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        貯能式電源在航天火工品驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究

        2016-03-11 08:32:19張洪源曹雷團(tuán)付繼偉
        電源技術(shù) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:火工品內(nèi)阻電容

        陳 曦, 張洪源, 劉 偉, 曹雷團(tuán), 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(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究

        陳 曦, 張洪源, 劉 偉, 曹雷團(tuán), 付繼偉

        (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京100076)

        相對(duì)于傳統(tǒng)的功率電池式火工品電源質(zhì)量大、測(cè)試性差的特點(diǎn),提出了一種使用超級(jí)電容的貯能式火工品電源,不僅可大幅減輕質(zhì)量,而且在系統(tǒng)研制各階段都可進(jìn)行測(cè)試。基于航天運(yùn)載器可靠性要求高的特點(diǎn),研究了超級(jí)電容貯能式電源的串并聯(lián)設(shè)計(jì)方法和均衡方案,并分析了其可靠性和輸出伏安特性,通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)了其大電流驅(qū)動(dòng)能力。

        超級(jí)電容;火工品;電源

        在航天運(yùn)載器飛行過(guò)程中,需要通過(guò)火工品電源引爆火工品,以在規(guī)定的時(shí)間完成火箭點(diǎn)火、級(jí)間分離等飛行動(dòng)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(qū)動(dòng)電流。為了提供足夠大驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(zhì)量大,同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩只鈍感電火工品的功率電池質(zhì)量一般約為3~5 kg。其次,測(cè)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(huì)隨充電次數(shù)增加而下降,因此,在產(chǎn)品測(cè)試中無(wú)法使用配套的功率電池進(jìn)行供電,而只能使用穩(wěn)壓電源進(jìn)行模擬,從而增加不可測(cè)試項(xiàng)目。

        文獻(xiàn)[1]將超級(jí)電容引入地面無(wú)人戰(zhàn)斗車的設(shè)計(jì),盡管文中未詳細(xì)論述超級(jí)電容的具體應(yīng)用,但該報(bào)道表明其功率密度大的特點(diǎn)已經(jīng)在軍用裝備設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。本文提出了一種貯能式火工品電源,使用超級(jí)電容貯存電能,可以實(shí)現(xiàn)大幅減輕質(zhì)量,提高測(cè)試性的目的。

        1 貯能元件特性分析

        普通電容、超級(jí)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(jí)電容作為貯能元件驅(qū)動(dòng)火工品有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)超級(jí)電容功率密度比電池大,火工品驅(qū)動(dòng)能力的最重要指標(biāo)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(guò)500 W/kg,而超級(jí)電容的比功率高達(dá)1~10 kW/kg,因此超級(jí)電容對(duì)于短時(shí)間輸出大電流的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì),更適合驅(qū)動(dòng)火工品;(2)測(cè)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(huì)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(jìn)入發(fā)射任務(wù)之前完成測(cè)試,相比之下,超級(jí)電容理論上沒(méi)有充放電次數(shù)的限制,因此可以在各階段系統(tǒng)測(cè)試中反復(fù)使用,因此使用超級(jí)電容做火工品驅(qū)動(dòng)電源可以大大提高測(cè)試性。

        2 設(shè)計(jì)方案

        單體超級(jí)電容的電壓和電流都比較有限,因此在實(shí)際使用中,需要在合理選擇超級(jí)電容的基礎(chǔ)上,通過(guò)串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的電壓、驅(qū)動(dòng)電流及可靠性。由超級(jí)電容組成的火工品電源電路示意圖如圖1所示。航天運(yùn)載器火工品電源的充電時(shí)間可以選擇在發(fā)射前,因?yàn)槌?jí)電容的自放電時(shí)間相對(duì)于飛行時(shí)間來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)。

