航天器新型功率電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中國(guó)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(xiàn)：控制電母線(xiàn)、功率電母線(xiàn)、高壓母線(xiàn)等?？刂齐娔妇€(xiàn)為航天器所有的器載計(jì)算機(jī)、GNC控制器等儀器設(shè)備供電，功率電母線(xiàn)為航天器所有的火工品、電磁閥等機(jī)電類(lèi)負(fù)載供電，高壓母線(xiàn)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(xiàn)通常采用單獨(dú)的主電池進(jìn)行供電，高壓母線(xiàn)采用單獨(dú)的高壓電池進(jìn)行供電，功率電母線(xiàn)則可采用單獨(dú)的電源進(jìn)行供電，亦可通過(guò)高壓電池抽頭獲取供電。

在航天器發(fā)射及飛行過(guò)程中，需要按照一定的時(shí)序通過(guò)電磁閥對(duì)油液氣路的通斷進(jìn)行控制，并且通過(guò)引爆火工品完成點(diǎn)火、分離等規(guī)定動(dòng)作。電磁閥工作電流為恒定電流模式，量級(jí)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(dòng)電流，傳統(tǒng)的功率電源系統(tǒng)儲(chǔ)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(jí)電容器是近幾年批量生產(chǎn)的一種新型儲(chǔ)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(zhǎng)(約10萬(wàn)次)，溫度特性好等特點(diǎn)，在汽車(chē)、火車(chē)等領(lǐng)域剎車(chē)制動(dòng)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(jí)電容器作為運(yùn)載器火工品的起爆電源，開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，可以達(dá)到減重效果。本文根據(jù)功率電母線(xiàn)負(fù)載的不同提出一種蓄電池組和超級(jí)電容聯(lián)合供電系統(tǒng)。

1 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器(Super-capacitor, Ultra-capacitor, SC)是 1897 年德國(guó)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(guó)出現(xiàn)，并于80年代逐漸走向市場(chǎng)，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(chǔ)能到大規(guī)模的電力儲(chǔ)能，從單獨(dú)儲(chǔ)能到與蓄電池或燃料電池等組成的混合儲(chǔ)能，超級(jí)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(guó)家和地區(qū)對(duì)超級(jí)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(chē)輛和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用正處于研究或試用階段。

超級(jí)電容的儲(chǔ)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(chǔ)能能量[3]。

圖1 超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理和結(jié)構(gòu)

目前超級(jí)電容單體電壓較低，通常為2.7 V左右，為了提高儲(chǔ)能能量，需要采用多個(gè)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(jí)電容模組。

超級(jí)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(shí)間短：由于超級(jí)電容的充放電過(guò)程為純物理變化，反應(yīng)時(shí)間能達(dá)到毫秒級(jí)別；循環(huán)壽命長(zhǎng)：充放電物理變化為可逆過(guò)程，循環(huán)次數(shù)最多可達(dá)數(shù)萬(wàn)次；工作溫度相對(duì)寬限：溫度范圍一般是-40℃～65℃；另外，超級(jí)電容還具有綠色環(huán)保無(wú)污染、維修次數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)[2]。超級(jí)電容器與常見(jiàn)蓄電池組的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1 超級(jí)電容器與常用蓄電池組對(duì)比表

2 需求分析

全航天器有5個(gè)電磁閥和6個(gè)電爆閥，單個(gè)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(shí)間為≥200 ms，根據(jù)飛行時(shí)序，功率電放電曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 功率電放電曲線(xiàn)圖

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

功率電源系統(tǒng)是航天器整個(gè)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(chǔ)能單元和綜合控制器，為滿(mǎn)足多次重復(fù)使用要求，儲(chǔ)能單元擬采用鋰電池方案。傳統(tǒng)的功率電源系統(tǒng)儲(chǔ)能單元僅采用鋰電池，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖3，由于功率負(fù)載尤其是火工品類(lèi)負(fù)載的脈沖電流工作特性，在鋰電池設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)采用增加電池容量的方式，滿(mǎn)足在脈沖負(fù)載工作時(shí)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(jì)框圖(傳統(tǒng))

