超级电容器储能技术在外能源转管炮中的应用研究

王 雷，王 珑，刘明攀

（1.海军装备部西安局，陕西 西安 710043；2.西安昆仑工业 （集团）有限公司，陕西 西安 710043）

某型外能源小口径反导舰炮采用电机驱动的转管式自动机和弹鼓式无链供弹系统，所需瞬时功率较大［1］。为避免对舰船电网电压的不利影响，该舰炮研制时选用了传统的镉镍蓄电池作为驱动电机的电源。随着批量生产和交付部队使用，镉镍蓄电池陆续暴露出需要定期激活、充放电活化，电解液易蒸发、容量不足，维护保养复杂等缺点。同时，随着反舰导弹速度的不断提高，突防攻击能力的不断增强，对近程反导舰炮武器系统的发展提出了更高的要求，迫切需要研制新一代射速更高的反导舰炮，其射控系统要求储能电源提供成倍电流输出，传统的蓄电池储能器件已无法提供瞬时大电流输出，更无法满足新型舰炮射控系统对电源的更高要求。针对实际情况，笔者利用超级电容器的优点，设计了一种新型的储能电源用来满足新型射控系统的要求。

1 超级电容器结构及特性

超级电容器（super－capacitor）又叫双电层电容，是基于极板／电解液双电层理论发展起来的一类新型储能电子器件，主要通过在电极与电解液界面处形成的双电层进行储能，具有超大的法拉级电容量，通常具有20～100μF／cm2的比电容，具体数值与电极及溶液的性质有关。该种电容能获得大的比电容是因为双电层电容器的极板为高比面积活性材料，它具有极大的有效表面积A（500～1 500 m2／cm3）［2］，根据电容量公式计算可知，这种双电层电容器的比电容比传统的物理电容要大得多［3］。

超级电容器的显著特性是储能密度大，可达4 wh／L，放电比功率可达4.2kW／L；内阻很小，常温恒流100A 放电内阻不大于0.8mΩ；充电时间短，完全充电只需几分钟，其循环寿命可达数十万次以上；具有免维护、高可靠性及绿色环保等优点，是一种兼备电容和电池特性的新型电子储能元件。

2 超级电容器储能电源的设计原理

超级电容器可以等效一个电阻与一个理想电容的串联［4］，图1为单体超级电容器的恒流100A充放电曲线，图中ΔU是由于电流流经等效电阻引起的瞬间端电压的压降。超级电容器直流内阻越小，其端电压压降越小，其端电压压降跟放电电流的大小有关。因此，进行大功率超级电容器储能单元设计时，要充分考虑电容器直流内阻对电源输出特性的影响。

超级电容器储能电源的端电压在放电过程中会不断下降，因此要求火炮射控系统驱动器需有较宽的工作电压范围，要确定驱动器最高工作电压U1与最低工作电压U2。火炮射击功率需求特性要求提供能源的储能装置需恒功率放电，可据此确定放电功率P0、最大放电电流Im及放电时间t。因此，所需超级电容器储能电源的最小设计容量为：

式中，R 为超级电容器储能装置直流内阻的预计值。

一般情况下，驱动器的工作电压远远大于单体超级电容器的工作电压，要获得此工作电压，需要将若干超级电容器串联起来满足系统工作电压［5］。由于超级电容器自身的容量、内阻和漏电流等特性存在一定差异，在串联组成储能电源模组时有可能导致每个单体超级电容器的端电压也存在一定差异，极端情况会导致电容器的损坏，需要采取主动均压、降低单体超级电容器工作电压和严格筛选单体等措施来保证每组串联的超级电容器的一致性。

