超級(jí)電容器在航空蓄電池起動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用研究

孔 華，康 凱，張 光，楊學(xué)光

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州221000；2.廣空裝備部，廣東廣州510000)

超級(jí)電容器在航空蓄電池起動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用研究

孔 華1，康 凱2，張 光1，楊學(xué)光1

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州221000；2.廣空裝備部，廣東廣州510000)

航空蓄電池起動(dòng)車(chē)采用分級(jí)起動(dòng)方式起動(dòng)飛機(jī)，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生幾次大的峰值電流，這不僅會(huì)使蓄電池在瞬時(shí)大功率輸出上難以滿(mǎn)足起動(dòng)要求，還會(huì)對(duì)起動(dòng)車(chē)蓄電池的極板產(chǎn)生較大沖擊，減少蓄電池的使用壽命。將超級(jí)電容器與蓄電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)的能量利用率大幅度提高，同時(shí)保證飛機(jī)起動(dòng)成功率，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：航空；復(fù)合電源；超級(jí)電容器

1 問(wèn)題的提出

飛機(jī)起動(dòng)即飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，是指用外力矩將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)加速到“自持轉(zhuǎn)速”的過(guò)程。為使電機(jī)能柔和地、無(wú)撞擊地帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并逐步增大轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)逐步加速，目前各類(lèi)小型飛機(jī)大都采用分級(jí)起動(dòng)方式，在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，起動(dòng)電流會(huì)有三次比較明顯的階躍。而起動(dòng)飛機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的大電流激變不僅會(huì)使蓄電池在瞬時(shí)大功率輸出上難以滿(mǎn)足啟動(dòng)要求，還會(huì)因大電流對(duì)起動(dòng)車(chē)蓄電池的電極板產(chǎn)生較大沖擊，減少蓄電池的使用壽命。本文的目的就是要找出一種方法既能滿(mǎn)足起動(dòng)要求，同時(shí)又能有效延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

1.1 飛機(jī)地面起動(dòng)簡(jiǎn)介

以某型飛機(jī)地面起動(dòng)為例，分析在起動(dòng)過(guò)程中所需起動(dòng)電流的大小和地面電源的工作情況。

第一級(jí)起動(dòng)：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；第二級(jí)起動(dòng)：增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增大；第三級(jí)起動(dòng)：升壓；第四級(jí)起動(dòng)：完成起動(dòng)。

該型機(jī)四級(jí)起動(dòng)的時(shí)間順序不會(huì)改變，其起動(dòng)電流和起動(dòng)電機(jī)端電壓的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 某型飛機(jī)地面起動(dòng)電流、電壓曲線

1.2 超級(jí)電容器[1]

超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)高比表面積多孔性電極、多孔性隔膜材料以及吸附其中的電解液。隔膜一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料，如聚丙烯膜，要求具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)。在每個(gè)電極的另一面緊貼有集電極以減少電容器的阻抗損耗，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器和靜電電容器及電池的優(yōu)勢(shì)明顯，見(jiàn)表1。

(1)有非常高的功率密度。其功率密度可為電池的10～100倍，可以在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。

表1 超級(jí)電容器和靜電電容器及電池的特性比較

(2)充電速度快。超級(jí)電容器可采用大電流充電，能在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程，是真正意義上的快速充電。在任何荷電狀態(tài)值處，超級(jí)電容器都能以滿(mǎn)電流方式放電。

(3)循環(huán)壽命長(zhǎng)，半永久性使用無(wú)需更換。碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無(wú)窮，實(shí)際可達(dá)10萬(wàn)次以上，比電池高10～100倍。

(4)效率高。由于電容的內(nèi)阻非常小，所以電容的充放電基本是可逆的，庫(kù)侖效率可達(dá)到0.99以上。

由于超級(jí)電容器所具有的上述特點(diǎn)，使得其在能量/功率單元中得到了廣泛的應(yīng)用。超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)可應(yīng)用于各種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電啟動(dòng)系統(tǒng)，能有效保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命，減小其配備容量，特別是在低溫和蓄電池容量不足的情況下，確?？煽繂?dòng)。

1.3 某型航空蓄電池起動(dòng)車(chē)

某型航空蓄電池起動(dòng)車(chē)是新型交直流綜合型航空蓄電池起動(dòng)車(chē)。該起動(dòng)車(chē)采用28 V/600 Ah閥控式密封蓄電池為電源，通過(guò)逆變電路、交直流控制電路，實(shí)現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換，輸出兩組28.5 V直流電源及28.5 V/57 V直流起動(dòng)電源；兩組115 V/220 V、400 Hz三相交流電源或115 V/400 Hz單相交流電源；還可提供36 V/400 Hz三相交流電源，其電氣原理如圖3所示。

圖3 某型起動(dòng)車(chē)原理框圖

2 超級(jí)電容器在某型起動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用研究

飛機(jī)起動(dòng)對(duì)航空地面電源的性能提出了很高的要求，而超級(jí)電容器的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題開(kāi)拓了廣闊的前景。下面主要從超級(jí)電容在航空地面電源上應(yīng)用的可行性分析，復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)原理以及利用超級(jí)電容對(duì)某型起動(dòng)車(chē)的改造等幾方面進(jìn)行了介紹。

2.1 超級(jí)電容器在某型起動(dòng)車(chē)上應(yīng)用的可行性分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到如圖4所示的幾幅電容器(奧威科技有限公司生產(chǎn)，活性炭電極和氫氧化鎳電極超級(jí)電容器，下同)在不同電流放電的測(cè)試曲線圖和表2所示的電容器大電流放電能力，它們體現(xiàn)了超級(jí)電容器在大電流放電時(shí)的特性[2]。由圖4和表2可以看出，與蓄電池相比，超級(jí)電容器的比功率大，充放電速度快，輸出功率大，其大電流的放電能力也完全適用于飛機(jī)的大電流起動(dòng)，所以，超級(jí)電容器應(yīng)用在飛機(jī)的地面電源上是完全可行的。

