貯能式電源在航天火工品驅動的應用研究

陳 曦， 張洪源， 劉 偉， 曹雷團， 付繼偉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

貯能式電源在航天火工品驅動的應用研究

陳 曦， 張洪源， 劉 偉， 曹雷團， 付繼偉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

相對于傳統(tǒng)的功率電池式火工品電源質量大、測試性差的特點，提出了一種使用超級電容的貯能式火工品電源，不僅可大幅減輕質量，而且在系統(tǒng)研制各階段都可進行測試?；诤教爝\載器可靠性要求高的特點，研究了超級電容貯能式電源的串并聯(lián)設計方法和均衡方案，并分析了其可靠性和輸出伏安特性，通過試驗檢驗了其大電流驅動能力。

超級電容；火工品；電源

在航天運載器飛行過程中，需要通過火工品電源引爆火工品，以在規(guī)定的時間完成火箭點火、級間分離等飛行動作。為了確保發(fā)火安全性，目前廣泛使用了鈍感電火工品，其發(fā)火電流較大，一般單橋帶鈍感電火工品需要6 A以上的驅動電流。為了提供足夠大驅動電流，傳統(tǒng)的火工品電源使用功率電池，其中，可充式和自動激活的銀鋅電池使用較多。

功率電池也存在一些弊端。首先，功率電池質量大，同時驅動兩只鈍感電火工品的功率電池質量一般約為3～5 kg。其次，測試性受到限制，激活式功率電池僅能使用一次，可充式功率電池的容量會隨充電次數(shù)增加而下降，因此，在產(chǎn)品測試中無法使用配套的功率電池進行供電，而只能使用穩(wěn)壓電源進行模擬，從而增加不可測試項目。

文獻[1]將超級電容引入地面無人戰(zhàn)斗車的設計，盡管文中未詳細論述超級電容的具體應用，但該報道表明其功率密度大的特點已經(jīng)在軍用裝備設計中得到了應用。本文提出了一種貯能式火工品電源，使用超級電容貯存電能，可以實現(xiàn)大幅減輕質量，提高測試性的目的。

1 貯能元件特性分析

普通電容、超級電容和電池都是可為其他電路提供電能的貯能元件，表1列舉了三者的典型性能[2]。

由表1可知，用超級電容作為貯能元件驅動火工品有兩個優(yōu)點：(1)超級電容功率密度比電池大，火工品驅動能力的最重要指標是輸出功率，電容的輸出功率雖大，但貯能較少，不適宜使用，相反，電池雖然貯能大，但輸出功率低，比功率一般不超過500 W/kg，而超級電容的比功率高達1～10 kW/kg，因此超級電容對于短時間輸出大電流的應用具有明顯優(yōu)勢，更適合驅動火工品；(2)測試性好，激活式功率電池僅能使用一次，銀鋅蓄電池的容量會隨充電次數(shù)增加而下降，只有在臨近發(fā)射前才能投入使用，難以在進入發(fā)射任務之前完成測試，相比之下，超級電容理論上沒有充放電次數(shù)的限制，因此可以在各階段系統(tǒng)測試中反復使用，因此使用超級電容做火工品驅動電源可以大大提高測試性。

2 設計方案

單體超級電容的電壓和電流都比較有限，因此在實際使用中，需要在合理選擇超級電容的基礎上，通過串并聯(lián)實現(xiàn)規(guī)定的電壓、驅動電流及可靠性。由超級電容組成的火工品電源電路示意圖如圖1所示。航天運載器火工品電源的充電時間可以選擇在發(fā)射前，因為超級電容的自放電時間相對于飛行時間來說很長。

圖1 貯能式火工品電源示意圖

2.1 電路的設計輸入

在設計火工品電源之前，需要明確電路的設計輸入：火工品電源空載電壓，一般由系統(tǒng)電源母線的設計慣例決定；額定輸出電流，為本火工品電源需要在同一時刻驅動的火工品數(shù)量與火工品額定電流的乘積；額定輸出總電量，為同一時刻驅動的火工品數(shù)量與額定發(fā)火電流與持續(xù)時間的乘積累加；火工品電源最大負載壓降Δ，在火工品電源驅動火工品時，由于電源直流內(nèi)阻和有限電容量，電壓會有所下降，所允許的最大負載壓降Δ可由式(1)初步確定，也可由設計經(jīng)驗確定。

