超級電容在無人機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

胡中華，榮海春，吳有恒，許 昕

（中國電子科技集團(tuán)公司 第38所研究所，合肥 230088）

超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達(dá)幾百至上千法拉。與傳統(tǒng)電容器相比，它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；與蓄電池相比，它又具有較高的比功率，且對環(huán)境無污染?？梢哉f，超級電容器是一種高效、實用、環(huán)保的能量存儲裝置，可以滿足很多領(lǐng)域的需求。

在無人機(jī)的電氣領(lǐng)域，對超級電容也有其使用需求。無人機(jī)系統(tǒng)電源主要由二次電池和發(fā)電機(jī)兩部分組成，負(fù)責(zé)對無人機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)、飛控等各子系統(tǒng)供電。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)在啟動瞬間往往存在較大沖擊，如果按照瞬態(tài)沖擊功率設(shè)計發(fā)電機(jī)額定功率，勢必增加整機(jī)的重量、體積和成本，一般情況下發(fā)動機(jī)額定功率按照正常穩(wěn)態(tài)飛行的功率進(jìn)行設(shè)計。為防止因功率不足而影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，就必須保證足夠的功率，考慮到瞬態(tài)沖擊時間較短，大部分時間功率較低，功率有富余，而僅僅是尖峰負(fù)荷下功率不足，如果選擇合適的超級電容，就可以彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)輸出功率的短時不足——當(dāng)瞬態(tài)功率不足時，由超級電容提供不足的功率；當(dāng)功率富余時，發(fā)電機(jī)經(jīng)DC/DC給超級電容器充電[1]。

此外，機(jī)載電氣系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)作為主電源，其輸出功率隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，具有不穩(wěn)定性、不連續(xù)性，使用超級電容器就能夠優(yōu)化機(jī)載電源運行，提高電網(wǎng)電能品質(zhì)。在此，將超級電容應(yīng)用到無人機(jī)電氣系統(tǒng)中，研究其特性，為其未來應(yīng)用提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

1 超級電容器的原理

超級電容器又稱超大容量電容器、儲能電容、法拉電容，是靠極化電解液來儲存電能的新型電化學(xué)裝置。超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，屬于雙電層電容器，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一款。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)外加電壓加到超級電容器的2個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，正電荷與負(fù)電荷分布在相反的2個接觸面上，該電荷分布層叫做雙電層。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常約為2.7 V）。隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少，其充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)[2]。

極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集的電容量C為

圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of supercapacitor

式中：ε為電解質(zhì)的介電常數(shù)；δ為由電極界面到離子中心的距離；S為電極界面的表面面積。

由圖可見，使用多孔性的活性炭作為電極，在電解液中吸附電荷的表面積極大，因而將具有極大的電容量，并可以存儲很大的靜電能量，這一特性介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。與二次電池相比，盡管其能量密度較低，但功率密度很大，可用在需要大電流放電等能量有余而功率不足之處[3]。

2 電池性能的對比

電池、超級電容和傳統(tǒng)電容都能儲存電能，但是它們儲存電能的原理不同。目前航空上使用的幾種主要的儲能電池類型為蓄電池、超級電容器等，燃料電池的應(yīng)用尚處于研究階段，一般結(jié)合太陽能作為整個能源系統(tǒng)。蓄電池又包括鉛酸電池、鎳鎘電池（空客A350）、鋰電池（波音787）等。其中鉛酸電池、鎳氫電池在航空上應(yīng)用很廣，鋰離子電池也得到極大發(fā)展，盡管波音787出現(xiàn)過冒煙事故，但相關(guān)技術(shù)問題已經(jīng)得到解決。部分電池性能指標(biāo)見表1[4]。

表1 常用電動車電池參數(shù)和優(yōu)缺點Tab.1 Comparison of parameters and characteristics of commonly used electric vehicle batteries

由表可知，超級電容器在比能量和比功率這2個性能參數(shù)上位于電池和傳統(tǒng)電容之間，循環(huán)壽命和充放電效率均遠(yuǎn)高于電池，而且使用壽命通常都超過設(shè)備的壽命。具體特點歸納如下：

1）功率密度高。超級電容器的內(nèi)阻很小，且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)部均能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的快速貯存和釋放，因此其輸出功率密度高達(dá)18 kW/kg，是任何一種化學(xué)電源所無法比擬的，為一般技術(shù)蓄電池的數(shù)十倍。

