高10～100倍。

(4)效率高。由于電容的內(nèi)阻非常小，所以電容的充放電基本是可逆的，庫侖效率可達到0.99以上。

由于超級電容器所具有的上述特點，使得其在能量/功率單元中得到了廣泛的應(yīng)用。超級電容器與蓄電池并聯(lián)可應(yīng)用于各種內(nèi)燃發(fā)動機的電啟動系統(tǒng)，能有效保護蓄電池，延長其壽命，減小其配備容量，特別是在低溫和蓄電池容量不足的情況下，確保可靠啟動。

1.3 某型航空蓄電池起動車

某型航空蓄電池起動車是新型交直流綜合型航空蓄電池起動車。該起動車采用28 V/600 Ah閥控式密封蓄電池為電源，通過逆變電路、交直流控制電路，實現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換，輸出兩組28.5 V直流電源及28.5 V/57 V直流起動電源；兩組115 V/220 V、400 Hz三相交流電源或115 V/400 Hz單相交流電源；還可提供36 V/400 Hz三相交流電源，其電氣原理如圖3所示。

圖3 某型起動車原理框圖

2 超級電容器在某型起動車上的應(yīng)用研究

飛機起動對航空地面電源的性能提出了很高的要求，而超級電容器的出現(xiàn)為解決這一問題開拓了廣闊的前景。下面主要從超級電容在航空地面電源上應(yīng)用的可行性分析，復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)原理以及利用超級電容對某型起動車的改造等幾方面進行了介紹。

2.1 超級電容器在某型起動車上應(yīng)用的可行性分析

經(jīng)過實驗可得到如圖4所示的幾幅電容器(奧威科技有限公司生產(chǎn)，活性炭電極和氫氧化鎳電極超級電容器，下同)在不同電流放電的測試曲線圖和表2所示的電容器大電流放電能力，它們體現(xiàn)了超級電容器在大電流放電時的特性[2]。由圖4和表2可以看出，與蓄電池相比，超級電容器的比功率大，充放電速度快，輸出功率大，其大電流的放電能力也完全適用于飛機的大電流起動，所以，超級電容器應(yīng)用在飛機的地面電源上是完全可行的。

圖4 電容器不同電流放電測試曲線圖

表2 電容器大電流放電能力

2.2 復(fù)合電源的優(yōu)勢

盡管超級電容器有著如此眾多的優(yōu)點，過低的比能量卻是超級電容器單獨成為能量源的致命障礙。單選蓄電池和超級電容器任何一種能量源，都不能同時滿足高比能量和高比功率的要求，因此，把超級電容器和蓄電池結(jié)合起來才能形成更有效能的電源系統(tǒng)。采用超級電容器與蓄電池結(jié)合的復(fù)合動力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

(1)實現(xiàn)了飛機對能量和功率要求的分離，蓄電池設(shè)計可以集中于對比能量要求的考慮，而不必過多的考慮比功率問題。

(2)由于超級電容器的負載均衡作用，電池的放電電流得以減少從而使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高，保障成本降低。

(3)充分利用了兩種能源的優(yōu)點，比如，蓄電池的技術(shù)成熟、成本低廉;超級電容器巨大的比功率和瞬間充放電能力，不受限制的使用壽命。

(4)由于超級電容可以迅速高效實施再充電，所以縮短了準備時間，提升了效率，有效提高了保障的能力。

2.3 復(fù)合電源的組成和工作原理

整個起動過程當中，起動電流會有三次比較明顯的階躍，這對蓄電池的電極板會有較大的沖擊，嚴重影響蓄電池的使用壽命，而超級電容器和蓄電池并聯(lián)后，超級電容器具有的充放電速度快、可大電流充放電的特點就避免了大電流對蓄電池極板的沖擊。下面用幾個簡單的原理圖來說明一下復(fù)合電源的組成和工作原理。圖5為復(fù)合電源的基本原理框圖，它主要由供電控制系統(tǒng)、蓄電池、超級電容器、信息采集處理系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)組成；其中由供電控制系統(tǒng)綜合處理信息采集處理系統(tǒng)反饋的信息，通過控制充放電系統(tǒng)來控制超級電容器的工作狀態(tài)。蓄電池和超級電容器通過供電控制系統(tǒng)以不同的工作方式對飛機供電。

圖5 復(fù)合電源供電原理框圖

2.4 超級電容器對某型起動車的改造

根據(jù)本文的理論可對該型起動車進行改進，即把超級電容器加入該型起動車的電路中，當監(jiān)控電路檢測到輸出電流大幅度增大，超過400 A時，監(jiān)控電路向控制電路發(fā)出信號，由控制電路控制超級電容器與蓄電池組并聯(lián)共同提供輸出電流，由超級電容器負責提供增大的那部分電流，圖6為改進后的原理圖。

圖6 某型起動車改進后原理框圖

通過本文的設(shè)計改造，可以達到抑制蓄電池大電流放電的目的，從而減少對蓄電池極板的沖擊，大幅度延長其使用壽命，提升飛行保障的經(jīng)濟效益。

3 總結(jié)

本文主要介紹了超級電容器的優(yōu)點，并利用超級電容器對航空蓄電池起動車進行改造。即在原某型起動車中加裝超級電容器來提供起動飛機過程中所需的幾次大的峰值電流，從而達到保證飛機起動成功率，減少大電流對蓄電池極板的沖擊以延長其使用壽命的目的。超級電容器以其優(yōu)越的性能為我們的日后研究工作提供了一個廣闊的平臺，利用超級電容器對航空裝備的改造也必然有著廣闊的前景。

[1]梁逵.碳納米管及氧化鎳超級離子電容器的研究[D].成都：電子科技大學，2002.

[2]任煉文，熊佳.電動公交車用超級電容器的研究[J].電池工業(yè)，2006,11(4)：238-239.

Study on application of aviation storage battery start vehicle based on super capacitor

When start an airplane,a way was taking by aviation storage battery start vehicle with the ratings.Several times big value electric current would be created through this process.Then it was not only hard to satisfy the start request on big power output top in the moment,but also big pound at plates would be created.The service life of storage battery was decreased.Constituting hybrid power system with super capacitor and storage battery,exaltation of the energy utilization of system was significantly improved,the airplane start success rate in the meantime could be ensured,and the service life of storage battery could also be extended.

aviation;hybrid power system;super capacitor

TM 53

A

1002-087 X(2015)10-2134-03

2015-03-17

孔華(1977—)，男，江蘇省人，講師，碩士生，主要研究方向為航空裝備技術(shù)。