根据火炮射控系统驱动器最高工作电压U1确定储能电源一个串组的超级电容器个数

式中，UN为单体超级电容器工作电压。

故一个串组的电容量

整个超级电容器储能电源所需并组的个数

m×n只超级电容器组成m个串联n组并联的超级电容器储能装置核心部件。

3 超级电容器储能装置的实现

根据射击时的能量需求，通过计算可得出超级电容器集成后的总容量需40F。在方案设计时从可靠性角度出发，单体电容器的额定工作电压为2.7V，工作电压设计为2.5V，减小单体超级电容器因工作电压不一致导致部分超级电容器过压损坏故障的发生，增加了储能装置工作可靠性。储能电源额定工作电压为450V，故一个串组单体超级电容器的个数不少于总工作电压与单体超级电容器工作电压之比，即450／2.5＝180。180只2 500F超级电容器串联后的容量为13.9F，3个同样的串组并联后的总容量41.7F，大于40F，能够满足技术要求。超级电容器储能装置由1 个自动充放电控制器和6个储能机箱组成。其组成框图见图2。

首先将3 只超级电容器以并联的方式组成一个工作电压为2.5V 容量为7 500F 的储能组合，再将同样30个储能组合串联组成一个工作电压为75V、容量为250F 的储能机箱，其简单原理图如图3所示。最后将同样的6 个储能机箱串联安装在储能机柜中组成一个工作电压为450V、容量为41.7F的储能机柜。这种先并联后串联的组合方式能有效地改善各个超级电容器容量、电压不一致带来的影响，同时当储能电源中某一个超级电容器故障短路或断路时，基本不会影响整个超级电容器储能电源的参数，大大增加了储能装置的工作可靠性。

在每一个超级电容端子上安装一块电压均衡保护电路板，实现电容器单体电压的精确控制。电压均衡保护电路板原理图如图4所示。控制电路是由电压检测集成电路和VMOS场效应管及少量电阻组成，集成电路可监控电容器两端的工作电压，当电容两端电压上升到检测电路的导通阈值时，集成电路发出一高电平驱动信号使VMOS 场效应管导通工作以分流流过超级电容器的电流；当电容两端的电压下降到低于检测电路的截止阈值时，集成电路输出变为低电平使VMOS 场效应管截止工作继续给超级电容器充电。电容器电压得以可靠地限制在额定电压范围之内［6］，解决了串并联后电容器单体间电压不均衡的难点，在此基础上实现了系统的集成与控制。

图4中N1为电压检测器件，器件引出端的2、3脚直接连接到超级电容器的正负极两端，检测超级电容器上的充电电压，充电时超级电容器两端电压低于N1的阈值电压时，N1的1脚输出端输出低电平，由V1～V4及外围元件组成的旁路电路不工作。充电电压超过N1的导通阈值电压时，N1的1脚输出高电平，驱动旁路电路工作，旁路充电电流，阻止与之连接的超级电容器的电压上升，保证超级电容器在安全电压范围内工作。当超级电容器两端的电压下降到N1的截止阈值电压以下时，N1的1脚输出低电平，旁路电路停止工作。在正常工作状态下平衡电路不会影响储能装置的工作。

自动充放电控制器由三相智能控制恒流充电模块、智能电压、电流表、控制电子电路及过压保护电路组成，以充电电流4±0.2A 的恒流定压的方式为储能机柜充电，充电至额定高电压后自动停止充电，储能机柜电压低于设定值之后又自动补充充电。放电时，储能机柜电压放至安全电压（20 V）后，自动停止放电。

4 超级电容器储能装置与传统蓄电池的性能对比

使用超级电容器储能装置作为系统电源为变频器供电驱动交流伺服电机带动负载运转，其测试曲线图如图5所示；使用传统蓄电池作为系统电源为变频器供电驱动交流伺服电机带动负载运转，其测试曲线图如图6所示。

两组测试曲线中R2为交流伺服电机速度实际值模拟量曲线、R3为变频器电流曲线，R1为放电电流曲线，R4为放电电压曲线。

对比电机速度实际值曲线（图5R2曲线与图6R2曲线）可以看出，以超级电容器为电源的系统，电机速度达到设定值后，因为电源内阻小、放电能力强，所以在速度达到稳定值后，速度平稳无波动。而以传统蓄电池为电源的系统，电机速度爬升到额定转速后，由于速度提升功率需求增加，传统蓄电池电源内阻高、大电流放电能力差，无法保证大功率持续输出，电机无法保持在额定速度运转，电机转速跌落严重。

