李 超 魯軍勇 馬偉明 江漢紅 龍?chǎng)瘟?/p>

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

電磁發(fā)射用多級(jí)混合儲(chǔ)能充電策略優(yōu)化

李 超 魯軍勇 馬偉明 江漢紅 龍?chǎng)瘟?/p>

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

時(shí)序串聯(lián)充電策略用多組蓄電池并聯(lián)來(lái)滿足功率需求，過(guò)高的并聯(lián)數(shù)使系統(tǒng)體積、重量過(guò)于龐大不利于工程化。本文在普通時(shí)序串聯(lián)電容充電方法基礎(chǔ)上，提出一種快速充電優(yōu)化方案，能夠在保證充電速度的前提下降低并聯(lián)數(shù)。首先并聯(lián)電池組對(duì)電容充電，之后通過(guò)切換電路結(jié)構(gòu)，將電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串聯(lián)繼續(xù)充電，同時(shí)改變電路限流電感值保證電池處于極限工況。仿真結(jié)果表明，普通時(shí)序串聯(lián)法與優(yōu)化方法都可在3s內(nèi)將600mF電容器充滿，但優(yōu)化方案將蓄電池并聯(lián)數(shù)減少1/3，極大降低了系統(tǒng)成本、體積與重量。搭建充電策略優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致。驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性，為混合儲(chǔ)能更好地應(yīng)用于大功率電磁發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。

混合儲(chǔ)能 電磁發(fā)射 充電電源 充電策略 脈沖功率技術(shù)

0 引言

新型混合儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電容器的快速、可靠、安全充電，是軍用電磁發(fā)射中的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。與國(guó)內(nèi)普遍采用的、運(yùn)用于可再生能源的混合儲(chǔ)能不同[5-12]，海軍工程大學(xué)提出的新型混合儲(chǔ)能技術(shù)將蓄電池作為脈沖電容器的充電電源[13]。蓄電池在電網(wǎng)與脈沖電容之間起到功率、能量緩沖作用，可有效降低大功率連續(xù)電磁發(fā)射[14]對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)功率需求。在不使用時(shí)，以較低功率、較長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)電網(wǎng)存儲(chǔ)能量；需要時(shí)，向電容器放電，實(shí)現(xiàn)高功率、可重復(fù)能量輸出。蓄電池-電容器混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的特殊性[15]使其同時(shí)具備了高功率密度、高能量密度的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)這種新型儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，必須具備其特有的電容充電方式。由海軍工程大學(xué)提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證的蓄電池時(shí)序[16]串聯(lián)入網(wǎng)充電方式[17,18]，具有充電電流恒定、電容電壓線性升高、控制簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)勢(shì)，目前最適于混合儲(chǔ)能的能量流傳遞?；旌蟽?chǔ)能中電池輸出功率受其放電倍率限制，國(guó)內(nèi)鋰電池以10C～20C為極限，國(guó)際上已有放電能力是國(guó)內(nèi)數(shù)倍的鋰電池報(bào)道。受國(guó)內(nèi)電池性能影響，只能采用多組電池并聯(lián)同時(shí)輸出電流的方式來(lái)滿足與國(guó)外電池相同的輸出能力，但會(huì)使系統(tǒng)過(guò)于龐大。以上不足可通過(guò)兩種方式進(jìn)行改進(jìn)：①研發(fā)性能更好的電池；②對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充電策略與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文采用第二種方式，對(duì)時(shí)序串聯(lián)策略進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)電路結(jié)構(gòu)的變化，實(shí)現(xiàn)蓄電池先并聯(lián)后串聯(lián)對(duì)電容充電，在相同時(shí)間與能級(jí)要求下，降低了蓄電池并聯(lián)數(shù)量，有效減少了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積、重量與系統(tǒng)資金投入，為混合儲(chǔ)能更好地應(yīng)用于大功率連續(xù)電磁發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。

1 時(shí)序串聯(lián)充電策略原理

1.1 原理分析

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先由電網(wǎng)以較低功率緩慢對(duì)蓄電池充電，在需要時(shí)由電池以數(shù)十MW級(jí)功率對(duì)脈沖電容充電，脈沖電容最后通過(guò)脈沖成型網(wǎng)絡(luò)以GW功率輸出到負(fù)載。因蓄電池的蓄能作用，系統(tǒng)可短時(shí)間內(nèi)連續(xù)實(shí)現(xiàn)多次大功率電磁發(fā)射。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hybrid energy storage system structure