2.2 串并聯(lián)設計

超級電容單體容量一般不超過3.0 V，需要通過串并聯(lián)組成超級電容模組，以實現(xiàn)規(guī)定耐壓、電流輸出能力和規(guī)定的可靠性。由于不同系統(tǒng)對可靠性的要求不盡相同，本文基于技術研究的目的，可靠性暫按消除單點失效進行設計，即任一電容發(fā)生短路或開路故障，都不應導致系統(tǒng)失效。因此在串并聯(lián)設計中，本技術方案使用約束為：電流輸出能力約束；考慮單個電容失效的電容組耐壓約束。

(1)電容組需在單個電容開路失效的情況下不被擊穿，應滿足：

(2)電容組需在單個電容路短路失效的情況下不被擊穿，應滿足：

(3)電容組由于電容直流內(nèi)阻和電容容量造成的壓降滿足：

2.3 超級電容的選型

鈍感火工品所需的驅動電流較大。超級電容的驅動能力受到電容容量和直流內(nèi)阻兩方面限制。電容容量有限會導致超級電容在放電時兩端電壓由于貯存電能的減少而下降；而直流內(nèi)阻也會導致放電時一部分電壓損失在超級電容直流內(nèi)阻上。按照目前超級電容的參數(shù)，在這兩個因素中，后者是主要的。因此超級電容應使用占用單位電路板面積條件下直流內(nèi)阻盡可能小的器件。設超級電容直流內(nèi)阻為，超級電容直徑為。則應選擇最小的電容。一般來說，較符合上述條件的電容容量約為1～10 F。

2.4 超級電容的均衡

電容容量在標準容量上下具有一定偏差，這一偏差會導致串聯(lián)電容模組中各個電容兩端電壓存在差別，這一差別會降低系統(tǒng)裕量和可靠性，如果差別過大，甚至可能導致電容擊穿。均衡技術是指消除電容兩端電壓差別的手段，常見的有并聯(lián)電阻均衡方案[3]、DC/DC雙向變換方案[4]、飛渡電容均衡方案[5]等。并聯(lián)電阻方案雖然簡單但會消耗一定功率，航天產(chǎn)品設計緊湊難以采用，其它兩種方案也會增加均衡電路的復雜性。航天運載器對質量的要求十分苛刻，因此是否需要均衡，是否存在符合航天運載器火工品驅動特點的簡易均衡方案，也是超級電容電火工品電源設計中需要考慮的問題。

2.4.1 無均衡方案

超級電容對電火工品電源性能起主要影響的指標是直流內(nèi)阻。而汽車能量回收、風力發(fā)電貯能等一般工業(yè)應用中起主要影響的是電容容量。因此在火工品電源中往往選擇很多個容量略小的超級電容并聯(lián)。在并聯(lián)的過程中，由于各個電容的偏差是獨立不相關的，會相互抵消一部分，相當于減小了電容的相對偏差，因此在某些設計指標情況下可以使用無均衡方案。

2.4.2 串聯(lián)式電壓基準均衡方案

由于火工品電源的超級電容的充電電流較小，因此可以使用串聯(lián)式電壓基準實現(xiàn)較為簡單的均衡電路。串聯(lián)式電壓基準的特性與穩(wěn)壓二極管十分相似，在電壓超過閾值時開始導通，但相比一般穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓閾值準確度很高。例如可以選用2.5 V閾值的串聯(lián)式電壓基準芯片TL431，其在－40～85℃下電壓誤差為20 mV，并聯(lián)在超級電容兩端，其允許通過的電流為100 mA，可以滿足一般火工品電源的超級電容均衡的需求。

3 試驗驗證

3.1 試驗電路設計

試驗電路設計的目的是檢查超級電容模組的火工品電源的驅動能力。在試驗電路中，除了電容模組外，還設置了固態(tài)繼電器，可調(diào)節(jié)脈寬的單穩(wěn)態(tài)脈沖輸出電路。恒壓恒流充電電路比較成熟，本次試驗范圍未進行驗證，因此沒有設計恒流充電電路，而簡單使用穩(wěn)壓電源通過限流電阻向電容充電。以水泥電阻等效火工品作為負載，試驗電路不設置均衡電路。

根據(jù)上述要求，電容選用容量為3.3 F的超級電容。該超級電容單體標稱最大直流內(nèi)阻為0.18 Ω。按照所述設計方法，選用串聯(lián)數(shù)13、并聯(lián)數(shù)8的模組。任意一只電容發(fā)生短路或開路失效，電路仍能正常工作。按式(4)～式(5)估算該模組在不同放電電流下的壓降，如表2所示。超級電容總壓降在放電結束時刻達到，由于電容直流內(nèi)阻和電容有限容量造成壓降之和。在電路板布局時，電容按圓柱體最密堆積排列，以實現(xiàn)最小體積。