圖4 電容器不同電流放電測(cè)試曲線圖

表2 電容器大電流放電能力

2.2 復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)

盡管超級(jí)電容器有著如此眾多的優(yōu)點(diǎn)，過(guò)低的比能量卻是超級(jí)電容器單獨(dú)成為能量源的致命障礙。單選蓄電池和超級(jí)電容器任何一種能量源，都不能同時(shí)滿(mǎn)足高比能量和高比功率的要求，因此，把超級(jí)電容器和蓄電池結(jié)合起來(lái)才能形成更有效能的電源系統(tǒng)。采用超級(jí)電容器與蓄電池結(jié)合的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)對(duì)能量和功率要求的分離，蓄電池設(shè)計(jì)可以集中于對(duì)比能量要求的考慮，而不必過(guò)多的考慮比功率問(wèn)題。

(2)由于超級(jí)電容器的負(fù)載均衡作用，電池的放電電流得以減少?gòu)亩闺姵氐目衫媚芰俊⑹褂脡勖玫斤@著提高，保障成本降低。

(3)充分利用了兩種能源的優(yōu)點(diǎn)，比如，蓄電池的技術(shù)成熟、成本低廉;超級(jí)電容器巨大的比功率和瞬間充放電能力，不受限制的使用壽命。

(4)由于超級(jí)電容可以迅速高效實(shí)施再充電，所以縮短了準(zhǔn)備時(shí)間，提升了效率，有效提高了保障的能力。

2.3 復(fù)合電源的組成和工作原理

整個(gè)起動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，起動(dòng)電流會(huì)有三次比較明顯的階躍，這對(duì)蓄電池的電極板會(huì)有較大的沖擊，嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，而超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)后，超級(jí)電容器具有的充放電速度快、可大電流充放電的特點(diǎn)就避免了大電流對(duì)蓄電池極板的沖擊。下面用幾個(gè)簡(jiǎn)單的原理圖來(lái)說(shuō)明一下復(fù)合電源的組成和工作原理。圖5為復(fù)合電源的基本原理框圖，它主要由供電控制系統(tǒng)、蓄電池、超級(jí)電容器、信息采集處理系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)組成；其中由供電控制系統(tǒng)綜合處理信息采集處理系統(tǒng)反饋的信息，通過(guò)控制充放電系統(tǒng)來(lái)控制超級(jí)電容器的工作狀態(tài)。蓄電池和超級(jí)電容器通過(guò)供電控制系統(tǒng)以不同的工作方式對(duì)飛機(jī)供電。

圖5 復(fù)合電源供電原理框圖

2.4 超級(jí)電容器對(duì)某型起動(dòng)車(chē)的改造

根據(jù)本文的理論可對(duì)該型起動(dòng)車(chē)進(jìn)行改進(jìn)，即把超級(jí)電容器加入該型起動(dòng)車(chē)的電路中，當(dāng)監(jiān)控電路檢測(cè)到輸出電流大幅度增大，超過(guò)400 A時(shí)，監(jiān)控電路向控制電路發(fā)出信號(hào)，由控制電路控制超級(jí)電容器與蓄電池組并聯(lián)共同提供輸出電流，由超級(jí)電容器負(fù)責(zé)提供增大的那部分電流，圖6為改進(jìn)后的原理圖。

圖6 某型起動(dòng)車(chē)改進(jìn)后原理框圖

通過(guò)本文的設(shè)計(jì)改造，可以達(dá)到抑制蓄電池大電流放電的目的，從而減少對(duì)蓄電池極板的沖擊，大幅度延長(zhǎng)其使用壽命，提升飛行保障的經(jīng)濟(jì)效益。

3 總結(jié)

本文主要介紹了超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，并利用超級(jí)電容器對(duì)航空蓄電池起動(dòng)車(chē)進(jìn)行改造。即在原某型起動(dòng)車(chē)中加裝超級(jí)電容器來(lái)提供起動(dòng)飛機(jī)過(guò)程中所需的幾次大的峰值電流，從而達(dá)到保證飛機(jī)起動(dòng)成功率，減少大電流對(duì)蓄電池極板的沖擊以延長(zhǎng)其使用壽命的目的。超級(jí)電容器以其優(yōu)越的性能為我們的日后研究工作提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)，利用超級(jí)電容器對(duì)航空裝備的改造也必然有著廣闊的前景。

[1]梁逵.碳納米管及氧化鎳超級(jí)離子電容器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2002.

[2]任煉文，熊佳.電動(dòng)公交車(chē)用超級(jí)電容器的研究[J].電池工業(yè)，2006,11(4)：238-239.

Study on application of aviation storage battery start vehicle based on super capacitor

When start an airplane,a way was taking by aviation storage battery start vehicle with the ratings.Several times big value electric current would be created through this process.Then it was not only hard to satisfy the start request on big power output top in the moment,but also big pound at plates would be created.The service life of storage battery was decreased.Constituting hybrid power system with super capacitor and storage battery,exaltation of the energy utilization of system was significantly improved,the airplane start success rate in the meantime could be ensured,and the service life of storage battery could also be extended.

aviation;hybrid power system;super capacitor

TM 53

A

1002-087 X(2015)10-2134-03

2015-03-17

孔華(1977—)，男，江蘇省人，講師，碩士生，主要研究方向?yàn)楹娇昭b備技術(shù)。