吳志程, 朱俊杰, 許 金, 孫興法, 常永昊

(1.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，湖北 武漢 430033；2.海軍裝備部信息保障室，北京 100000)

0 引 言

電磁發(fā)射技術(shù)，作為全新概念的發(fā)射方式，已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)發(fā)射方式相比，電磁發(fā)射具有隱蔽性好、發(fā)射過程精確控制、載荷體形質(zhì)量不受限和重復(fù)成本低等優(yōu)勢(shì)，有希望在多種應(yīng)用場(chǎng)合中取代傳統(tǒng)發(fā)射[1]。

在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域多樣化發(fā)展的電磁發(fā)射技術(shù)對(duì)儲(chǔ)能的需求也更加多樣，文獻(xiàn)[2]指出特定應(yīng)用場(chǎng)合配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度和能量密度越來越高。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電磁發(fā)射的儲(chǔ)能技術(shù)做了較多研究，但均是單一儲(chǔ)能的形式[3-5]。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，單一儲(chǔ)能無法同時(shí)兼顧高能量密度和高功率密度需求，存在應(yīng)用場(chǎng)景受限制、能源利用率低、經(jīng)濟(jì)效益差等缺陷，無法滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)(EMLS)載荷多樣化的儲(chǔ)能需求。

因此，文獻(xiàn)[6-8]提出采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(HESS)控制不同特性的儲(chǔ)能器件協(xié)調(diào)工作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度和能量密度，有效解決了不同載荷儲(chǔ)能需求的多樣化難題，提了高EMLS的可靠性、通用性和經(jīng)濟(jì)性。

1 EMLS儲(chǔ)能需求分析

如圖1所示，EMLS由儲(chǔ)能系統(tǒng)、電能變換設(shè)備、脈沖直線電機(jī)和控制系統(tǒng)4部分組成[6]。

圖1 EMLS組成

電磁發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用形式十分多樣。根據(jù)工作原理的不同可分為：軌道式、線圈式、電機(jī)式[9]。根據(jù)發(fā)射長(zhǎng)度和末速度的不同可以分為：電磁彈射、電磁軌道發(fā)射、電磁推射[10]。電磁發(fā)射過程中，不同的載荷在不同工作模式、技術(shù)分支和應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)儲(chǔ)能的功率/能量需求各異。圖 2為EMLS短時(shí)間歇式工作模式3種不同工況下的功率/能量需求對(duì)比。與單一儲(chǔ)能相比，混合儲(chǔ)能在功率/能量需求指標(biāo)的靈活配置上占據(jù)更大優(yōu)勢(shì)，可滿足電磁發(fā)射載荷多樣化的儲(chǔ)能需求，從而提高EMLS的通用性和靈活性。

圖2 EMLS功率/能量需求示意圖

與電動(dòng)汽車[11]、微電網(wǎng)[12]等應(yīng)用場(chǎng)合不同，電磁發(fā)射的短時(shí)尖峰功率需求和短間隔連發(fā)需求要求儲(chǔ)能系統(tǒng)必須供應(yīng)大功率脈沖電能，存儲(chǔ)足夠多次連發(fā)的電量。

脈沖式、高壓、大電流的工作特點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)能拓?fù)潆娏﹄娮友b置的靈活性、可靠性和響應(yīng)速度提出了極高的要求[6]。

在軍事領(lǐng)域中，EMLS自身的重量與體積受嚴(yán)格限制，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的輕便性和適裝性至關(guān)重要。HESS兼具高功率密度特性和高能量密度特性，在滿足電磁發(fā)射功率/能量需求的基礎(chǔ)上，能夠確保重量/體積最優(yōu)。

同時(shí)，EMLS復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境使儲(chǔ)能系統(tǒng)必須適應(yīng)差異明顯的溫度變化，而且具備高、低溫正常放電的能力。

因此，EMLS的儲(chǔ)能需求可總結(jié)為，能夠供應(yīng)大功率脈沖電能，存儲(chǔ)足夠多次連發(fā)的電量，具有極高的通用性、靈活性和安全性，確保重量與體積最優(yōu)和適應(yīng)溫度范圍廣。

