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(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

航天器電源系統(tǒng)通常情況下根據(jù)負(fù)載工作特性的不同設(shè)置不同的電源母線：控制電母線、功率電母線、高壓母線等?？刂齐娔妇€為航天器所有的器載計算機(jī)、GNC控制器等儀器設(shè)備供電，功率電母線為航天器所有的火工品、電磁閥等機(jī)電類負(fù)載供電，高壓母線為航天器舵機(jī)或有效載荷等高壓設(shè)備供電，為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制電母線通常采用單獨(dú)的主電池進(jìn)行供電，高壓母線采用單獨(dú)的高壓電池進(jìn)行供電，功率電母線則可采用單獨(dú)的電源進(jìn)行供電，亦可通過高壓電池抽頭獲取供電。

在航天器發(fā)射及飛行過程中，需要按照一定的時序通過電磁閥對油液氣路的通斷進(jìn)行控制，并且通過引爆火工品完成點(diǎn)火、分離等規(guī)定動作。電磁閥工作電流為恒定電流模式，量級為1 A以下，火工品工作電流為脈沖電流模式，目前廣泛使用了鈍感電火工品，一般單橋帶鈍感火工品發(fā)火電流為5～10 A。為了提供足夠大的驅(qū)動電流，傳統(tǒng)的功率電源系統(tǒng)儲能單元使用蓄電池組或一次貯備電池，其中鋅銀電池使用較多。

超級電容器是近幾年批量生產(chǎn)的一種新型儲能器件，具有功率密度高(大于1 kw/kg，甚至幾十kw/kg )，循環(huán)使用壽命長(約10萬次)，溫度特性好等特點(diǎn)，在汽車、火車等領(lǐng)域剎車制動系統(tǒng)應(yīng)用趨于成熟。在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[1]將超級電容器作為運(yùn)載器火工品的起爆電源，開展了相應(yīng)的試驗研究，可以達(dá)到減重效果。本文根據(jù)功率電母線負(fù)載的不同提出一種蓄電池組和超級電容聯(lián)合供電系統(tǒng)。

1 超級電容器

超級電容器(Super-capacitor, Ultra-capacitor, SC)是 1897 年德國人亥姆霍茲(Helmholtz)發(fā)現(xiàn)的雙電層原理工作的電容，一般又叫雙電層電容器、法拉電容[2-7]。上世紀(jì) 60-70年代率先在美國出現(xiàn)，并于80年代逐漸走向市場，其技術(shù)也不斷的完善與成熟，其應(yīng)用范圍也不斷地拓展，在家用電器、儀器設(shè)備、信息通訊、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備等領(lǐng)域均具有較好的應(yīng)用前景[8]。

從小容量的特殊儲能到大規(guī)模的電力儲能，從單獨(dú)儲能到與蓄電池或燃料電池等組成的混合儲能，超級電容器都展示出了獨(dú)特的優(yōu)越性。美、歐、日、韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對超級電容器的應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究，電磁彈射系統(tǒng)、裝甲車輛和電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用正處于研究或試用階段。

超級電容的儲能原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由集流體、活性電極、隔膜組成。由于活性電極采用高反應(yīng)界面的電極材料，使得其相比于傳統(tǒng)電解電容器具有更高的容值，從而提高儲能能量[3]。

圖1 超級電容的儲能原理和結(jié)構(gòu)

目前超級電容單體電壓較低，通常為2.7 V左右，為了提高儲能能量，需要采用多個單體串聯(lián)、并聯(lián)或者串-并聯(lián)組合構(gòu)成，從而形成超級電容模組。

超級電容器功率密度大：可達(dá)102～104W/kg，遠(yuǎn)大于蓄電池組現(xiàn)有的功率密度水平；反應(yīng)時間短：由于超級電容的充放電過程為純物理變化，反應(yīng)時間能達(dá)到毫秒級別；循環(huán)壽命長：充放電物理變化為可逆過程，循環(huán)次數(shù)最多可達(dá)數(shù)萬次；工作溫度相對寬限：溫度范圍一般是-40℃～65℃；另外，超級電容還具有綠色環(huán)保無污染、維修次數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)[2]。超級電容器與常見蓄電池組的相關(guān)數(shù)據(jù)對比表見表1。

表1 超級電容器與常用蓄電池組對比表

2 需求分析

全航天器有5個電磁閥和6個電爆閥，單個電磁閥的工作電流為0.96±(0.15)A，工作電壓要求為28(±3)V，單橋絲電爆閥工作電流為5～10 A，通電時間為≥200 ms，根據(jù)飛行時序，功率電放電曲線見圖2。

圖2 功率電放電曲線圖

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

功率電源系統(tǒng)是航天器整個電源系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)全器電磁閥、火工品等功率負(fù)載的電源供給及分配，通常包括儲能單元和綜合控制器，為滿足多次重復(fù)使用要求，儲能單元擬采用鋰電池方案。傳統(tǒng)的功率電源系統(tǒng)儲能單元僅采用鋰電池，系統(tǒng)設(shè)計框圖見圖3，由于功率負(fù)載尤其是火工品類負(fù)載的脈沖電流工作特性，在鋰電池設(shè)計時，會采用增加電池容量的方式，滿足在脈沖負(fù)載工作時電池的輸出電壓要求，傳統(tǒng)的方案造成了電池容量的浪費(fèi)和系統(tǒng)重量的增加。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖(傳統(tǒng))

