军用装备中基于超级电容器的混合动力装置设计及应用

靳添絮，刘立，陈树新

(北京科技大学 车辆工程研究所，北京，100083)

摘要：针对野战军用装备的特点，利用超级电容器，结合发电机组设计了基于超级电容器的混合动力装置，并将其应用在某牵引火炮的自动操瞄系统当中。实验证明，超级电容器混合动力装置较传统的动力装置具有更强的性能与环境适应性，减少能耗20%以上，更适合在野战条件下军用装备中应用。

关键词：超级电容器；混合动力装置；军用装备

中图分类号：TP202          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S1-0991-08

Hybrid power device design and application based on super capacitor in military equipment

JIN Tian-xu, LIU Li, CHEN Shu-xin

(Department of Vehicle, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Abstract: Considering the characteristics of field military equipment，a new hybrid power device composed of super capacitor and generators was proposed, and it was applied in the automatic operation and collimation system. Through testing, this device has higher performance and environment adaptability than the general accumulator. The power consumption can be reduced by 20%. It is more adaptable to the military equipment in the field condition

Key words: super capacitor; hybrid power device; military equipment

动力装置是先进武器装备开发的基础条件，也是新装备的重要组成部分。电能具有独特的优点，武器装备采用电力驱动是一种趋势；因此，必须提高能源效率，其关键之一是储能装置的设计。迄今为止，绝大多数野战武器装备仍然利用燃料的潜在化学能。当前，有实际意义的储能装置的开发，都立足于具有节能、减排和高效(能量再生)等特点。已得到广泛应用的新型电池如锂离子和镍氢等可提供可靠的能源储存方案，但化学电池的主要缺陷在于使用寿命短、充电时间长、大电流充放电会影响电池性能，并且受温度影响很大，也对环境有不利影响^[1]。最新发展起来的超级电容器作为一种新型储能装置，它可以补充电池的不足，具有大电流充放电特性、效率高、循环寿命长、对环境无污染、安全性好等优点，已在工业驱动领域受到重视。美国首先将“星球大战计划”中超级电容器的内容公开，并致力于在重型卡车和坦克车上的应用；日本已成为超级电容器全球供应商；俄罗斯宣布已制成全电容器助力汽车。在我国北京、上海已建成全电容器公交车试运营线，已在坦克和吊装机的辅助电源上得到应用^[2]。

超级电容器的能量补充是动力装置结构设计的关键。目前主要的补充方式有以下3种：第一，单独充电，每次超级电容器需要充电时用专用的设备对其进行能量补充，目前已应用到电动公交汽车上；第二，美国通用公司设计了超级电容器与蓄电池的并联系统，以蓄电池为主要能量供给，以超级电容器为补充，通过前者向后者充电，能更好地发挥两者的优势；第三，超级电容器与发电机组的并联系统，这种系统超级电容器只是起到辅助的作用^[3]。本文作者基于牵引火炮数字化改造对新型(高效、高比功率)动力装置的需求，设计完成了我国首台军用超级电容储能器，并以超级电容储能器为主要能源，结合间歇式发电机组设计了超级电容器混合动力装置，符合我军陆军老装备改造要求，也为其他机动武器装备的动力系统开发开辟了一条新途径。

1  蓄电池与超级电容器特性差异

蓄电池与超级电容器从电能储存形式、容量以及充放电特性上都存在很大的差异^[4]。

1.1  电能储存形式

蓄电池是以化学能形式存贮，蓄电池的循环寿命只有数百次；超级电容器以静电学正负电荷形式存贮在电解质所形成的双电层上，几乎可以无限次可逆地充放电循环(10⁵～10⁶)。

1.2  容量

所有的超级电容器都具有瞬时释放能量的特性，其功率密度(W/kg)是电池的10～100倍，充放电效率比蓄电池高20%～40%。

1.3  蓄电池与电容器的充放电特性

图1所示为电容器与电池放电和再充电关系的区别。由图1可看出：在充放电周期内，蓄电池单元的电势差(电动势)基本保持不变，而电容器的充放电曲线是一条斜率为1/C的倾斜线，如果两者以同一速率都充电到同一电压，则电容器所获得的能量是电池的一半，其能量密度是电池的1/20。但是，电容器特性曲线的镜像性质，即电容器电压随充放电电荷量呈线性变化，使得曲线上的每一个点对应一个当时的平衡状态，保持了充电指示与工作状态的一致。相反，电池的储能状态基本上还不能用工作参数来指示。