2 EMLS儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外EMLS主要采用單一儲(chǔ)能，包括蓄電池、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等。

文獻(xiàn)[3]采用鋰電池作為基本儲(chǔ)能單元，通過快速靈活串并轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其滿足電磁發(fā)射不同設(shè)備的電壓、電流需求。但是鋰電池儲(chǔ)能無法在重量體積受限時(shí)提供EMLS所需脈沖電能的峰值功率，且環(huán)境溫度適應(yīng)性差，無法在低溫環(huán)境下維持正常充放電的功能。

文獻(xiàn)[13]采用較高能量密度的電容器作為EMLS中功率轉(zhuǎn)換，能量存儲(chǔ)和電能壓縮的設(shè)備，但存在能量密度達(dá)不到EMLS要求、成本高、體積龐大等問題。

文獻(xiàn)[14]采用飛輪儲(chǔ)能提供能量脈沖對(duì)EMLS中的高壓電容器充電。飛輪儲(chǔ)能是目前性能最佳的儲(chǔ)能技術(shù)，能夠同時(shí)兼顧高能量密度和高功率密度，但是其技術(shù)設(shè)備十分復(fù)雜，由儲(chǔ)能電機(jī)和控制變頻器等設(shè)備組成，成本大，且存在較大的損耗[9]，因此飛輪儲(chǔ)能常應(yīng)用在對(duì)重量、體積要求十分苛刻的場(chǎng)合。

文獻(xiàn)[15]指出超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)有望成為EMLS的理想儲(chǔ)能方式之一，可實(shí)現(xiàn)減小電流需求、優(yōu)化能源利用率、節(jié)省空間的目標(biāo)[16]。

對(duì)比第1節(jié)對(duì)EMLS儲(chǔ)能需求的分析，單一儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀表明，由于儲(chǔ)能器件本身特性，使其無法兼顧功率和能量密度，存在應(yīng)用場(chǎng)景受限、能源利用率低、經(jīng)濟(jì)效益差等缺陷，無法有效解決EMLS載荷多樣化的儲(chǔ)能問題。

3 EMLS混合儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

3.1 儲(chǔ)能器件選擇

HESS作為電磁發(fā)射的關(guān)鍵組成部分，起到了能量緩存與功率放大的作用，避免了發(fā)射載荷直接向供電系統(tǒng)吸收過大的瞬時(shí)功率和能量，造成電網(wǎng)劇烈波動(dòng)。通過對(duì)各儲(chǔ)能器件的定性和定量分析[17-19]，綜合考慮功率密度、能量密度、使用壽命、安全性和溫度適應(yīng)性等特性，選擇鋰電池與超級(jí)電容作為EMLS的儲(chǔ)能器件。鋰電池與超級(jí)電容特性對(duì)比如表1所示。

表1 鋰電池與超級(jí)電容特性對(duì)比

由表1可知，鋰電池能量密度高，存儲(chǔ)容量大，但使用壽命短，功率密度低，無法提供電磁發(fā)射載荷所需的瞬時(shí)功率峰值。因此，鋰電池在HESS中可作為第一級(jí)儲(chǔ)能，長(zhǎng)時(shí)間低功率吸收電網(wǎng)能量并存儲(chǔ)，為載荷和功率型儲(chǔ)能器件提供安全穩(wěn)定的大容量電能。

超級(jí)電容是一種新型儲(chǔ)能器件，功率密度高，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，適用溫度范圍廣，但是能量密度低于鋰電池，在EMLS中可作為第二級(jí)儲(chǔ)能，具有壓縮電能和瞬時(shí)釋放的功能[13]。

因此，可采用“鋰電池-超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能作為電磁發(fā)射的儲(chǔ)能系統(tǒng)，鋰電池作為第一級(jí)儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容作為第二級(jí)儲(chǔ)能器件，兩者協(xié)調(diào)工作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而充分發(fā)揮HESS的性能，滿足EMLS載荷多樣化的功率/能量需求，重量與體積限制和環(huán)境溫度適應(yīng)性要求。

3.2 混合儲(chǔ)能并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的“鋰電池-超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為雙DC/DC變換器并聯(lián)[20]、單DC/DC變換器并聯(lián)[21]和直接并聯(lián)[22]3種，如圖3所示。