        圖1 貯能式火工品電源示意圖

        2.1 電路的設(shè)計(jì)輸入

        在設(shè)計(jì)火工品電源之前,需要明確電路的設(shè)計(jì)輸入:火工品電源空載電壓,一般由系統(tǒng)電源母線的設(shè)計(jì)慣例決定;額定輸出電流,為本火工品電源需要在同一時(shí)刻驅(qū)動(dòng)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(shí)刻驅(qū)動(dòng)的火工品數(shù)量與額定發(fā)火電流與持續(xù)時(shí)間的乘積累加;火工品電源最大負(fù)載壓降Δ,在火工品電源驅(qū)動(dòng)火工品時(shí),由于電源直流內(nèi)阻和有限電容量,電壓會(huì)有所下降,所允許的最大負(fù)載壓降Δ可由式(1)初步確定,也可由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。

        2.2 串并聯(lián)設(shè)計(jì)

        超級(jí)電容單體容量一般不超過(guò)3.0 V,需要通過(guò)串并聯(lián)組成超級(jí)電容模組,以實(shí)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(duì)可靠性的要求不盡相同,本文基于技術(shù)研究的目的,可靠性暫按消除單點(diǎn)失效進(jìn)行設(shè)計(jì),即任一電容發(fā)生短路或開(kāi)路故障,都不應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。因此在串并聯(lián)設(shè)計(jì)中,本技術(shù)方案使用約束為:電流輸出能力約束;考慮單個(gè)電容失效的電容組耐壓約束。

        (1)電容組需在單個(gè)電容開(kāi)路失效的情況下不被擊穿,應(yīng)滿足:

        (2)電容組需在單個(gè)電容路短路失效的情況下不被擊穿,應(yīng)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(jí)電容的選型

        鈍感火工品所需的驅(qū)動(dòng)電流較大。超級(jí)電容的驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容在放電時(shí)兩端電壓由于貯存電能的減少而下降;而直流內(nèi)阻也會(huì)導(dǎo)致放電時(shí)一部分電壓損失在超級(jí)電容直流內(nèi)阻上。按照目前超級(jí)電容的參數(shù),在這兩個(gè)因素中,后者是主要的。因此超級(jí)電容應(yīng)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(shè)超級(jí)電容直流內(nèi)阻為,超級(jí)電容直徑為。則應(yīng)選擇最小的電容。一般來(lái)說(shuō),較符合上述條件的電容容量約為1~10 F。

        2.4 超級(jí)電容的均衡

        電容容量在標(biāo)準(zhǔn)容量上下具有一定偏差,這一偏差會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電容模組中各個(gè)電容兩端電壓存在差別,這一差別會(huì)降低系統(tǒng)裕量和可靠性,如果差別過(guò)大,甚至可能導(dǎo)致電容擊穿。均衡技術(shù)是指消除電容兩端電壓差別的手段,常見(jiàn)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(jiǎn)單但會(huì)消耗一定功率,航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊難以采用,其它兩種方案也會(huì)增加均衡電路的復(fù)雜性。航天運(yùn)載器對(duì)質(zhì)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(yùn)載器火工品驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)的簡(jiǎn)易均衡方案,也是超級(jí)電容電火工品電源設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。

        2.4.1 無(wú)均衡方案

        超級(jí)電容對(duì)電火工品電源性能起主要影響的指標(biāo)是直流內(nèi)阻。而汽車能量回收、風(fēng)力發(fā)電貯能等一般工業(yè)應(yīng)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(gè)容量略小的超級(jí)電容并聯(lián)。在并聯(lián)的過(guò)程中,由于各個(gè)電容的偏差是獨(dú)立不相關(guān)的,會(huì)相互抵消一部分,相當(dāng)于減小了電容的相對(duì)偏差,因此在某些設(shè)計(jì)指標(biāo)情況下可以使用無(wú)均衡方案。