表2 電容模組壓降計算結果

試驗電路照片如圖2所示，照片左側是輸出電流20 A，設計同時驅動兩只某型號鈍感電火工品的功率電池，照片右側是超級電容式電池，為在相同驅動能力下對比電路體積，擺放了兩塊相同的電路，其中每塊試驗電路如前所述設計驅動一只電火工品。

圖2 試驗電路照片

3.2 試驗結果

使用水泥電阻作為負載電阻，以模擬火工品橋帶電阻、電纜電阻和火工品限流電阻串聯(lián)構成的總電阻。分別使用2.7和3.9 Ω的負載電阻進行兩次試驗。其中，3.9 Ω負載電阻對應的電壓波形見圖3，橫虛線為火工品電源空載電壓，脈沖下降沿之前的電壓抖動是由于單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器設計上未使用施密特觸發(fā)器消除閾值附近抖動造成的，不影響驗證超級電容貯能與放電能力。

圖3 3.9 Ω負載電阻對應的電壓波形

試驗電路如圖1所示。本文所使用固態(tài)繼電器為SSR-20DD，其額定輸出導通壓降約為0.5 V。為驗證串并聯(lián)設計方法的正確性，表3將實測波形的特征量與理論估算結果進行對比。在放電過程中，負載電流會隨電容兩端電壓下降而減小。在表3中取放電起始和結束時刻的電流平均值作為平均負載電流。

表3 試驗結果

放電起始時刻即脈沖上升沿。距脈沖前沿200 ms為放電結束時刻，將上述兩時刻電壓值記入表3。在放電起始時刻，電容兩端電壓尚未因電容有限容量而下降，因此該時刻輸出電壓降僅包含電容直流內(nèi)阻壓降。在放電結束時刻，負載壓降還包含了電容有限容量造成的壓降，即：

由式(6)可基于表3中試驗數(shù)據(jù)推論出與表2估算結果相對應的數(shù)據(jù)，可知二者較為接近。超級電容直流內(nèi)阻壓降試驗值比理論值偏小，而超級電容有限容量壓降的試驗值比理論值偏大，可能原因是器件手冊提供的超級電容直流內(nèi)阻是最大值，而電容量是典型值。

4 結論

超級電容功率密度比電池大，使用超級電容組成貯能式火工品電源，可以達到減輕質量的效果；同時沒有充放電次數(shù)限制，可以明顯改善測試性，消除發(fā)射前的電池造成的不可測項目。在設計火工品驅動電源時，應著重考慮其超級電容直流內(nèi)阻的影響。

本文僅提出了初步的設想，分析與試驗僅限于電性能。目前雖然已有貯存期達10年，并具有工業(yè)級工作溫度的超級電容產(chǎn)品，但要真正應用于航天產(chǎn)品，還需要繼續(xù)研究超級電容的存儲性、環(huán)境適應性等諸多特性，研究保證安全性的相關措施等。只有相關問題得到解決，超級電容才有可能真正成為航天運載器的火工品驅動電源。

[1]Vicus Technologies.Conformal ultracapacitor power source technology for the miniature kill vehicle[R].USA:ANSI，2004:8-98.

[2]ZHANG X，MI C C,MASRUR A，et al.Wavelet-transform-based power management of hybrid vehicles with multiple on-board energy sources including fuel cell，battery and ultracapacitor[J].Journal of Power Sources，2008，185:1533-1543.

[3]鄧歡歡.改進的串聯(lián)超級電容器組充電均壓方法的研究[J].電力電容器與無功補償，2010，31(2)：43-48.

[4]文東國，張逸成，梁海泉.一種快速低損耗超級電容均壓策略的研究[J].電力電子技術，2008，42(9)：65-67.

[5]李海冬，馮之鉞，齊智平.一種新穎的串聯(lián)超級電容器組的電壓均衡方法[J].電源技術，2006，30(6)：499-504.

Research of energy storage type power supply for driving aerospace electric initiating devices

An energy storage type power supply fabricated with super capacitors was proposed.Compared to the conventional power supplies which are composed of power battery cells， not only the weight is reduced， but also better testability is achieved by allowing tests to be repeatedly performed during different manufacturing phases. Based on the reliability demanded by launch vehicles，the series-parallel topology method and balance circuit were studied.The reliability and output volt-ampere were analyzed.The driving ability of high current was verified by experiment.

supercapacitor;electric initiating devices;power supply

TM 53

A

1002-087 X(2016)04-0792-04

2015-09-12

陳曦(1984—)，男，浙江省人，工程師，主要研究方向為電氣系統(tǒng)設計。