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

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?yàn)殡姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)。