        2.4.2 串聯(lián)式電壓基準(zhǔn)均衡方案

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

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的目的是檢查超級(jí)電容模組的火工品電源的驅(qū)動(dòng)能力。在試驗(yàn)電路中,除了電容模組外,還設(shè)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(yàn)范圍未進(jìn)行驗(yàn)證,因此沒(méi)有設(shè)計(jì)恒流充電電路,而簡(jiǎn)單使用穩(wěn)壓電源通過(guò)限流電阻向電容充電。以水泥電阻等效火工品作為負(fù)載,試驗(yàn)電路不設(shè)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(jí)電容。該超級(jí)電容單體標(biāo)稱最大直流內(nèi)阻為0.18 Ω。按照所述設(shè)計(jì)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(kāi)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(jí)電容總壓降在放電結(jié)束時(shí)刻達(dá)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(shí),電容按圓柱體最密堆積排列,以實(shí)現(xiàn)最小體積。

        表2 電容模組壓降計(jì)算結(jié)果

        試驗(yàn)電路照片如圖2所示,照片左側(cè)是輸出電流20 A,設(shè)計(jì)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩只某型號(hào)鈍感電火工品的功率電池,照片右側(cè)是超級(jí)電容式電池,為在相同驅(qū)動(dòng)能力下對(duì)比電路體積,擺放了兩塊相同的電路,其中每塊試驗(yàn)電路如前所述設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)一只電火工品。

        圖2 試驗(yàn)電路照片

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        使用水泥電阻作為負(fù)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(gòu)成的總電阻。分別使用2.7和3.9 Ω的負(fù)載電阻進(jìn)行兩次試驗(yàn)。其中,3.9 Ω負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的電壓波形見(jiàn)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(dòng)是由于單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)上未使用施密特觸發(fā)器消除閾值附近抖動(dòng)造成的,不影響驗(yàn)證超級(jí)電容貯能與放電能力。

        圖3 3.9 Ω負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的電壓波形

        試驗(yàn)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(dǎo)通壓降約為0.5 V。為驗(yàn)證串并聯(lián)設(shè)計(jì)方法的正確性,表3將實(shí)測(cè)波形的特征量與理論估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在放電過(guò)程中,負(fù)載電流會(huì)隨電容兩端電壓下降而減小。在表3中取放電起始和結(jié)束時(shí)刻的電流平均值作為平均負(fù)載電流。

        表3 試驗(yàn)結(jié)果

        放電起始時(shí)刻即脈沖上升沿。距脈沖前沿200 ms為放電結(jié)束時(shí)刻,將上述兩時(shí)刻電壓值記入表3。在放電起始時(shí)刻,電容兩端電壓尚未因電容有限容量而下降,因此該時(shí)刻輸出電壓降僅包含電容直流內(nèi)阻壓降。在放電結(jié)束時(shí)刻,負(fù)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(yàn)數(shù)據(jù)推論出與表2估算結(jié)果相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),可知二者較為接近。超級(jí)電容直流內(nèi)阻壓降試驗(yàn)值比理論值偏小,而超級(jí)電容有限容量壓降的試驗(yàn)值比理論值偏大,可能原因是器件手冊(cè)提供的超級(jí)電容直流內(nèi)阻是最大值,而電容量是典型值。

        4 結(jié)論

        超級(jí)電容功率密度比電池大,使用超級(jí)電容組成貯能式火工品電源,可以達(dá)到減輕質(zhì)量的效果;同時(shí)沒(méi)有充放電次數(shù)限制,可以明顯改善測(cè)試性,消除發(fā)射前的電池造成的不可測(cè)項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)火工品驅(qū)動(dòng)電源時(shí),應(yīng)著重考慮其超級(jí)電容直流內(nèi)阻的影響。

        本文僅提出了初步的設(shè)想,分析與試驗(yàn)僅限于電性能。目前雖然已有貯存期達(dá)10年,并具有工業(yè)級(jí)工作溫度的超級(jí)電容產(chǎn)品,但要真正應(yīng)用于航天產(chǎn)品,還需要繼續(xù)研究超級(jí)電容的存儲(chǔ)性、環(huán)境適應(yīng)性等諸多特性,研究保證安全性的相關(guān)措施等。只有相關(guān)問(wèn)題得到解決,超級(jí)電容才有可能真正成為航天運(yùn)載器的火工品驅(qū)動(dòng)電源。

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

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        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?yàn)殡姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

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