超级电容器在航空蓄电池起动车上的应用研究_孔华

−300 (c) 300 A
−400
0.0
基本是可逆的，库仑效率可达到 0.99 以上。
t /s
由于超级电容器所具有的上述特点，使得其在能量 / 功率 单元中得到了广泛的应用。超级电容器与蓄电池并联可应用 于各种内燃发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其 寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池容量不足的情 况下，确保可靠启动。
２１３５
２０１５．１０ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１０
研究与设计
(4) 由于超级电容可以迅速高效实施再充电，所以缩短了 准备时间，提升了效率，有效提高了保障的能力。
２．３ 复合电源的组成和工作原理
整个起动过程当中，起动电流会有三次比较明显的阶跃， 这对蓄电池的电极板会有较大的冲击，严重影响蓄电池的使 用寿命，而超级电容器和蓄电池并联后，超级电容器具有的充 放电速度快、可大电流充放电的特点就避免了大电流对蓄电 池极板的冲击。下面用几个简单的原理图来说明一下复合电 源的组成和工作原理。图 5 为复合电源的基本原理框图，它主 要由供电控制系统、蓄电池、超级电容器、信息采集处理系统、 充放电系统组成；其中由供电控制系统综合处理信息采集处 理系统反馈的信息，通过控制充放电系统来控制超级电容器 的工作状态。蓄电池和超级电容器通过供电控制系统以不同 的工作方式对飞机供电。
(1) 实现了飞机对能量和功率要求的分离，蓄电池设计可 以集中于对比能量要求的考虑，而不必过多的考虑比功率问 题。
(2) 由于超级电容器的负载均衡作用，电池Baidu Nhomakorabea放电电流得 以减少从而使电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高，保 障成本降低。
(3) 充分利用了两种能源的优点，比如，蓄电池的技术成 熟、成本低廉;超级电容器巨大的比功率和瞬间充放电能力，不 受限制的使用寿命。
大功率输出上难以满足起动要求，还会对起动车蓄电池的极板产生较大冲击，减少蓄电池的使用寿命。将超级电容器与
蓄电池组成复合电源系统，可以使系统的能量利用率大幅度提高，同时保证飞机起动成功率，延长蓄电池的使用寿命。
关键词：航空；复合电源；超级电容器
中图分类号：ＴＭ ５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１５）１０－２１３４－０３
十秒至几分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。在 任何荷电状态值处，超级电容器都能以满电流方式放电。
(3) 循环寿命长，半永久性使用无需更换。碳基电容器的
50
1.2
0 −50
2
390
2
590
2
790
2 990
3 190
3 390
3 590
3 790 3 9901.0
−100
0.8
−150 −200 (b) 200 A
图 ５ 复合电源供电原理框图
２．４ 超级电容器对某型起动车的改造
根据本文的理论可对该型起动车进行改进，即把超级电 容器加入该型起动车的电路中，当监控电路检测到输出电流 大幅度增大，超过 400 A 时，监控电路向控制电路发出信号， 由控制电路控制超级电容器与蓄电池组并联共同提供输出电
流，由超级电容器负责提供增大的那部分电流，图 6 为改进后 的原理图。
２．１ 超级电容器在某型起动车上应用的可行性分析
经过实验可得到如图 4 所示的几幅电容器(奥威科技有限 公司生产，活性炭电极和氢氧化镍电极超级电容器，下同)在不
２．２ 复合电源的优势
尽管超级电容器有着如此众多的优点，过低的比能量却 是超级电容器单独成为能量源的致命障碍。单选蓄电池和超 级电容器任何一种能量源，都不能同时满足高比能量和高比 功率的要求，因此，把超级电容器和蓄电池结合起来才能形成 更有效能的电源系统。采用超级电容器与蓄电池结合的复合 动力系统具有以下优点:
参考文献：
[1] 梁逵. 碳纳米管及氧化镍超级离子电容器的研究[D]. 成都：电子 科技大学，2002.
[2] 任炼文，熊佳. 电动公交车用超级电容器的研究[J]. 电池工业， 2006, 11(4)：238-239.
出两组 28.5 V 直流电源及 28.5 V/57 V 直流起动电源；两组
放电速度快，输出功率大，其大电流的放电能力也完全适用于
115 V/220 V、400 Hz 三相交流电源或 115 V/400 Hz 单相交流
飞机的大电流起动，所以，超级电容器应用在飞机的地面电源
电源；还可提供 36 V/400 Hz 三相交流电源，其电气原理如图 3
超级电容器的基本结构包括两个高比表面积多孔性电 极、多孔性隔膜材料以及吸附其中的电解液。隔膜一般为纤维 结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜，要求具有尽可能高的离子 电导和尽可能低的电子电导。在每个电极的另一面紧贴有集 电极以减少电容器的阻抗损耗，其基本结构如图 2 所示。
图 ２ 超级电容器的基本结构 超级电容器和静电电容器及电池的优势明显，见表 1。 (1) 有非常高的功率密度。其功率密度可为电池的 10~100 倍，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使
研究与设计
超级电容器在航空蓄电池起动车上的应用研究
孔 华 1， 康 凯 2， 张 光 1， 杨学光 1 (1. 空军勤务学院，江苏 徐州 221000；2. 广空装备部，广东 广州 510000)
摘要：航空蓄电池起动车采用分级起动方式起动飞机，在此过程中会产生几次大的峰值电流，这不仅会使蓄电池在瞬时
10 ~10 s
1~60 s
1~5 h
−100 (a) 100 A
0.4