時(shí)序串聯(lián)能量流傳遞原理如圖2所示。圖2中，蓄電池系統(tǒng)為En=nE0，n表示由n組電池串聯(lián)入網(wǎng)，E0為單組電池電壓。電力電子開(kāi)關(guān)SC1～SC4用于控制電路導(dǎo)通與關(guān)斷，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)SF1～SFn-1用于開(kāi)通某一組電池放電。L為限流電感器，C為脈沖電容器，二極管VD用于續(xù)流，Rn為蓄電池系統(tǒng)內(nèi)阻，Rn=nRe，R0為電路等效內(nèi)阻。

圖2 時(shí)序串聯(lián)能量流傳遞原理Fig.2 Principle of series energy flow

時(shí)序串聯(lián)充電的具體過(guò)程：首先閉合SC1、SC3、SF1，1號(hào)蓄電池組串入回路對(duì)脈沖電容器C充電，此時(shí)為第1階段。t1時(shí)斷開(kāi)SF1，閉合SF2，電路進(jìn)入第2階段，蓄電池組2號(hào)與1號(hào)串聯(lián)，一起對(duì)脈沖電容C充電。依次類推，直到時(shí)間tn-1，電路進(jìn)入第n階段，斷開(kāi)SFn-1、SC3，閉合SC4，使n號(hào)電池組串聯(lián)入網(wǎng)，至此所有電池全部串聯(lián)對(duì)電容器充電。待電容器達(dá)到所需電壓時(shí)斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)，充電過(guò)程結(jié)束。若將各開(kāi)關(guān)動(dòng)作順序由上至下顛倒，圖2電路還可實(shí)現(xiàn)電池觸發(fā)順序變換，從而實(shí)現(xiàn)各電池組均衡放電。

圖3是采用圖2結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的蓄電池對(duì)脈沖電容器時(shí)序串聯(lián)充電電流波形。在tn時(shí)刻將第n組電池串聯(lián)入網(wǎng)，使電流在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似恒定，若觸發(fā)時(shí)刻過(guò)早或過(guò)晚都將使電流I(t)超出此范圍。只要電流接近于恒定，電容器電壓就可實(shí)現(xiàn)近似直線上升。

圖3 時(shí)序串聯(lián)充電方式電流曲線Fig.3 Current curve of orderly-serial charging mode

目前有C=600mF脈沖電容器需要在3s內(nèi)充至3 200V，以現(xiàn)有的30A·h/3.2V（10C）鋰電池進(jìn)行混合儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)，單體電池內(nèi)阻為1mΩ。初步方案為兩只電池并聯(lián)作為最小單元，100個(gè)單元串聯(lián)形成單個(gè)電池組（單組電壓E0=320V），共10組對(duì)電容器充電。蓄電池系統(tǒng)輸出最高電壓為E10=3 200V，最高電流為Imax=600A。若以峰值600A對(duì)電容器充電，電容計(jì)算式為

式中，u(t)為電容電壓；I(t)為充電電流；t為時(shí)間。仿真結(jié)果可知將電容器充至3 200V需要3.57s，采用兩組電池并聯(lián)的方式不能滿足時(shí)間要求。現(xiàn)采用三只電池并聯(lián)作為最小單元，100個(gè)單元串聯(lián)形成單個(gè)電池組，仍然為10組。蓄電池系統(tǒng)輸出最高電壓仍為3 200V，輸出最大電流為Imax=900A，仿真計(jì)算結(jié)果可知電池能在2.87s內(nèi)將電容器充滿。仿真分析蓄電池時(shí)序入網(wǎng)時(shí)間計(jì)算方法如下。

