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        超級(jí)電容器在航空蓄電池起動(dòng)車上的應(yīng)用研究

        2015-08-01 14:49:57楊學(xué)光
        電源技術(shù) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:超級(jí)電容器航空

        孔 華,康 凱,張 光,楊學(xué)光

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

        超級(jí)電容器在航空蓄電池起動(dòng)車上的應(yīng)用研究

        孔 華1,康 凱2,張 光1,楊學(xué)光1

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

        航空蓄電池起動(dòng)車采用分級(jí)起動(dòng)方式起動(dòng)飛機(jī),在此過程中會(huì)產(chǎn)生幾次大的峰值電流,這不僅會(huì)使蓄電池在瞬時(shí)大功率輸出上難以滿足起動(dòng)要求,還會(huì)對(duì)起動(dòng)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(jí)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(shí)保證飛機(jī)起動(dòng)成功率,延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞:航空;復(fù)合電源;超級(jí)電容器

        1 問題的提出

        飛機(jī)起動(dòng)即飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng),是指用外力矩將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)加速到“自持轉(zhuǎn)速”的過程。為使電機(jī)能柔和地、無撞擊地帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),并逐步增大轉(zhuǎn)矩,使發(fā)動(dòng)機(jī)逐步加速,目前各類小型飛機(jī)大都采用分級(jí)起動(dòng)方式,在整個(gè)起動(dòng)過程當(dāng)中,起動(dòng)電流會(huì)有三次比較明顯的階躍。而起動(dòng)飛機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的大電流激變不僅會(huì)使蓄電池在瞬時(shí)大功率輸出上難以滿足啟動(dòng)要求,還會(huì)因大電流對(duì)起動(dòng)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(dòng)要求,同時(shí)又能有效延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

        1.1 飛機(jī)地面起動(dòng)簡(jiǎn)介

        以某型飛機(jī)地面起動(dòng)為例,分析在起動(dòng)過程中所需起動(dòng)電流的大小和地面電源的工作情況。

        第一級(jí)起動(dòng):飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng);第二級(jí)起動(dòng):增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增大;第三級(jí)起動(dòng):升壓;第四級(jí)起動(dòng):完成起動(dòng)。

        該型機(jī)四級(jí)起動(dòng)的時(shí)間順序不會(huì)改變,其起動(dòng)電流和起動(dòng)電機(jī)端電壓的變化規(guī)律如圖1所示。

        圖1 某型飛機(jī)地面起動(dòng)電流、電壓曲線

        1.2 超級(jí)電容器[1]

        超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)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(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)。在每個(gè)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(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)

        超級(jí)電容器和靜電電容器及電池的優(yōu)勢(shì)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(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。

        表1 超級(jí)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(jí)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(jí)電容器都能以滿電流方式放電。

        (3)循環(huán)壽命長(zhǎng),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(shí)際可達(dá)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(dá)到0.99以上。

        由于超級(jí)電容器所具有的上述特點(diǎn),使得其在能量/功率單元中得到了廣泛的應(yīng)用。超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)可應(yīng)用于各種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電啟動(dòng)系統(tǒng),能有效保護(hù)蓄電池,延長(zhǎng)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??煽繂?dòng)。

        1.3 某型航空蓄電池起動(dòng)車

        某型航空蓄電池起動(dòng)車是新型交直流綜合型航空蓄電池起動(dòng)車。該起動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)車原理框圖

        2 超級(jí)電容器在某型起動(dòng)車上的應(yīng)用研究

        飛機(jī)起動(dòng)對(duì)航空地面電源的性能提出了很高的要求,而超級(jí)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(jí)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(jí)電容對(duì)某型起動(dòng)車的改造等幾方面進(jìn)行了介紹。

        2.1 超級(jí)電容器在某型起動(dòng)車上應(yīng)用的可行性分析

        經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(jí)電容器,下同)在不同電流放電的測(cè)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(jí)電容器在大電流放電時(shí)的特性[2]。由圖4和表2可以看出,與蓄電池相比,超級(jí)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(jī)的大電流起動(dòng),所以,超級(jí)電容器應(yīng)用在飛機(jī)的地面電源上是完全可行的。

        圖4 電容器不同電流放電測(cè)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(shì)

        盡管超級(jí)電容器有著如此眾多的優(yōu)點(diǎn),過低的比能量卻是超級(jí)電容器單獨(dú)成為能量源的致命障礙。單選蓄電池和超級(jí)電容器任何一種能量源,都不能同時(shí)滿足高比能量和高比功率的要求,因此,把超級(jí)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(jí)電容器與蓄電池結(jié)合的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)對(duì)能量和功率要求的分離,蓄電池設(shè)計(jì)可以集中于對(duì)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(jí)電容器的負(fù)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(diǎn),比如,蓄電池的技術(shù)成熟、成本低廉;超級(jí)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(jí)電容可以迅速高效實(shí)施再充電,所以縮短了準(zhǔn)備時(shí)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(gè)起動(dòng)過程當(dāng)中,起動(dòng)電流會(huì)有三次比較明顯的階躍,這對(duì)蓄電池的電極板會(huì)有較大的沖擊,嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命,而超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)后,超級(jí)電容器具有的充放電速度快、可大電流充放電的特點(diǎn)就避免了大電流對(duì)蓄電池極板的沖擊。下面用幾個(gè)簡(jiǎn)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(jí)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(jí)電容器的工作狀態(tài)。蓄電池和超級(jí)電容器通過供電控制系統(tǒng)以不同的工作方式對(duì)飛機(jī)供電。

        圖5 復(fù)合電源供電原理框圖

        2.4 超級(jí)電容器對(duì)某型起動(dòng)車的改造

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

        圖6 某型起動(dòng)車改進(jìn)后原理框圖

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

        3 總結(jié)

        本文主要介紹了超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn),并利用超級(jí)電容器對(duì)航空蓄電池起動(dòng)車進(jìn)行改造。即在原某型起動(dòng)車中加裝超級(jí)電容器來提供起動(dòng)飛機(jī)過程中所需的幾次大的峰值電流,從而達(dá)到保證飛機(jī)起動(dòng)成功率,減少大電流對(duì)蓄電池極板的沖擊以延長(zhǎng)其使用壽命的目的。超級(jí)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(gè)廣闊的平臺(tái),利用超級(jí)電容器對(duì)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(jí)離子電容器的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2002.

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

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        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?yàn)楹娇昭b備技術(shù)。

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