1.0
0.90~0.95 0.70~0.85
−150
0.0 t /s


>100 000 500~2 000
150
1.8
U
I
100
1.4
I /A
得超级电容器非常适用于短时间高功率输出的场合。 (2) 充电速度快。超级电容器可采用大电流充电，能在几
0.4
−250
0.0
t /s
200
1.8
100
U
I
1.6
理论循环寿命为无穷，实际可达 10 万次以上，比电池高 10~100 倍。
I /A
0 −1004 090 4 290 4 490 −200
4 690
4 890
1.2
5 090 5 290 5 490
0.6
(4) 效率高。由于电容的内阻非常小，所以电容的充放电
上是完全可行的。
所示。
/A 100 200 300 400
/Ah 10.8 10.0 9.5 8.8
/Wh 11.0 9.5 8.7 7.9
/s 389 180 113 79
图 ３ 某型起动车原理框图
２ 超级电容器在某型起动车上的应用 研究
飞机起动对航空地面电源的性能提出了很高的要求，而 超级电容器的出现为解决这一问题开拓了广阔的前景。下面 主要从超级电容在航空地面电源上应用的可行性分析，复合 电源的结构原理以及利用超级电容对某型起动车的改造等几 方面进行了介绍。
某型航空蓄电池起动车是新型交直流综合型航空蓄电池 起动车。该起动车采用 28 V/600 Ah 阀控式密封蓄电池为电
同电流放电的测试曲线图和表 2 所示的电容器大电流放电能 力，它们体现了超级电容器在大电流放电时的特性[2]。由图 4
源，通过逆变电路、交直流控制电路，实现不同电压的转换，输
和表 2 可以看出，与蓄电池相比，超级电容器的比功率大，充
收稿日期：２０１５－０３－１７ 作者简介：孔华（１９７７—），男，江苏省人，讲师，硕士生，主要研究 方向为航空装备技术。
U/V I /A
50 1 000
45 40 35
30 25 500 20 15 10
5 0
2.0 4.1 7.1
12.6
t /s
图 １ 某型飞机地面起动电流、电压曲线
１．２ 超级电容器［１］
图 ６ 某型起动车改进后原理框图 通过本文的设计改造，可以达到抑制蓄电池大电流放电 的目的，从而减少对蓄电池极板的冲击，大幅度延长其使用寿 命，提升飞行保障的经济效益。
３ 总结
本文主要介绍了超级电容器的优点，并利用超级电容器 对航空蓄电池起动车进行改造。即在原某型起动车中加装超 级电容器来提供起动飞机过程中所需的几次大的峰值电流， 从而达到保证飞机起动成功率，减少大电流对蓄电池极板的 冲击以延长其使用寿命的目的。超级电容器以其优越的性能 为我们的日后研究工作提供了一个广阔的平台，利用超级电 容器对航空装备的改造也必然有着广阔的前景。
Study on application of aviation storage battery start vehicle based on super capacitor
KONG Hua1, KANG Kai2, ZHANG Guang1, YANG Xue-guang1 (1.Air Force Logistics College, Xuzhou Jiangsu 221000, China;
１．３ 某型航空蓄电池起动车
I /A
200
1.8
100
U
I
1.4
0
−100 5530 5 730 5 930 6 130 6 330 6 530 6 7301.2
−200
0.8
−300
−400 (d) 400 A
0.4
−500
0.0
t /s
图 ４ 电容器不同电流放电测试曲线图
U/V U/V
U/V
U/V
１ 问题的提出
飞机起动即飞机发动机的起动，是指用外力矩将飞机发 动机加速到“自持转速”的过程。为使电机能柔和地、无撞击 地带动发动机转子转动，并逐步增大转矩，使发动机逐步加 速，目前各类小型飞机大都采用分级起动方式，在整个起动过 程当中，起动电流会有三次比较明显的阶跃。而起动飞机时所 产生的大电流激变不仅会使蓄电池在瞬时大功率输出上难以 满足启动要求，还会因大电流对起动车蓄电池的电极板产生 较大冲击，减少蓄电池的使用寿命。本文的目的就是要找出一 种方法既能满足起动要求，同时又能有效延长蓄电池的寿命。
2. Aero-equipment Department of Guangzhou, Guangzhou Guangdong 510000, China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ： 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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｖｉａｔｉｏｎ； ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ； ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ
１．１ 飞机地面起动简介
以某型飞机地面起动为例，分析在起动过程中所需起动 电流的大小和地面电源的工作情况。
第一级起动：飞机发动机从静止状态开始转动；第二级起 动：增大起动转矩，使发动机转速迅速增大；第三级起动：升 压；第四级起动：完成起动。
该型机四级起动的时间顺序不会改变，其起动电流和起 动电机端电压的变化规律如图 1 所示。
２０１５．１０ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１０
２１３４
ÁÂÃÄ研究与设计
150
100
U
I
50
1.8 1.4
/(Wh kg ) /(W kg )
<0.1 >1 000
1~10 1 000~2 000
20~100 50~200
I /A
0 −50
1.0 500 1 000 1 500 2 000 0.8