图1  电容器与电池放电和再充电关系的区别

Fig.1  Difference of discharge and recharge between battery and capacitor

1.4  电池与超级电容器比较总览

超级电容器相对于普通电池来说，具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽等特性，如表1所示^[5]。

表1  电池与超级电容器比较

Table 1  Difference of battery and super capacitor

2  超级电容器混合动力装置设计

2.1  超级电容器的组成

一个完整的超级电容器其结构主要包括双电极、电解质、隔离物(隔膜)等(见图2)。超级电容器的结构与电池和电解电容的结构很相似，主要的区别是电极材料不同^[6]。

图2  超级电容器的组成

Fig.2  Structure of super capacitor

电极材料是超级电容器最重要的部分，制备一种综合性能优异的电极材料是业界十分关注的课题。目前，采用的电极材料有碳、金属氧化物及其水合物和导电聚合物等。碳纤维材料的比表面积大、价格低廉，有利于工业化生产。用金属氧化物或导电聚合物制作电极，可获得更大的比容量器件，但成本问题和稳定性尚需改进。

2.2  超级电容器储能器设计

超级电容器在电源系统中作为突变负荷时对峰值功率的补偿，同时又要满足尽快充电恢复到储能状态。所以，按照“定性估算，定量试验”的原则，超级电容器储能器的设计可以分为容量和充电时间估算，以及结构设计与性能试验^[7]。

2.2.1  容量估算

负载能耗分为峰值功率和正常功率下的能量消耗。设超级电容器的容量为C₀(F),负载的额定功率为P₀ (W)，峰值功率为P_m，正常工作功率P_n；峰值功率工作时间为T_m (s)，正常功率工作时间T_n，峰值功率最大持续时间T，超级电容器工作电压范围以及平均电压分别为V_max、V_min和V₀ (V)。

正常工作功率下储能器需输出能量为：

W_n=P_nT_n                 (1)

峰值功率下储能器需输出能量为：

W_m=P_mT_m                (2)

则储能器需要提供总能量W₁为：

W₁=W_m+W_n                (3)

峰值功率最大持续提供能量为：

W₂=P_mT                 (4)

比较W₁与W₂，取其中较大者即为储能器需要输出的能量W。而电容器应在工作电压区间能提供能量W₀：

        (5)

一般取W₀比W稍大，即可以求出超级电容器的容量C₀。

2.2.2  充电时间估算

由电容器容量可求得电容器储存电荷量Q_C(C)以及工作电压范围内可充放电荷量Q_D为：

               (6)

           (7)

设充电器恒定充电电流为I，则电容器从V_min恢复到V_max的充电时间T_s为：

T_s=Q_D/I                 (8)

超级电容器装置由若干个单支电容器串、并联而成，总电容确定以后就需要根据装置的体积、质量、充电时间等的要求来选择单支电容器的容量和结构。

2.3  估算实例

当武器系统大角度调炮，或者跟踪低空机动目标，以及车辆在起伏地面或爬坡路面的机动运行时，都看成是突变负载，出现峰值功率，要求驱动功率比正常功率高2～4倍，也要求供电装置提供足够的能量以保证控制系统快速高精度的实现火炮操瞄。超级电容器的特点是允许在瞬间的大电流充放电，可以将平稳状态多余能量积累起来，在负载突变时，快速补充主电源的不足，并且很快又能充满电荷；当负荷制动或车辆刹车时，实现能量再回收(再生)。采用超级电容器贮能装置，比采用蓄电池组可减轻质量1/3，减少体积1/2。

牵引火炮采用人工操作，改为自动操瞄系统的首要问题是野战条件下的能源问题，加装能源装置还受牵引火炮结构和环境的约束。自动操瞄系统的主要任务是根据上级下达的命令将火炮身管调转到指定位置。作为野战武器，牵引火炮的工作环境比较恶劣，对于能源装置的寿命和低温特性要求比较高；操瞄过程中经常会出现突变负载。基于以上2点，选择超级电容器做牵引火炮自动操瞄系统的动力装置。

(1) 假定牵引火炮的操瞄系统动力装置设计要求如下：

负载额定功率P₀=800 W；负载峰值功率P_m=2 000 W；调炮过程时间为10～15 s；每次充电调炮次数为10次左右；工作电压范围为44～56 V。

此外，要求调炮过程峰值功率最大持续时间能不小于25 s；由于在结构上能源装置需要与炮管一同转动，因此希望质量和体积越小越好。

(2) 储能器容量估算。选择超级电容器最大输出功率为P_m=2 000 W。每一次调炮的峰值功率最多1 s，在剩余的过程中，功率在300～800 W之间，因此，可估算出一次调炮过程需能量W_s=3 000～5 500 J。

