超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)在外能源轉(zhuǎn)管炮中的應(yīng)用研究

王 雷，王 瓏，劉明攀

（1.海軍裝備部西安局，陜西 西安 710043；2.西安昆侖工業(yè) （集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710043）

某型外能源小口徑反導(dǎo)艦炮采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)管式自動(dòng)機(jī)和彈鼓式無鏈供彈系統(tǒng)，所需瞬時(shí)功率較大［1］。為避免對艦船電網(wǎng)電壓的不利影響，該艦炮研制時(shí)選用了傳統(tǒng)的鎘鎳蓄電池作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源。隨著批量生產(chǎn)和交付部隊(duì)使用，鎘鎳蓄電池陸續(xù)暴露出需要定期激活、充放電活化，電解液易蒸發(fā)、容量不足，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。同時(shí)，隨著反艦導(dǎo)彈速度的不斷提高，突防攻擊能力的不斷增強(qiáng)，對近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求，迫切需要研制新一代射速更高的反導(dǎo)艦炮，其射控系統(tǒng)要求儲(chǔ)能電源提供成倍電流輸出，傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能器件已無法提供瞬時(shí)大電流輸出，更無法滿足新型艦炮射控系統(tǒng)對電源的更高要求。針對實(shí)際情況，筆者利用超級電容器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的儲(chǔ)能電源用來滿足新型射控系統(tǒng)的要求。

1 超級電容器結(jié)構(gòu)及特性

超級電容器（super－capacitor）又叫雙電層電容，是基于極板／電解液雙電層理論發(fā)展起來的一類新型儲(chǔ)能電子器件，主要通過在電極與電解液界面處形成的雙電層進(jìn)行儲(chǔ)能，具有超大的法拉級電容量，通常具有20～100μF／cm2的比電容，具體數(shù)值與電極及溶液的性質(zhì)有關(guān)。該種電容能獲得大的比電容是因?yàn)殡p電層電容器的極板為高比面積活性材料，它具有極大的有效表面積A（500～1 500 m2／cm3）［2］，根據(jù)電容量公式計(jì)算可知，這種雙電層電容器的比電容比傳統(tǒng)的物理電容要大得多［3］。

超級電容器的顯著特性是儲(chǔ)能密度大，可達(dá)4 wh／L，放電比功率可達(dá)4.2kW／L；內(nèi)阻很小，常溫恒流100A 放電內(nèi)阻不大于0.8mΩ；充電時(shí)間短，完全充電只需幾分鐘，其循環(huán)壽命可達(dá)數(shù)十萬次以上；具有免維護(hù)、高可靠性及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦碗娮觾?chǔ)能元件。

2 超級電容器儲(chǔ)能電源的設(shè)計(jì)原理

超級電容器可以等效一個(gè)電阻與一個(gè)理想電容的串聯(lián)［4］，圖1為單體超級電容器的恒流100A充放電曲線，圖中ΔU是由于電流流經(jīng)等效電阻引起的瞬間端電壓的壓降。超級電容器直流內(nèi)阻越小，其端電壓壓降越小，其端電壓壓降跟放電電流的大小有關(guān)。因此，進(jìn)行大功率超級電容器儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮電容器直流內(nèi)阻對電源輸出特性的影響。

超級電容器儲(chǔ)能電源的端電壓在放電過程中會(huì)不斷下降，因此要求火炮射控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器需有較寬的工作電壓范圍，要確定驅(qū)動(dòng)器最高工作電壓U1與最低工作電壓U2?；鹋谏鋼艄β市枨筇匦砸筇峁┠茉吹膬?chǔ)能裝置需恒功率放電，可據(jù)此確定放電功率P0、最大放電電流Im及放電時(shí)間t。因此，所需超級電容器儲(chǔ)能電源的最小設(shè)計(jì)容量為：