對(duì)照?qǐng)D2建立電路方程為

式中，Rn=n×33.3mΩ；R0=50mΩ；限流電感L=50mH。由各已知參數(shù)可知，滿足電路為欠阻尼，求解式（2）可得

其中

式中，I(0)、u(0)為當(dāng)前階段電路初始狀態(tài)。任一新階段的初始條件為上一階段（每串聯(lián)一組電池入網(wǎng)為一個(gè)新階段）最后時(shí)刻電流、電壓。第一組蓄電池串聯(lián)入網(wǎng)時(shí)，初始值已知為I1(0)=0、u1(0)=0。對(duì)式（4）求導(dǎo)得

只需通過(guò)式（10）求解電流峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值tmax，從而求解電流峰值Imax，并使蓄電池在串聯(lián)入網(wǎng)時(shí)電流峰值等于900A，即可計(jì)算出各電池組的入網(wǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

1.2 仿真分析

以式（4）、式（5）和式（10）為基礎(chǔ)，利用Matlab仿真計(jì)算采用3只電池并聯(lián)為最小單元時(shí)，10個(gè)電池組的入網(wǎng)時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 時(shí)序串聯(lián)入網(wǎng)時(shí)間Tab.1 Connect joint time of orderly-serial

將表1時(shí)序代入Simplorer仿真得到波形如圖4所示。由圖4可知，采用3只并聯(lián)電池作為最小單元，串聯(lián)后對(duì)電容器充電，當(dāng)限流電感值為50mH時(shí)蓄電池系統(tǒng)輸出電流峰值為870A，各單體電池輸出電流為290A，接近輸出極限。10組電池時(shí)序串聯(lián)入網(wǎng)，使得電流近似恒定，電容電壓呈線性升高。在2.55s時(shí)電容電壓達(dá)到3 203V，符合3s內(nèi)指標(biāo)要求。系統(tǒng)共使用電池?cái)?shù)量N=3 000只。采用同樣方法仿真2只電池并聯(lián)的情況，得到充電時(shí)間為3.57s。

圖4 時(shí)序串聯(lián)充電仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of orderly-serial charging

2 時(shí)序串聯(lián)充電策略優(yōu)化方案

2.1 原理分析

原方案與優(yōu)化方案對(duì)比如圖5所示。

圖5 原方案與優(yōu)化方案對(duì)比Fig.5 Comparison of the original and the optimization scheme

由圖5可知，原方案采用3只電池并聯(lián)為最小單元，100個(gè)單元串聯(lián)后為一組，共10組時(shí)序串聯(lián)入網(wǎng)對(duì)電容器充電，電池使用數(shù)量為3 000只。優(yōu)化方案采用2只電池并聯(lián)為最小單元，100個(gè)單元串聯(lián)后為一組，也采用10組電池。但充電時(shí)分為兩個(gè)階段：①首先以兩組并聯(lián)的形式同時(shí)入網(wǎng)，每?jī)山M為一個(gè)大組，則10組電池分為5個(gè)大組，以大組為單位時(shí)序串聯(lián)入網(wǎng)對(duì)電容器充電；②當(dāng)5個(gè)大組全部入網(wǎng)后，電路電流降為0時(shí)通過(guò)電路結(jié)構(gòu)變換將右側(cè)6～10號(hào)電池組從電路中切除，將6號(hào)電池組串聯(lián)到5號(hào)后端，重新采用單組串聯(lián)的方式時(shí)序入網(wǎng)對(duì)電容器充電。優(yōu)化方案階段①相當(dāng)于4只電池并聯(lián)，電池系統(tǒng)輸出最大電流可達(dá)到1 200A，從而彌補(bǔ)了在階段②只能輸出600A的不足。為使電路能夠達(dá)到電池系統(tǒng)輸出極限，原理由圖2變換為圖6。

由圖6a可知，在階段①蓄電池兩組并聯(lián)向電容器充電，兩條支路電壓為E1n=E2n=nE0（n=1～5），支路電阻R1n=R2n=50n(mΩ)。限流電感L3=100mH，支路限流電感L1=50mH、L2=50mH。開(kāi)關(guān)SF閉合，將限流電感L3從電路中移除。由于此電路為時(shí)不變線性電路，可通過(guò)等效原理建立電路方程，即