2）充電速度快。超級電容器無化學(xué)反應(yīng)，可以直接貯存電力，充電所需時間非常短，最短幾十秒，最長充電不過十幾分鐘，便可充至其額定容量的95%以上，遠(yuǎn)快于蓄電池的充電[5]。

3）使用/貯存壽命長。超級電容器在充放電過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而其深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)（1～50）萬次，沒有“記憶效應(yīng)”，使用壽命遠(yuǎn)比蓄電池的充放電循環(huán)壽命長，是鋰電池的500倍，是鎳氫電池（Ni-MH）和鎳鎘電池的1000倍，基本上不需要更換。而且超級電容器充電后，由于沒有化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，所用電極材料在相應(yīng)的電解液中也是穩(wěn)定的，因此超級電容器的貯存壽命幾乎可以認(rèn)為是無限的。

4）綠色環(huán)保產(chǎn)品。超級電容器的原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

5）溫度范圍寬。超級電容可以在-40～70℃溫度范圍內(nèi)工作，性能優(yōu)于蓄電池。一般蓄電池電池工作溫度為0～40℃；一般鋰電池在-20℃時即使以0.5C放電率進(jìn)行放電，也僅能釋放約70%電能。

6）可靠性高。超級電容器工作過程中沒有運動部件，維護(hù)工作少，因此其可靠性非常高。

超級電容器的用途非常廣泛，既可以應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，又可以應(yīng)用于太陽能能源發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、新能源汽車、工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)等領(lǐng)域[6-7]。

3 超級電容在機(jī)載供電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

3.1 短時緊急供電

當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障空中停車時，需要再啟動，主電源短時間沒有電能輸出，可以考慮將超級電容器作為緊急電能供應(yīng)，待其降壓至應(yīng)急電池電壓時，由應(yīng)急電池做長期電能供應(yīng)。如果發(fā)電機(jī)很快恢復(fù)供電，則不需要應(yīng)急電池供電，可有效保護(hù)應(yīng)急電池，防止應(yīng)急電池大倍率放電，提高應(yīng)急電池的壽命，并彌補(bǔ)瞬時（毫秒級）功率不足。因此超級電容儲能主要用于彌補(bǔ)功率缺額。

由公式W=Pt可知，要長時間地輸出穩(wěn)定的電能，就要求儲能系統(tǒng)儲存足夠的能量。然而，目前建造超大容量的儲能系統(tǒng)成本過高，重量重，不宜采用超級電容器作為長時間供電的主電源，實際使用中僅作為短時供電電源及功率補(bǔ)償電源。

3.2 機(jī)載電氣系統(tǒng)運行質(zhì)量優(yōu)化

無人機(jī)機(jī)載電氣系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、蓄電池、超級電容器及控制裝置結(jié)合，形成一個單一可控的獨立供電系統(tǒng)。采用電力電子技術(shù)，將發(fā)電機(jī)輸出交流電經(jīng)調(diào)壓盒后和超級電容器并在一起，直接接在配電盒輸入端。在地面維護(hù)及校準(zhǔn)時，機(jī)載電網(wǎng)可與地面電網(wǎng)并網(wǎng)運行或獨立運行，當(dāng)?shù)孛骐娋W(wǎng)故障時，機(jī)載電網(wǎng)與其解列（切斷）并保持自身的正常運行。機(jī)載供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 機(jī)載供電系統(tǒng)Fig.2 Airborne power supply system

機(jī)載電氣系統(tǒng)必須滿足機(jī)載用電設(shè)備的特定功率需求，提供穩(wěn)定可靠的電源品質(zhì)。但機(jī)載電氣系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)作為主電源，其輸出功率隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而有所變化，存在一定的不穩(wěn)定性、不連續(xù)性，電能輸出易發(fā)生變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無法滿足機(jī)載電網(wǎng)峰值電能的需求。而超級電容器功率密度大，能量密度較高，可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到機(jī)載電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，是處理尖峰負(fù)荷的最佳選擇，采用該儲能裝置在短時間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少，而且采用電容只需存儲與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰?，即僅需彌補(bǔ)功率不足的部分。

4 機(jī)載供電系統(tǒng)超級電容儲能容量選擇

假定，機(jī)載用電存在尖峰負(fù)荷1000 W，尖峰寬度即保持時間t=60 ms，電路中正常工作DC電壓Uw=30V，要求器件工作的DC最小電壓Umin＞27V，負(fù)載電流I=1000/30 A，計算超級電容的標(biāo)稱容量C（F）。