式中，R 為超級電容器儲(chǔ)能裝置直流內(nèi)阻的預(yù)計(jì)值。

一般情況下，驅(qū)動(dòng)器的工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單體超級電容器的工作電壓，要獲得此工作電壓，需要將若干超級電容器串聯(lián)起來滿足系統(tǒng)工作電壓［5］。由于超級電容器自身的容量、內(nèi)阻和漏電流等特性存在一定差異，在串聯(lián)組成儲(chǔ)能電源模組時(shí)有可能導(dǎo)致每個(gè)單體超級電容器的端電壓也存在一定差異，極端情況會(huì)導(dǎo)致電容器的損壞，需要采取主動(dòng)均壓、降低單體超級電容器工作電壓和嚴(yán)格篩選單體等措施來保證每組串聯(lián)的超級電容器的一致性。

根據(jù)火炮射控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器最高工作電壓U1確定儲(chǔ)能電源一個(gè)串組的超級電容器個(gè)數(shù)

式中，UN為單體超級電容器工作電壓。

故一個(gè)串組的電容量

整個(gè)超級電容器儲(chǔ)能電源所需并組的個(gè)數(shù)

m×n只超級電容器組成m個(gè)串聯(lián)n組并聯(lián)的超級電容器儲(chǔ)能裝置核心部件。

3 超級電容器儲(chǔ)能裝置的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)射擊時(shí)的能量需求，通過計(jì)算可得出超級電容器集成后的總?cè)萘啃?0F。在方案設(shè)計(jì)時(shí)從可靠性角度出發(fā)，單體電容器的額定工作電壓為2.7V，工作電壓設(shè)計(jì)為2.5V，減小單體超級電容器因工作電壓不一致導(dǎo)致部分超級電容器過壓損壞故障的發(fā)生，增加了儲(chǔ)能裝置工作可靠性。儲(chǔ)能電源額定工作電壓為450V，故一個(gè)串組單體超級電容器的個(gè)數(shù)不少于總工作電壓與單體超級電容器工作電壓之比，即450／2.5＝180。180只2 500F超級電容器串聯(lián)后的容量為13.9F，3個(gè)同樣的串組并聯(lián)后的總?cè)萘?1.7F，大于40F，能夠滿足技術(shù)要求。超級電容器儲(chǔ)能裝置由1 個(gè)自動(dòng)充放電控制器和6個(gè)儲(chǔ)能機(jī)箱組成。其組成框圖見圖2。

首先將3 只超級電容器以并聯(lián)的方式組成一個(gè)工作電壓為2.5V 容量為7 500F 的儲(chǔ)能組合，再將同樣30個(gè)儲(chǔ)能組合串聯(lián)組成一個(gè)工作電壓為75V、容量為250F 的儲(chǔ)能機(jī)箱，其簡單原理圖如圖3所示。最后將同樣的6 個(gè)儲(chǔ)能機(jī)箱串聯(lián)安裝在儲(chǔ)能機(jī)柜中組成一個(gè)工作電壓為450V、容量為41.7F的儲(chǔ)能機(jī)柜。這種先并聯(lián)后串聯(lián)的組合方式能有效地改善各個(gè)超級電容器容量、電壓不一致帶來的影響，同時(shí)當(dāng)儲(chǔ)能電源中某一個(gè)超級電容器故障短路或斷路時(shí)，基本不會(huì)影響整個(gè)超級電容器儲(chǔ)能電源的參數(shù)，大大增加了儲(chǔ)能裝置的工作可靠性。

在每一個(gè)超級電容端子上安裝一塊電壓均衡保護(hù)電路板，實(shí)現(xiàn)電容器單體電壓的精確控制。電壓均衡保護(hù)電路板原理圖如圖4所示。控制電路是由電壓檢測集成電路和VMOS場效應(yīng)管及少量電阻組成，集成電路可監(jiān)控電容器兩端的工作電壓，當(dāng)電容兩端電壓上升到檢測電路的導(dǎo)通閾值時(shí)，集成電路發(fā)出一高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)使VMOS 場效應(yīng)管導(dǎo)通工作以分流流過超級電容器的電流；當(dāng)電容兩端的電壓下降到低于檢測電路的截止閾值時(shí)，集成電路輸出變?yōu)榈碗娖绞筕MOS 場效應(yīng)管截止工作繼續(xù)給超級電容器充電。電容器電壓得以可靠地限制在額定電壓范圍之內(nèi)［6］，解決了串并聯(lián)后電容器單體間電壓不均衡的難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成與控制。