圖6 改進(jìn)方案原理示意圖Fig.6 Principle of amelioration scheme

此階段電路參數(shù)同樣滿足

采用與前述相同方法求解電路，得到此情況下電容器充電電流I(t)、電壓u(t)與電流峰值Imax，并通過(guò)Matlab仿真計(jì)算階段①各電池入網(wǎng)時(shí)序，見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化方案入網(wǎng)時(shí)間Tab.2 Connect joint time of amelioration scheme

觀察圖6b，進(jìn)入階段②后，將兩條支路電池轉(zhuǎn)換為串聯(lián)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SF使電感器L3重新接入電路。因此時(shí)1～5號(hào)電池已經(jīng)入網(wǎng)，將6～10號(hào)電池按時(shí)序接入，電源電壓E15+E2n=320V×5+E2n。電源等效電阻為R15+R2n=50mΩ×5+R2n。階段切換時(shí)，對(duì)電感器作如上調(diào)整的目的在于保證無(wú)論電路結(jié)構(gòu)如何切換，蓄電池輸出電流始終處于極限。同樣，進(jìn)行電路求解與Matlab仿真得到階段②后5組電池入網(wǎng)時(shí)間，見(jiàn)表2。

圖6為改進(jìn)方案原理示意圖，主要為描述方便，若要完成圖6中所示的結(jié)構(gòu)切換，需采用圖7所示優(yōu)化策略電路結(jié)構(gòu)。

圖7 優(yōu)化策略電路結(jié)構(gòu)Fig.7 The circuit configuration of amelioration scheme

圖7中只需閉合SC10、SC12，斷開(kāi)SC11、SC9即為圖6a，斷開(kāi)SC10、SC12，閉合SC11、SC9即為圖6b。

2.2 仿真分析

按照表2時(shí)序用Simplorer進(jìn)行仿真得到波形如圖8所示。表2中6、7號(hào)電池組觸發(fā)時(shí)序相同即同時(shí)觸發(fā)，其主要原因在于觸發(fā)單組電池時(shí)電流峰值遠(yuǎn)小于600A，電池并未處于極限輸出工況，這將延長(zhǎng)充電時(shí)間，降低系統(tǒng)輸出功率。所以，此時(shí)選擇兩組電池同時(shí)觸發(fā)來(lái)增加電池系統(tǒng)輸出電流。圖8a中，充電電流進(jìn)入階段②時(shí)，后5組電池充電，但電流只存在4個(gè)波峰。

圖8 優(yōu)化方案仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of amelioration scheme

觀察圖8，在階段①蓄電池系統(tǒng)輸出電流峰值為1 187A，各單體電池輸出峰值為296A。階段②電池系統(tǒng)輸出電流峰值為596A，各單體電池輸出電流峰值為298A。電池都處于極限放電狀態(tài)。電容器電壓在2.87s時(shí)達(dá)到3 201V，滿足3s內(nèi)指標(biāo)。可見(jiàn)，在相同的時(shí)間內(nèi)要求將電容器充滿，優(yōu)化方案使用電池?cái)?shù)量N=2 000只，比原方案蓄電池?cái)?shù)量減少了1/3。綜上分析，通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)切換與控制策略的優(yōu)化，可彌補(bǔ)電池放電能力的不足。

2.3 一般性分析

本節(jié)將在以上具體實(shí)例描述基礎(chǔ)上進(jìn)行一般性描述，進(jìn)一步說(shuō)明此優(yōu)化策略的優(yōu)勢(shì)。設(shè)電池組并聯(lián)數(shù)為m，單體電池的最大輸出電流為I0。因串聯(lián)時(shí)序充電方法實(shí)現(xiàn)了電容器的近似恒流充電，由式（1）可知電容器的充電速率為

是夜，就在我多次痛快淋漓地排泄之后，依舊不能熟睡。不過(guò)，我的狀態(tài)好多了，雖說(shuō)不能熟睡，畢竟是能睡了。盡管僅睡了一個(gè)多小時(shí)便被咳嗽震醒了。老婆嫌我吵，便睡眼朦朧地抱著枕頭跑去小屋了。也幸虧她去了小屋，不然，這一夜她又要失眠了。我咳罷又睡，睡罷再咳醒，一夜竟然如此折騰了四、五回。