圖3 “鋰電池-超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在電動(dòng)汽車[11]、微電網(wǎng)[12]和艦船電力系統(tǒng)[9]等應(yīng)用場(chǎng)合中，HESS輸出持續(xù)波動(dòng)電能，采用雙或單DC/DC變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能器件的充放電量，控制儲(chǔ)能器件的輸入輸出，穩(wěn)定直流母線電壓，延長(zhǎng)儲(chǔ)能器件壽命，提高系統(tǒng)性能[23]。而在EMLS中，混合儲(chǔ)能釋放短時(shí)尖峰功率、短間隔連續(xù)發(fā)射的脈沖電能，且功率與能量等級(jí)遠(yuǎn)大于其他應(yīng)用場(chǎng)合，鋰電池與超級(jí)電容若采用DC/DC變換器并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致以下問題：

(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，短時(shí)間歇式工作模式下控制難度大；

(2) 脈沖式、高壓、大電流的工況下，DC/DC變換器成本高，安全性低；

(3) 開關(guān)器件斬波控制時(shí)，電壓、電流波動(dòng)大，DC/DC變換器響應(yīng)速度慢。

由圖3(b)可以看出，鋰電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)拓?fù)洳淮嬖谏鲜鰡栴}，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，系統(tǒng)效率高，響應(yīng)速度快，適合EMLS短時(shí)尖峰功率、短間隔連續(xù)發(fā)射的工作模式[22]。文獻(xiàn)[24]對(duì)比了鋰電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)的拓?fù)湓诤愣üβ使r下和脈沖功率工況下的性能表現(xiàn)，結(jié)果表明直接并聯(lián)拓?fù)涓舆m合脈沖功率工況。

HESS直接并聯(lián)的等效電路模型如圖4所示。

圖4 HESS直接并聯(lián)的等效電路模型

盡管直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)的眾多優(yōu)勢(shì)和特性使其更加適合EMLS混合儲(chǔ)能，但是當(dāng)HESS瞬時(shí)輸出大功率脈沖電能時(shí)，直流母線電壓Udc會(huì)瞬間跌落，從而導(dǎo)致鋰電池存在大倍率放電的風(fēng)險(xiǎn)，損害其使用壽命。由圖4中各個(gè)變量之間的關(guān)系可以得出，HESS輸出功率的瞬態(tài)過程中，直流母線電壓Udc不能突變，通過鋰電池組斬波控制，調(diào)整鋰電池組的電壓Ub，即可控制鋰電池輸出電流ib的大小和輸出功率。

因此，通過鋰電池組的斬波控制，不僅可以限制鋰電池放電電流不超過最大放電倍率，還能實(shí)現(xiàn)鋰電池與超級(jí)電容功率的合理分配，是EMLS應(yīng)用混合儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 混合儲(chǔ)能容量配置方法

目前儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，但儲(chǔ)能器件的成本依舊十分昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)優(yōu)先考慮成本要素?；旌蟽?chǔ)能的容量配置過大會(huì)導(dǎo)致總成本增加，容量配置過小則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能器件過充過放，影響其使用壽命[25]。因此，必須對(duì)HESS不同特性的儲(chǔ)能器件進(jìn)行容量配置優(yōu)化，確定成本、體積、重量和功能實(shí)現(xiàn)等多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，然后綜合考慮使用壽命、儲(chǔ)能器件SOC、充放電功率和電網(wǎng)功率平衡等約束條件，最后通過合適的尋優(yōu)算法進(jìn)行求解，得出最優(yōu)容量配置方案[26]。

根據(jù)EMLS采用的鋰電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采取儲(chǔ)能器件容量拓展方式，如圖5所示。