圖4中N1為電壓檢測器件，器件引出端的2、3腳直接連接到超級電容器的正負(fù)極兩端，檢測超級電容器上的充電電壓，充電時(shí)超級電容器兩端電壓低于N1的閾值電壓時(shí)，N1的1腳輸出端輸出低電平，由V1～V4及外圍元件組成的旁路電路不工作。充電電壓超過N1的導(dǎo)通閾值電壓時(shí)，N1的1腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)旁路電路工作，旁路充電電流，阻止與之連接的超級電容器的電壓上升，保證超級電容器在安全電壓范圍內(nèi)工作。當(dāng)超級電容器兩端的電壓下降到N1的截止閾值電壓以下時(shí)，N1的1腳輸出低電平，旁路電路停止工作。在正常工作狀態(tài)下平衡電路不會(huì)影響儲(chǔ)能裝置的工作。

自動(dòng)充放電控制器由三相智能控制恒流充電模塊、智能電壓、電流表、控制電子電路及過壓保護(hù)電路組成，以充電電流4±0.2A 的恒流定壓的方式為儲(chǔ)能機(jī)柜充電，充電至額定高電壓后自動(dòng)停止充電，儲(chǔ)能機(jī)柜電壓低于設(shè)定值之后又自動(dòng)補(bǔ)充充電。放電時(shí)，儲(chǔ)能機(jī)柜電壓放至安全電壓（20 V）后，自動(dòng)停止放電。

4 超級電容器儲(chǔ)能裝置與傳統(tǒng)蓄電池的性能對比

使用超級電容器儲(chǔ)能裝置作為系統(tǒng)電源為變頻器供電驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，其測試曲線圖如圖5所示；使用傳統(tǒng)蓄電池作為系統(tǒng)電源為變頻器供電驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，其測試曲線圖如圖6所示。

兩組測試曲線中R2為交流伺服電機(jī)速度實(shí)際值模擬量曲線、R3為變頻器電流曲線，R1為放電電流曲線，R4為放電電壓曲線。

對比電機(jī)速度實(shí)際值曲線（圖5R2曲線與圖6R2曲線）可以看出，以超級電容器為電源的系統(tǒng)，電機(jī)速度達(dá)到設(shè)定值后，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻小、放電能力強(qiáng)，所以在速度達(dá)到穩(wěn)定值后，速度平穩(wěn)無波動(dòng)。而以傳統(tǒng)蓄電池為電源的系統(tǒng)，電機(jī)速度爬升到額定轉(zhuǎn)速后，由于速度提升功率需求增加，傳統(tǒng)蓄電池電源內(nèi)阻高、大電流放電能力差，無法保證大功率持續(xù)輸出，電機(jī)無法保持在額定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速跌落嚴(yán)重。

對比變頻器電流曲線（圖5R3曲線與圖6R3曲線）可以看出，超級電容器儲(chǔ)能裝置為電源的系統(tǒng)，由于超級電容器儲(chǔ)能裝置在大電流放電過程中，電源壓降小，在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定速度后變頻器電流減小，且驅(qū)動(dòng)器電流波動(dòng)小。傳統(tǒng)蓄電池為電源的系統(tǒng)，變頻器電流值一致維持在最大，且電流曲線波動(dòng)大。

對比電源的放電電流曲線（圖5R1曲線與圖6R1曲線）可以看出，超級電容器儲(chǔ)能裝置的放電電流穩(wěn)定，由于電源具有容性特性，能夠吸收電流諧波，因此電流曲線中沒有高頻電流諧波存在；由于傳統(tǒng)蓄電池電源呈阻性特性，無法吸收變頻器引入的交流諧波，放電電流波動(dòng)較大。