此時(shí)，將電容器充到所需電壓的時(shí)間為

若采用優(yōu)化策略充電，則前0.5u(t)充電電流為2I0m，后0.5u(t)充電電流為I0m。此時(shí)電容器的充電時(shí)間為

可見(jiàn)，采用優(yōu)化策略后電容器充電效率提高了25%。在以上實(shí)例中，兩只電池并聯(lián)，達(dá)到所需電壓仿真時(shí)間為3.57s，而采用優(yōu)化策略后的時(shí)間為2.87s，系統(tǒng)效率提高20%，沒(méi)有達(dá)到25%的原因是電流在整個(gè)過(guò)程中并非真正恒流，只是近似。綜上所述，本優(yōu)化策略并不僅限于以上工程實(shí)例，其在任何工況下都可在不增加電池?cái)?shù)量的情況下大大提高充電效率。

從另一角度出發(fā)，在相同時(shí)間要求下，優(yōu)化方案可降低電池并聯(lián)數(shù)。當(dāng)并聯(lián)數(shù)為m的充電速度小于并聯(lián)數(shù)為m-x的速度的1.25倍時(shí)(Vm-x＜Vm＜1.25Vm-x)，采用優(yōu)化方案后并聯(lián)數(shù)可從m縮減到m-x且不影響充電效率。x取值不限于本文實(shí)例描述中的1，必須以實(shí)際工況決定。由于電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能主要應(yīng)用于短時(shí)脈沖工況，以目前國(guó)內(nèi)的大倍率（10C～20C）功率型電池單體釋放幾百/上千安培而言，當(dāng)m＞5時(shí)電流可以達(dá)到幾千安培，這已超出了很多的實(shí)際使用工況。所以蓄電池的并聯(lián)數(shù)不能太高，即使x取值為1時(shí)，帶來(lái)的效益也是相當(dāng)可觀的。

3 實(shí)驗(yàn)

搭建混合儲(chǔ)能優(yōu)化方案驗(yàn)證平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)電路與圖7相同，各器件參數(shù)與仿真參數(shù)一致。實(shí)驗(yàn)與仿真波形對(duì)比如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)與仿真波形對(duì)比Fig.9 Comparison of experiment and simulation waveforms

由圖9可知，仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形基本一致，細(xì)微差別是由電路等效參數(shù)選取誤差產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)電壓曲線在2.98s達(dá)到3 216V，滿足指標(biāo)要求。圖10為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電池組、電容實(shí)物。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experiment platform

4 結(jié)論

[1] Pokryvailo A, Wolf M, Yankelevich Y. Investigation of operational regimes of a high-power pulsed corona source with an all solid state pulser[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 14(4)： 846-857.

[2] Akiyama H, Sakugawa T, Namihira T. Industrial applications of pulsed power technology[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2007, 14(5)： 1051-1064.

[3] Mark C, Ravi S, Trevor W. The design and testing of a large-caliber railgun[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1)： 256-260.

[4] 李軍, 嚴(yán)萍, 袁偉群. 電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(4)： 1052-1064. Li Jun, Yan Ping, Yuan Weiqun. Electromagnetic gun technology and its development[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(4)： 1052-1064.

[5] 丁明, 林根德, 陳自年, 等. 一種適用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(7)： 1-6. Ding Ming, Lin Gende, Chen Zinian, et al. A control strategy for hybrid energy storage systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(7)： 1-6.

[6] Thounthong P, Rael S, Davat B. Control strategy of fuel cell and super capacitors association for a distributed generation system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(6)： 3225-3233.

[7] 徐劍鳴, 康龍?jiān)? 溫懋勤, 等. 電動(dòng)汽車復(fù)合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(3)： 60-66. Xu Jianming, Kang Longyun, Wen Maoqin, et al. Design of hybrid power system of electric vehicle[J].Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(3)：60-66.

[8] Nishad M, Kashem M, Sarath P. Management of battery-supercapacitor hybrid energy storage and synchronous condenser for isolated operation of PMSG based variable-speed wind turbine generating systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(2)： 944-954.

[9] 鄭文迪, 蔡金錠. 燃料電池/超級(jí)電容器混合發(fā)電系統(tǒng)能量管理策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2012, 32(12)： 28-32. Zheng Wendi, Cai Jinding. Energy management strategy for hybrid generation system with fuel cell and super-capacitor[J]. Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(12)： 28-32.