若调炮10次，则需能量W₁=30 000～55 000 J。

按照设计要求，储能器应在峰值功率时，应能持续25 s，因此，储能器应能输出能量W₂=P_mT_m=2 000× 25=50 000 J。

暂时取W为50 000 J。电容器应在工作电压区间提供能量W_D为：

由此可求出电容器容量。

取C₀=80 F，可提供能量W_D=48 000 J，相当于峰值功率维持24 s。

可持续调炮次数为：

可见，选取C₀为80 F可以满足设计要求。

(3) 储能器放电核算。

由式(3)和(4)计算储能器储存电荷量Q_C以及峰值功率时可充放电荷量Q_D：

由式(1)和(2)计算得到储能器总储存能量W_C以及在工作电压下能够提供的能量W_D为：

在工作电压范围内，能维持输出功率P_M=2 000 W的持续时间24 s。

可见，选择C₀为80 F符合放电设计要求。

(4) 储能器充电时间核算。

选取发电机组在额定功率能提供的恒定充电电流20 A，估算电容器充电恢复时间，即从44 V充电到56 V所需时间为：

最终使用的超级电容器储能装置是由若干个单体超级电容器通过串并联来得到的，电容量为4 000 F。

电容器容量的选择需要根据调炮次数、可提供能量、充电时间以及体积质量来综合选择，其中体积质量又取决于组成超级电容器单体的个数。

表2所示为不同容量电容器的不同参数。

表2  不同容量电容器的有关参数对比

Table 2  Comparison of parameter both of super capacitor with different capacitors

由表2可见，选择超级电容器容量为100 F，不仅能够满足设计要求，并能节省空间。选择超级电容器的结构参数为：单元电容量的耐压为1.4 V，4 000 F；在最高电压为56 V时，应有40个电容的串联，则其电容量减少40倍为100 F。

(5) 实验检验。

将以上设计得到的超级电容器储能器分别与300 W，800 W和2 000 W的电阻器在44～56 V的电压区间测试充放电时间，每个阻值的电阻器分别测试5次，测试结果如表3所示。

表3  超级电容器充放电测试结果

Table 3  Test results of charge and discharge of super capacitor

由表3可知，超级电容器的实验结果与理论估算值基本相符，符合设计要求。

2.4  基于超级电容器的混合动力装置设计

超级电容器的能源补充(充电)是实际应用中必须注意的一个问题。对于引言中提到的3种能源补充方式，第一种方式显然不适合运用到武器系统中，每次单独充电将会大大的降低武器的机动性；第二和第三种方式都将超级电容器作为一种辅助设备以提高动力装置的性能。在以发电机组和蓄电池为主要供电的能源装置中，选择发电机组的额定功率应该按峰值功率或最大功率为出发点，充分考虑过载情况，这就增加了对主供电源的要求，而超级电容器的特点恰恰就是可以提供瞬时大电流，因此，本文作者将发电机组和超级电容器组成串联系统，但以超级电容器为主要能源供给，发电机组采用间歇式工作在额定功率下为超级电容器恒流充电，设计了发电机组－超级电容器的混合动力装置。其结构如图3所示。

图3  混合动力装置结构框图

Fig.3  Structure of hybrid power device

超级电容器作为自动操瞄系统主电源独立供电，发电机组仅对超级电容器快速充电后自动灭火，因此，发电机组的额定功率按照正常负载的额定功率选择，而不以峰值功率或过载功率为出发点。发电机组以这种间歇式的方式工作可以节约能源约8%。发电机组-超级电容器浮充状态所提供最大功率是发电机额定功率的1倍。超级电容器以最大功率供电的时间大约是浮充式状态最大功率供电时间的一半。

充电控制机构的作用是按监控装置的指令保证超级电容器在合理的电压电流条件下快速充电，不出现充电过压过流现象，避免电解质分解和集流体的损耗。

监控装置的主要作用是监视超级电容器的输出电压保持在工作范围内，电压降到低限时，启动发电机给电容器充电；达到额定电压时，停止充电，熄灭发动机运转。经测算，本装置所采用的总体方案，从节省峰值功率，能量回收和间歇式工作方式等3方面，所节省约能源20%～30%。

选用KGE1000T1型发电机组，其技术性能如下：发电机额定功率为0.9 kW；发电机额定电压为220 V；发电机额定电流为3.9 A；发电机额定转速为5 500 r/min；发动机型式为单缸、风冷、四冲程直列式、顶置气门、汽油机。