對比放電電壓曲線（圖5R4曲線與圖6R4曲線）可以看出，超級電容器相對傳統(tǒng)蓄電池在大電流放電啟動(dòng)瞬間，輸出電壓降小。超級電容器儲(chǔ)能裝置的電壓隨著放電過程的持續(xù)呈連續(xù)下降的趨勢，而傳統(tǒng)蓄電池的電壓隨放電過程持續(xù)電壓下降不明顯。由于超級電容器儲(chǔ)能裝置相對傳統(tǒng)蓄電池能量體積比小，所以放電結(jié)束后，兩種電源的電壓均有回落，但是超級電容器儲(chǔ)能裝置相對放電前電壓值有明顯下降，而傳統(tǒng)蓄電池則基本恢復(fù)放電前的電壓。從而得出超級電容器儲(chǔ)能裝置長期持續(xù)放電能力小于傳統(tǒng)蓄電池。

綜上所述，超級電容器儲(chǔ)能裝置相對傳統(tǒng)蓄電池具有電源內(nèi)阻小、放電能力強(qiáng)、能夠提供瞬時(shí)大電流以及帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于超級電容器儲(chǔ)能裝置電源具有容性特性，能夠吸收電源回路中的高頻交流諧波，因此放電電流平穩(wěn)，對外能源轉(zhuǎn)管炮的擊發(fā)驅(qū)動(dòng)電路沖擊較小，有效提高了擊發(fā)驅(qū)動(dòng)電路工作的可靠性。

5 結(jié)束語

筆者以某型外能源轉(zhuǎn)管炮驅(qū)動(dòng)電源為對象，探索利用超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了新型的儲(chǔ)能電源。通過研制試驗(yàn)，外能源轉(zhuǎn)管炮超級電容器儲(chǔ)能裝置完全滿足產(chǎn)品對驅(qū)動(dòng)電源的要求，可以替代傳統(tǒng)的蓄電池，具有其他電源不可替代的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的軍事經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（References）

［1］李勇，陳永剛，謝楊楊，等.外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率分析與估算［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011（4）：74－77.LI Yong，CHEN Yonggang，，XIE Yangyang，et al.Analysis and estimation driving power of external power Gatling gun［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2011（4）：74－77.（in Chinese）

［2］王曉峰，孔祥華，劉慶國，等.新型化學(xué)儲(chǔ)能器件——電化學(xué)電容［J］.化學(xué)世界，2001（2）：103－108.WANG Xiaofeng，KONG Xianghua，LIU Qingguo，et al.A new energy storage device：electrochemical double layer capacitor［J］.Chemical World，2001（2）：103－108.（in Chinese）

［3］馮玉萍，于凌宇.國際高能新電源電化學(xué)電容器技術(shù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)［J］.電源世界，2002（9）：56－59.FENG Yuping，YU Lingyu.Technique application tends of elceto－chemical capacito［J］.The World of Power Supply，2002（9）：56－59.（in Chinese）

［4］王成.基于超級電容的置地式地鐵再生制動(dòng)能量回收技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2013.WANG Cheng.Research on regenerative braking energy utilization technique based on stationary supercapacitors in metro－transit systems［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013.（in Chinese）

［5］李應(yīng)生，孔銀昌.基于超級電容器蓄電裝置的研制［J］.電源技術(shù)，2011，35（4）：409－411.LI Yingsheng，KONG Yinchang.Energy storage devices based on supercapacitors［J］.Chinese Journal of Power Sources，2011，35（4）：409－411.（in Chinese）

［6］張文亮，丘明，來小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1－9.ZHANG Wenliang，QIU Ming，LAI Xiaokang.Application of energy storage technologies in power grids［J］.Power System Technology，2008，32（7）：1－9.（in Chinese）