[10] 張純江, 董杰, 劉君, 等. 蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(4)： 334-340. Zhang Chunjiang, Dong Jie, Liu Jun, et al. A control strategy for battery-ultracapacitor hybrid energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4)： 334-340.

[11] 韓曉娟, 程成, 籍天明, 等. 計(jì)及電池使用壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(34)： 91-98. Han Xiaojuan, Cheng Cheng, Ji Tianming, et al. Capacity optimal modeling of hybrid energy storage systems considering battery life[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(34)： 91-98.

[12] 常豐祺, 鄭澤東, 李永東. 一種新型混合儲(chǔ)能拓?fù)浼捌涔β史至魉惴╗J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12)：128-136. Chang Fengqi, Zheng Zedong, Li Yongdong. A novel hybrid energy storage topology and its power sharing algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12)： 128-136.

[13] 高迎慧, 史孝俠, 嚴(yán)萍. 高功率密度電容器充電電源[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2012, 24(4)： 943-949. Gao Yinghui, Shi Xiaoxia, Yan Ping. High power density capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(4)： 943-949.

[14] 龔晨, 于歆杰, 劉秀成. 電容儲(chǔ)能型軌道炮連續(xù)發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(2)：111-115. Gong Chen, Yu Xinjie, Liu Xiucheng. Continuous emission scheme and its simulation for capacitor based railgun system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(2)： 111-115.

[15] 吳海峰. 大功率混合儲(chǔ)能裝置控制策略研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 101(2)： 93-98. Wu Haifeng. Study of discharge control strategy for high power lead-acid batteries[J]. Academic Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 101(2)： 93-98.

[16] 范昭楠, 于歆杰. 基于過(guò)程集成的電磁軌道炮脈沖電源多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(5)：20-24. Fan Zhaonan, Yu Xinjie. Process-integration based multi-objective optimization for pulsed power supply of electromagnetic guns[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(5)： 20-24.

[17] 李超, 魯軍勇, 江漢紅, 等. 電磁發(fā)射用多級(jí)混合儲(chǔ)能充電方式對(duì)比[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(7)： 075005(1-6). Li Chao, Lu Junyong, Jiang Hanhong, et al. Comparison of charging methods of multilevel hybrid energy storage for electromagnetic launch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(7)：075005(1-6).

[18] 李超, 魯軍勇, 江漢紅, 等. 混合儲(chǔ)能中電容器電壓精確控制策略研究[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(7)：2231-2235. Li Chao, Lu Junyong, Jiang Hanhong, et al. Study of capacitor voltage’s precise-control strategy of multilevel hybrid energy storage[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(7)： 2231-2235.

（編輯 張洪霞）

Charging Strategy Amelioration of Multilevel Hybrid Energy Storage for Electromagnetic Launch

Li Chao Lu Junyong Ma Weiming Jiang Hanhong Long Xinlin
（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Navy University of Engineering Wuhan 430033 China）

Strategy of series-on-schedule uses parallel-connected batteries to meet high power requirement. It makes the system too big and heavy. This article constituted the improving scheme based on series-on-schedule strategy. Firstly, it paralleled the batteries to charge the capacitor. Secondly, it changed the configuration of batteries from parallel to series. At the same time, the inductance should be regulated to insure the batteries were in the utmost work status. The simulation results show both the series-on-schedule and the new scheme can charge the 600mF capacitor to requisite voltage in 3s, but the new scheme can cut down the number of batteries by 1/3. It reduces the spending, volume and the weight of the system largely. The experimental results show the simulation curves can match the real situation well. At last the conclusion can be drawn that the new scheme is validate and realizable.

Hybrid energy storage, electromagnetic launch, charging power supply, charging strategy, pulse power technology

TM832

李 超 男，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射。

E-mail： lichao69@126.com（通信作者）

魯軍勇 男，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射。E-mail： jylu@xinhuanet.com

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151727

國(guó)家自然科學(xué)基金（51522706、51407191、51307176），實(shí)驗(yàn)室基金（9140C840409140C84026、9140C840409150C84358）和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（613262）資助。

2015-10-23 改稿日期 2016-03-25