新型功率電源方案儲能單元采用鋰電池組和超級電容器聯(lián)合設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計框圖見圖4，鋰電池組負(fù)責(zé)電磁閥小電流工作時的系統(tǒng)供電，超級電容器則負(fù)責(zé)脈沖大電流火工品負(fù)載工作時的系統(tǒng)供電，綜合控制器負(fù)責(zé)鋰電池組和超級電容器供電切換和配電時序的控制實現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖(新型)

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 綜合控制策略

鋰電池和超級電容并聯(lián)供電，為防止超級電容給鋰電池充電而消耗其容量，綜合控制器中在鋰電池輸入端設(shè)置防反灌二極管[10]，在超級電容輸入端設(shè)置控制開關(guān)K0。

綜合控制器負(fù)責(zé)時序控制策略的實現(xiàn)，傳統(tǒng)模式下，為保證火工品可靠起爆以及防止火工品誤爆，火工品起爆控制電路通常采用三級控制(K1、K2、K3n)模式，而該新型方案中，增加K0一級控制，為四級控制(K0、K1、K2、K3n)模式，以火工品1和2起爆控制為例，控制時序圖見圖5。

圖5 火工品起爆控制時序圖

4.2 超級電容器選型

超級電容所釋放的能量WC與其最大電壓和最小電壓有關(guān)，若超級電容的容值為C，最大電壓為Umax，最小電壓為Umin，那么，超級電容理論上釋放的能量WC計算如下：

WC=C(Umax2-Umin2)/2

(1)

該新型功率電源系統(tǒng)采用超級電容與鋰電池聯(lián)合供電，超級電容僅負(fù)責(zé)火工品起爆時所有負(fù)載所需的能量，主要包括電磁閥穩(wěn)態(tài)工作和火工品瞬態(tài)起爆工作時所需的能量WS，Ii為火工品起爆時電磁閥工作總電流，Ij為火工品起爆工作電流，ti火工品起爆電磁閥工作總電流持續(xù)時間，按照800 ms計算，tj火工品起爆工作電流持續(xù)時間，按照200 ms計算，具體計算過程如下：

WS=∑UiIiti+∑UjIjtj

(2)

超級電容理論上釋放的能量WC與火工品起爆時負(fù)載需求能量WS的關(guān)系如下：

WC≥WS

(3)

結(jié)合上述公式(1)、(2)、(3)，確定超級電容選擇美國Maxwell公司的12只BCAP0310P270T10型超級電容單體進(jìn)行串聯(lián)，超級電容器具體參數(shù)見表2所示。

表2 超級電容器具體參數(shù)

4.3 輕質(zhì)小型化設(shè)計

根據(jù)負(fù)載放電曲線，計算額定工作電流需求容量約為1 Ah。傳統(tǒng)的功率電源方案采用鋰電池單獨(dú)供電，為滿足脈沖電流負(fù)載工作時鋰電池輸出電壓不低于供電下限電壓要求，通常情況下，鋰電池容量設(shè)計時預(yù)留一定的余量。若采用2 Ah的標(biāo)準(zhǔn)單體，傳統(tǒng)的方案需要5并8串可滿足要求，而新型方案鋰電池模塊僅進(jìn)行8串，選用12只成熟的BCAP0310P270T10型超級電容單體進(jìn)行串聯(lián)后與鋰電池組并聯(lián)即可滿足要求，傳統(tǒng)與新型功率電源設(shè)計方案對比分析表見表3。

表3 傳統(tǒng)與新型功率電源設(shè)計方案對比表

通過表3對比分析，新型方案在輕質(zhì)小型化方面均有一定的優(yōu)勢。

5 試驗驗證

針對上述三種設(shè)計方案按照同樣的放電曲線(如圖2)進(jìn)行了電池的放電測試試驗，放電曲線最大恒值電流為5 A，最大脈沖電流為45 A，并要求脈沖放電時電壓不低于25 V。三種設(shè)計方案放電測試圖見圖6～圖8。

圖6 鋰電池組(四并)放電測試圖

圖7 鋰電池組(五并)放電圖

圖8 聯(lián)合電源中鋰電池組實測放電圖

圖6為鋰電池組(四并)與聯(lián)合電源的放電測試比較曲線，圖7為鋰電池組(五并)與聯(lián)合電源的放電測試比較曲線，由圖6、圖7可知，小電流恒值放電時鋰電池組(四并及五并)放電電壓略高于聯(lián)合電源，大電流脈沖放電時聯(lián)合電源電壓和五并鋰電池組電壓基本一致，并且大于25 V，而四并鋰電池組電壓相對較低，且小于25 V。圖8為聯(lián)合電源放電時鋰電池承擔(dān)的輸出電流曲線，由圖可知，聯(lián)合電源脈沖放電時電池僅提供小部分電流，而超級電容器提供了更多的電流，因此，小容量的鋰電池和超級電容器組成的聯(lián)合電源可以達(dá)到大容量鋰電池的脈沖放電性能，并且聯(lián)合電源的脈沖放電能力主要取決于超級電容器的高功率輸出性能，超級電容器從中發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)束語

新型功率電源系統(tǒng)采用鋰電池組和超級電容器聯(lián)合供電技術(shù)，充分發(fā)揮了超級電容脈沖放電的優(yōu)勢，在綜合控制器中采用綜合控制策略實現(xiàn)了鋰電池組和超級電容器聯(lián)合供電，與傳統(tǒng)的蓄電池組方案相比，具有輕質(zhì)小型化、高可靠等特點(diǎn)，在 地面試驗中進(jìn)行了試驗驗證。該功率電源系統(tǒng)在航天航空供配電領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。