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

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jí)電容并聯(lián)供電，為防止超級(jí)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(jí)電容輸入端設(shè)置控制開(kāi)關(guān)K0。

綜合控制器負(fù)責(zé)時(shí)序控制策略的實(shí)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(jí)控制(K1、K2、K3n)模式，而該新型方案中，增加K0一級(jí)控制，為四級(jí)控制(K0、K1、K2、K3n)模式，以火工品1和2起爆控制為例，控制時(shí)序圖見(jiàn)圖5。

圖5 火工品起爆控制時(shí)序圖

4.2 超級(jí)電容器選型

超級(jí)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(jí)電容的容值為C，最大電壓為Umax，最小電壓為Umin，那么，超級(jí)電容理論上釋放的能量WC計(jì)算如下：

WC=C(Umax2-Umin2)/2

(1)

該新型功率電源系統(tǒng)采用超級(jí)電容與鋰電池聯(lián)合供電，超級(jí)電容僅負(fù)責(zé)火工品起爆時(shí)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(shí)所需的能量WS，Ii為火工品起爆時(shí)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(shí)間，按照800 ms計(jì)算，tj火工品起爆工作電流持續(xù)時(shí)間，按照200 ms計(jì)算，具體計(jì)算過(guò)程如下：

WS=∑UiIiti+∑UjIjtj

(2)

超級(jí)電容理論上釋放的能量WC與火工品起爆時(shí)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(jí)電容選擇美國(guó)Maxwell公司的12只BCAP0310P270T10型超級(jí)電容單體進(jìn)行串聯(lián)，超級(jí)電容器具體參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 超級(jí)電容器具體參數(shù)

4.3 輕質(zhì)小型化設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載放電曲線(xiàn)，計(jì)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(mǎn)足脈沖電流負(fù)載工作時(shí)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(jì)時(shí)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(mǎn)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(jí)電容單體進(jìn)行串聯(lián)后與鋰電池組并聯(lián)即可滿(mǎn)足要求，傳統(tǒng)與新型功率電源設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析表見(jiàn)表3。

表3 傳統(tǒng)與新型功率電源設(shè)計(jì)方案對(duì)比表

通過(guò)表3對(duì)比分析，新型方案在輕質(zhì)小型化方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述三種設(shè)計(jì)方案按照同樣的放電曲線(xiàn)(如圖2)進(jìn)行了電池的放電測(cè)試試驗(yàn)，放電曲線(xiàn)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(shí)電壓不低于25 V。三種設(shè)計(jì)方案放電測(cè)試圖見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 鋰電池組(四并)放電測(cè)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(shí)測(cè)放電圖

圖6為鋰電池組(四并)與聯(lián)合電源的放電測(cè)試比較曲線(xiàn)，圖7為鋰電池組(五并)與聯(lián)合電源的放電測(cè)試比較曲線(xiàn)，由圖6、圖7可知，小電流恒值放電時(shí)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(shí)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(duì)較低，且小于25 V。圖8為聯(lián)合電源放電時(shí)鋰電池承擔(dān)的輸出電流曲線(xiàn)，由圖可知，聯(lián)合電源脈沖放電時(shí)電池僅提供小部分電流，而超級(jí)電容器提供了更多的電流，因此，小容量的鋰電池和超級(jí)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(jí)電容器的高功率輸出性能，超級(jí)電容器從中發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

新型功率電源系統(tǒng)采用鋰電池組和超級(jí)電容器聯(lián)合供電技術(shù)，充分發(fā)揮了超級(jí)電容脈沖放電的優(yōu)勢(shì)，在綜合控制器中采用綜合控制策略實(shí)現(xiàn)了鋰電池組和超級(jí)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(yàn)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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。