3  基于超级电容器的混合动力装置在牵引火炮自动操瞄系统中的应用

牵引火炮在现代战争中仍可发挥重大作用。目前，我军炮兵装备中，数量最大的就是牵引炮，并且主要担负着守卫边防的重任。在信息化战争条件下，牵引炮的数字化改造势在必行。包括侦察通信、火力指挥与控制、阵地快速勘测、战场信息网络连接等以求实现火力的快速反应。因此，对野战条件下的能源设备也提出了要求。长期以来，体积小、质量小、比能量大、能源效率高以及成本低而便于机动的能源装置都是军界寻找的目标。以某牵引火炮为典型，为数字化装备提供新能源的电源系统。主要是供给数字化仪表与自动操瞄系统。

对火炮系统而言，它的用电负荷是一个脉动过程，在待机状态时，其通信与仪表系统的用电时间长，用电功率低；当炮塔等大功率系统起动时，执行电机的用电时间只有几十秒，但瞬时用电功率很大。所以，在自动操瞄系统上使用超级电容器，是一个新的尝试。由于火炮通常工作在野战条件下，因此还需要相应的能源补充设备。设计了基于超级电容器的混合动力装置，其具体的结构如图4所示。

根据火炮系统的用电状态，利用发电机组和超级电容器组成一种混合动力装置，在该电源系统中，超级电容器作为主电源为火炮提供稳定的电力供应，发电机组作为超级电容器补充电源，采取间歇式充电方式，在超级电容器能量不足时，自动为超级电容器补充能量。将自动操瞄系统分别在3种供电方式下工作，测试自动操瞄系统的工作性能。其中：方式1代表本文所设计的超级电容器混合动力装置供电；方式2代表超级电容器与发电机组同时供电(浮充式)；方式3代表铅酸蓄电池单独供电。以下图中分别有上下两根曲线，分别代表了火炮身管的角速度v (m/s)与位置position(m)。

图4  功能流程图

Fig.4  Flow function chart

图5  方式1供电时全过程调炮性能

Fig.5  Performance of model 1 at all progress

图6  方式1供电时启动过程调炮性能

Fig.6  Performance of model 1 at start of progress

图7  方式2全过程调炮性能

Fig.7  Performance of model 2 at all progress

图8  方式2启动过程调炮性能

Fig.8  Performance of model 2 at start of progress

根据实验得到表4。

从测试图与表可见：在应用中，火炮启动时需要较大电流，由于超级电容能够提供瞬时大电流，因此，相对于铅酸电池提升了火炮上升段的速度。通过电容单独供电与发电机电容器同时供电比较，发电机基本不影响电容器的供电性能。将发电机间歇式工作与浮充式工作相比较，由表5可以看出：相对于浮充式，发电机以间歇式工作虽然在每次充电可调炮次数略少，但是从总体上来看，间歇式工作状态下50次调炮所耗能源较少。这是由于发电机如果以浮充式工作，它一直向系统供电，发电机不能完全工作在额定功率状态下；而采用间歇式供电，发电机的工作只是为超级电容器充电，保证发电机工作在额定功率，这也就保证了发电机的效率。因此，采用间歇式工作的发电机与超级电容器相结合，不仅能够提升系统调炮性能，而且还节省了能源。

图9  方式3全过程调炮性能

Fig.9  Performance of model 3 at all progress

图10  方式3启动过程调炮性能

Fig.10   Performance of model 3 at start of progress

表4  3种供电方式的比较

Table 4  Comparison of effect in three kinds of power supply modes

表5  2种超级电容器供电方式的对比

Table 5  Comparison of effect in two kinds of power supply models for super capacitor

4  结论

军用装置中基于超级电容器的混合动力装置具有如下优点：

(1) 效率高，环境适应性强，低温性能好，适合战争条件。

(2) 能量体积比、质量比高，相同的体积、质量可以提供更多的动力。

(3) 可提供瞬时大电流。

(4) 寿命长，充电时间短，对环境影响小。

(5) 效率高，节能20%～40%，其中包括按额定功率选发电机可减少近一半的设计功率及其运行消耗；发电机间歇式工作可节省能源5%～8%。此外，可实现能量回收，进一步提高能源利用率。

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(编辑 李艳红)

收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15

基金项目：北京市科技支撑市委、市政府重点工作(Z101103055010004)

通信作者：靳添絮(1980-)，男，河北保定人，博士，讲师，从事电动车控制研究；电话：13810319966; E-mail: jtx_1980@163.com