圖5 容量配置示意圖

圖5中，超級(jí)電容與鋰電池組之間設(shè)有防反二極管，防止超級(jí)電容對(duì)鋰電池進(jìn)行能量反灌，損傷鋰電池壽命。在任意EMLS應(yīng)用場(chǎng)合下，根據(jù)負(fù)載需求確定直流母線電壓等級(jí)后，必須通過調(diào)整超級(jí)電容組的并聯(lián)數(shù)y和鋰電池組的并聯(lián)數(shù)x拓展系統(tǒng)容量，從而實(shí)現(xiàn)“鋰電池-超級(jí)電容”HESS在滿足不同功率/能量需求的同時(shí)，使系統(tǒng)總體積、總重量和總成本等優(yōu)化目標(biāo)在所有方案中達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而提高HESS在不同應(yīng)用場(chǎng)合下的適裝性、通用性和經(jīng)濟(jì)性。

常用的容量配置優(yōu)化算法有迭代法、智能優(yōu)化算法等。迭代法算法簡(jiǎn)單但運(yùn)算量大，容易陷入局部收斂；智能優(yōu)化算法魯棒性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，精確度高，但求解復(fù)雜。目前，較為常用的是智能優(yōu)化算法，有量子遺傳算法[25]、改進(jìn)粒子群算法[27]、人工蜂群算法[28]等。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景需選擇不同的優(yōu)化算法，從而合理配置系統(tǒng)容量，充分發(fā)揮系統(tǒng)性能。

3.4 混合儲(chǔ)能實(shí)時(shí)控制策略

在EMLS短時(shí)間歇式工作模式下，混合使用鋰電池與超級(jí)電容儲(chǔ)能，充分發(fā)揮鋰電池能量密度大和超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，保護(hù)儲(chǔ)能器件安全充放電，必須研究合理的HESS實(shí)時(shí)控制策略，實(shí)時(shí)控制各儲(chǔ)能器件的能量流動(dòng)，其核心問題即功率和能量的分配問題[29]。

混合儲(chǔ)能常用的功率分配控制方法有濾波技術(shù)[11]、基于規(guī)則的控制算法[30]、模糊邏輯控制方法[31]和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法[32]。

文獻(xiàn)[7]提出采用模糊控制的能量管理策略有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度，縮短連續(xù)彈射間隔內(nèi)的充放電時(shí)長(zhǎng)，提高了連續(xù)彈射的速率。

基于EMLS短時(shí)脈沖功率、短間隔連續(xù)發(fā)射的運(yùn)行工況，必須制定合理的控制策略，選擇相應(yīng)的控制算法，縮短發(fā)射間隙，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行能力和瞬時(shí)工況下的響應(yīng)速度。

4 結(jié) 語

本文分析了EMLS短時(shí)間歇式運(yùn)行模式下的儲(chǔ)能需求，介紹了EMLS儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀及現(xiàn)有缺陷。在此基礎(chǔ)上，對(duì)“鋰電池-超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能應(yīng)用于EMLS所需要攻克的儲(chǔ)能器件選擇、并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、容量配置和實(shí)時(shí)控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。如何將混合儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與電磁發(fā)射短時(shí)尖峰功率需求、短間隔連發(fā)需求相結(jié)合，制定適用于電磁發(fā)射應(yīng)用場(chǎng)合的HESS研究方案，是未來制定技術(shù)方案的難點(diǎn)。

EMLS用混合儲(chǔ)能技術(shù)的研究展望如下：

(1) EMLS應(yīng)用場(chǎng)景、作業(yè)流程的不同以及多樣化負(fù)載需求，使得系統(tǒng)呈現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)變性強(qiáng)、儲(chǔ)能瞬時(shí)輸出功率差異大等多樣化態(tài)勢(shì)。因此，可開展“鋰電池-超級(jí)電容”HESS的功率分配建模分析，以及基于儲(chǔ)能器件模型的安全性分析和壽命評(píng)估。

(2) HESS的控制方式不當(dāng)將影響鋰電池使用壽命，甚至嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，可結(jié)合超級(jí)電容與鋰電池的最佳充放電特性曲線，研究多時(shí)間尺度下基于能量損耗與使用壽命最優(yōu)的“鋰電池-超級(jí)電容”HESS優(yōu)化控制策略。

HESS的應(yīng)用可有效解決電磁發(fā)射多樣化載荷的儲(chǔ)能問題，提高電磁發(fā)射的通用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用多樣化、裝備輕便化、系統(tǒng)可靠性和提高能源利用率具有重大意義。