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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計與驗(yàn)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(diǎn),設(shè)計出了一套在軌實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并完成了在軌驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功地完成了超級電容器組的在軌實(shí)驗(yàn),超級電容器組各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定,狀態(tài)良好。超級電容的成功在軌實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn);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(qiáng)大脈沖功率的電源。它與常規(guī)電容器不同,其容量可達(dá)數(shù)萬法拉,突出優(yōu)點(diǎn)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(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將完成搭載實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為霍爾電推進(jìn)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(jìn)供電,提高了42 V母線及電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過在軌的實(shí)驗(yàn)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(shí)際空間環(huán)境下工作特性良好。
1.1 系統(tǒng)方案
根據(jù)電推進(jìn)短期峰值功耗大的特點(diǎn),某衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用高、低壓雙母線獨(dú)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(jìn)和霍爾電推進(jìn)使用。超級電容器作為一套獨(dú)立的電源系統(tǒng),在需要時為霍爾電推進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖
1.2 超級電容實(shí)驗(yàn)方案
1.2.1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行隔離,只有當(dāng)總開關(guān)閉合時,超級電容器組件才能進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)要求,超級電容器組在需要時為霍爾電推進(jìn)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(jìn)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(jī),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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dú)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(jìn)行均流調(diào)節(jié),使每個模塊的電流分配達(dá)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)系統(tǒng)供電,工作10 min后,需要給電容器組充電。
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(shí)驗(yàn)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(yàn)證了超級電容單體設(shè)計和生產(chǎn)工藝的可靠性,在實(shí)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
本文針對超級電容器組瞬時大功率放電的特點(diǎn),設(shè)計出了一套在軌實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并完成了在軌驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功完成了超級電容器組的在軌實(shí)驗(yàn),超級電容器組各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定,狀態(tài)良好。
該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功,標(biāo)志著我國首例空間用超級電容器飛行實(shí)驗(yàn)的成功。該成果可以作為電推進(jìn)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(jìn)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(yàn)與建模研究[J].車用發(fā)動機(jī),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?yàn)樾l(wèi)星電源系統(tǒng)。