超級電容器組在軌實驗系統設計與驗證

侯偉，王文濤，鄢婉娟，彭健

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

超級電容器組在軌實驗系統設計與驗證

侯偉，王文濤，鄢婉娟，彭健

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

針對超級電容器組瞬時大功率放電的特點，設計出了一套在軌實驗系統，并完成了在軌驗證和數據分析。結果表明，實驗系統成功地完成了超級電容器組的在軌實驗，超級電容器組各項參數穩定，狀態良好。超級電容的成功在軌實驗為后續產品化及其在武器裝備上的應用奠定了基礎。

超級電容器；在軌實驗；系統

超級電容器，又名電化學電容器、雙電層電容器，是近期發展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力，可提供強大脈沖功率的電源。它與常規電容器不同，其容量可達數萬法拉，突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬。由于超級電容的優越性能和近年來對超級電容開發能力的提高，超級電容在工業領域中得到了廣泛應用[1]。目前，世界各國爭相研究，并越來越多地將其應用到武器裝備上。

根據某衛星工程研制總要求，超級電容器作為一項重要的實驗項目將完成搭載實驗。本文采用20 000 F(ELCP20000 型)的單體超級電容經過2并10串組成超級電容器組，設計出一套在軌實驗系統，為霍爾電推進提供短時大功率放電，同時又可作為42 V電源系統鋰離子蓄電池的備份，在鋰電池故障情況下為氙離子電推進供電，提高了42 V母線及電推進實驗系統的安全性和可靠性。通過在軌的實驗數據分析，可以判斷20 000 F超級電容器單體設計及生產工藝可靠，在實際空間環境下工作特性良好。

1 實驗方案設計

1.1 系統方案

根據電推進短期峰值功耗大的特點，某衛星電源系統采用高、低壓雙母線獨立輸出的設計方案。其中高壓母線為42 V母線，供給氙離子電推進和霍爾電推進使用。超級電容器作為一套獨立的電源系統，在需要時為霍爾電推進供電，并且與42V鋰離子蓄電池互為備份，在鋰離子蓄電池故障時，可以為42 V母線其他負載供電。實驗系統原理框圖如圖1所示。

圖1 實驗系統原理圖

1.2 超級電容實驗方案

1.2.1 實驗方案概述

圖2 超級電容器組件原理框圖

超級電容器組件由超級電容器組和超級電容控制器組成，如圖2所示，超級電容器組件與母線之間由繼電器進行隔離，只有當總開關閉合時，超級電容器組件才能進行充電和對母線供電。整個組件，在光照期，由母線通過控制器的充電模塊對超級電容器組進行限流限壓充電；在母線載荷工作時，超級電容器組通過控制器的放電模塊對母線供電。

1.2.2 超級電容器組方案

根據實驗要求，超級電容器組在需要時為霍爾電推進供電，需要1 000 W持續放電10 min，所需的總能量為1 000 W×10 min=167 Wh。

超級電容器單體的工作電壓范圍為：3.5～4.2 V，由于高壓母線為42 V，因此需要10只單體串聯。根據能量約束，同時取放電深度＝60%，單體所需的容量同樣可由下式求得：

為了進一步提高超級電容器組的可靠性，在一只單體失效的情況下，超級電容器組仍能夠正常工作，因此將40 000 F的單體設計由2只20 000 F的單體并聯組成，即整個超級電容器組采用20 000 F(ELCP20000型)的單體由2并10串組成。圖3為ELCP20000超級電容器單體外形圖。圖4為2P10S-ELCP20000超級電容器組。

圖3 ELCP20000超級電容器單體外形圖

圖42 P10S-ELCP20000超級電容器組

1.2.3 超級電容控制器方案

超級電容控制器是配套超級電容器組的控制單機，由充電調節模塊、放電調節模塊、均衡控制模塊等組成。其主要任務是對超級電容器充放電調節和均衡控制，保持能源輸出電壓的穩定，滿足霍爾電推進系統所需的功率需求。