对比变频器电流曲线（图5R3曲线与图6R3曲线）可以看出，超级电容器储能装置为电源的系统，由于超级电容器储能装置在大电流放电过程中，电源压降小，在电机达到稳定速度后变频器电流减小，且驱动器电流波动小。传统蓄电池为电源的系统，变频器电流值一致维持在最大，且电流曲线波动大。

对比电源的放电电流曲线（图5R1曲线与图6R1曲线）可以看出，超级电容器储能装置的放电电流稳定，由于电源具有容性特性，能够吸收电流谐波，因此电流曲线中没有高频电流谐波存在；由于传统蓄电池电源呈阻性特性，无法吸收变频器引入的交流谐波，放电电流波动较大。

对比放电电压曲线（图5R4曲线与图6R4曲线）可以看出，超级电容器相对传统蓄电池在大电流放电启动瞬间，输出电压降小。超级电容器储能装置的电压随着放电过程的持续呈连续下降的趋势，而传统蓄电池的电压随放电过程持续电压下降不明显。由于超级电容器储能装置相对传统蓄电池能量体积比小，所以放电结束后，两种电源的电压均有回落，但是超级电容器储能装置相对放电前电压值有明显下降，而传统蓄电池则基本恢复放电前的电压。从而得出超级电容器储能装置长期持续放电能力小于传统蓄电池。

综上所述，超级电容器储能装置相对传统蓄电池具有电源内阻小、放电能力强、能够提供瞬时大电流以及带载能力强等优点。由于超级电容器储能装置电源具有容性特性，能够吸收电源回路中的高频交流谐波，因此放电电流平稳，对外能源转管炮的击发驱动电路冲击较小，有效提高了击发驱动电路工作的可靠性。

5 结束语

笔者以某型外能源转管炮驱动电源为对象，探索利用超级电容器储能技术，研究设计了新型的储能电源。通过研制试验，外能源转管炮超级电容器储能装置完全满足产品对驱动电源的要求，可以替代传统的蓄电池，具有其他电源不可替代的优点，具有良好的军事经济价值。

（References）

［1］李勇，陈永刚，谢杨杨，等.外能源转管自动机驱动功率分析与估算［J］.火炮发射与控制学报，2011（4）：74－77.LI Yong，CHEN Yonggang，，XIE Yangyang，et al.Analysis and estimation driving power of external power Gatling gun［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2011（4）：74－77.（in Chinese）

［2］王晓峰，孔祥华，刘庆国，等.新型化学储能器件——电化学电容［J］.化学世界，2001（2）：103－108.WANG Xiaofeng，KONG Xianghua，LIU Qingguo，et al.A new energy storage device：electrochemical double layer capacitor［J］.Chemical World，2001（2）：103－108.（in Chinese）

［3］冯玉萍，于凌宇.国际高能新电源电化学电容器技术应用动态［J］.电源世界，2002（9）：56－59.FENG Yuping，YU Lingyu.Technique application tends of elceto－chemical capacito［J］.The World of Power Supply，2002（9）：56－59.（in Chinese）

［4］王成.基于超级电容的置地式地铁再生制动能量回收技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2013.WANG Cheng.Research on regenerative braking energy utilization technique based on stationary supercapacitors in metro－transit systems［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013.（in Chinese）

［5］李应生，孔银昌.基于超级电容器蓄电装置的研制［J］.电源技术，2011，35（4）：409－411.LI Yingsheng，KONG Yinchang.Energy storage devices based on supercapacitors［J］.Chinese Journal of Power Sources，2011，35（4）：409－411.（in Chinese）

［6］张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用［J］.电网技术，2008，32（7）：1－9.ZHANG Wenliang，QIU Ming，LAI Xiaokang.Application of energy storage technologies in power grids［J］.Power System Technology，2008，32（7）：1－9.（in Chinese）