超級電容儲能容量的選擇需根據(jù)實際應(yīng)用需求計算確定，具體計算可根據(jù)以下2種方式：

（1）不考慮壓降情況下理論計算所需最小電容量

在此不考慮等效串聯(lián)電阻導(dǎo)致壓降的影響。保持期間所需能量為

根據(jù)能量守恒定律，Wb=We，可推導(dǎo)出超級電容容量的近似計算公式，超級電容器容量為

由此計算出超級電容的標(biāo)稱容量C≮0.7 F。

超級電容器單體DC額定電壓為2.7 V，超級電容器組DC額定電壓＞32 V，則超級電容器組串聯(lián)單體數(shù)為12，超級電容組電容量為0.7 F，單體超級電容量＞8.42 F。結(jié)果選擇12只10 F 2.7 V的單體電容串聯(lián)。

（2）考慮壓降的電容容量計算

實際單體電容均存在內(nèi)阻，以KORCHIP公司生產(chǎn)額定電壓2.7 V單體電容統(tǒng)計，其電容量與內(nèi)阻的關(guān)系見表2。

表2 電容量與內(nèi)阻的關(guān)系Tab.2 Rrelationship between capacitance and internal resistance

由表2可知，12只10 F單體電容串聯(lián)后DC理論壓降達(dá)24 V，顯然不符合設(shè)計要求。可以考慮選擇壓降3 V以內(nèi)的單體電容，表2中電壓降Ud=2.8 V，實際DC電壓29.8 V，此時釋放電能WΔe=110 J，而實際所需電能Wb=60 J，因此能夠滿足DC最小電壓Umin＞27 V時WΔe=Wb的輸出要求。故選擇 12只220 F單體電容串聯(lián)構(gòu)成電容器組。

5 實際應(yīng)用

為測試無人機(jī)機(jī)載發(fā)電機(jī)主電源在增加超級電容前后的電氣品質(zhì)，尤其是改善紋波的能力，特別進(jìn)行了該項實際應(yīng)用測試。

測試選定某型機(jī)載航空發(fā)電機(jī)，額定功率約300 A。按照負(fù)載的不同及電源的不同，分別進(jìn)行不同狀態(tài)下的紋波測試試驗，負(fù)載分別為采用電子負(fù)載和純阻負(fù)載，電源分別為有電容、無電容，共4種情況，電流設(shè)置為250 A。具體的測試項目及測試結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 不同狀態(tài)下電氣紋波實測數(shù)據(jù)Tab.3 Electrical ripple measured data in different states

圖3 測試結(jié)果Fig.3 Test results

該型發(fā)電機(jī)經(jīng)過不同情況下的紋波測試，結(jié)果表明：純阻負(fù)載情況下的帶載紋波較電子負(fù)載??；帶超級電容的帶載紋波較不帶超級電容情況下有顯著改善。超級電容器模組在解決因電子負(fù)載造成的紋波較大的問題時起決定性作用。具體為：

1）純阻負(fù)載情況下，不帶電池且不帶超級電容，紋波最大為5.3 V，而在同狀態(tài)下帶超級電容時紋波僅為2.8 V。

2）在帶電子負(fù)載情況下，不帶電池且不帶超級電容器模組，在250 A載荷狀態(tài)下紋波為34 V，而在同狀態(tài)下帶超級電容器模組時紋波僅為4.1 V。在不帶超級電容，發(fā)電機(jī)電源品質(zhì)嚴(yán)重下降，無法正常工作。

綜上所述，超級電容可以滿足發(fā)電機(jī)主電源額定功率狀態(tài)下電子負(fù)載的電源品質(zhì)需求

6 結(jié)語

針對無人機(jī)機(jī)載電氣系統(tǒng)主電源存在一定的不穩(wěn)定性、不連續(xù)性，電能輸出容易發(fā)生變化的問題及機(jī)載設(shè)備功率具有尖峰負(fù)荷要求，結(jié)合超級電容器功率密度大，可快速吸收，釋放大功率電能的特性，提出了基于超級電容的機(jī)載供電設(shè)計方案；研究了超級電容在機(jī)載供電系統(tǒng)中的儲能容量配比計算中需要注意的問題，并給出了具體的計算實例，通過研制超級電容模組實物，對某型發(fā)電機(jī)機(jī)載主電源進(jìn)行了帶載測試。結(jié)果表明超級電容器的應(yīng)用顯著改善了電源品質(zhì)，滿足使用需求。