(1)充電調節模塊

考慮到超級電容器組件為實驗載荷，因此在整星能源充足的情況下才能充電。充電電路采用非隔離型降壓調節電路，當總開關閉合后，母線電壓大于40.5 V時開始充電，充電電流隨母線電壓升高而線性增加，最大為5.21 A。圖5給出了充電電流隨母線電壓線性變化曲線。

圖5 壓控限流充電曲線

(2)放電調節模塊

放電調節模塊均采用脈寬調制器(PWM)作為核心控制部件，電路由母線采樣、誤差放大、脈寬調制、驅動等組成。在電推進工作時由超級電容通過放電調節模塊給負載供電。每路模塊可輸出功率不小于400 W，總效率不低于90%。放電調節模塊由三路獨立的放電電路并聯組成。為了保證各個模塊間電流的平均分配，防止某個模塊由于外特性好而承擔較大的電流，影響可靠性和壽命，放電模塊采用輸出阻抗法進行均流調節，使每個模塊的電流分配達到均勻，輸出電流的不平衡度不超過20%。圖6為放電模塊并網圖。

圖6 放電模塊并網圖

(3)均衡與旁路控制模塊

由于指令資源的限制，采用10節單體均壓的均衡控制策略。當某個單體電容器電壓比超級電容器平均電壓高出100 mV時，控制電路發出控制信號接通該超級電容器單體的旁路分流電路，達到均壓目的。考慮到超級電容存在一節單體失效的可能，因此計算平均電壓時有兩個基準：10節單體均壓和9節單體均壓，基準的切換由地面遙控指令完成。

1.3 在軌實驗方案

發射前超級電容器組件處于斷電狀態，衛星在軌正常工作后，超級電容器組件總開關接通，使控制器的均衡功能工作，超級電容器組件在軌為常加電狀態。在軌每次給電推進系統供電前，確認超級電容器組已經充滿電。超級電容器組件為電推進系統供電，工作10 min后，需要給電容器組充電。

2 實驗數據及分析

到目前為止，超級電容在軌已累計工作200個循環，圖7～圖11分別給出了一個循環周期內的充放電曲線、超級電容器組電壓變化曲線、單體電壓變化曲線和超級電容器組溫度變化曲線。由圖可見，超級電容在一個工作周期電壓范圍在35.9～41.14 V，單體電壓均在3.5～4.2 V，溫度在12.5～13.7℃，充電限流5.17 A。實驗結果表明，超級電容器組充放電功能正常，單體電壓均衡，性能指標滿足技術要求，驗證了超級電容單體設計和生產工藝的可靠性，在實際空間環境下特性良好。

圖7 超級電容充電限流控制曲線

圖8 超級電容放電時電壓變化曲線

圖9 超級電容器組一個充放電周期電壓變化曲線

3 結論

本文針對超級電容器組瞬時大功率放電的特點，設計出了一套在軌實驗系統，并完成了在軌驗證和數據分析。結果表明，實驗系統成功完成了超級電容器組的在軌實驗，超級電容器組各項參數穩定，狀態良好。

該實驗項目的成功，標志著我國首例空間用超級電容器飛行實驗的成功。該成果可以作為電推進配套電源，用于后續衛星上，也可用于SAR系列衛星，很好地滿足SAR星功率組件對短時間大功率供電的需求，經過適當改進還可應用于電磁炮、高能激光武器等新型武器上，對加快我國武器裝備技術的發展具有重要意義。

圖10 單體1、3、5、7、9一個充放電周期電壓變化曲線

圖11 超級電容在一個充放電周期內的溫度變化曲線

[1]曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報,2008,42(11):1318-1319.

[2]鄧隆陽，黃海燕，盧蘭光，等.超級電容性能試驗與建模研究[J].車用發動機，2010,186(1):29-31.

Design of supercapacitors'test system and in-orbit Test

HOU Wei,WANG Wen-tao,YAN Wan-juan,PENG Jian

An in-orbit test system was designed based on the characteristic of supercapacitors'instantaneous high-power discharge.The validation and analysis of data of in-orbit test were accomplished.According to the test result,in-orbit test was accomplished successfully,and the supercapacitors'performance was steadily and nice. Subsequent production and its application to equipment were groundworked by the Supercapacitors'in-orbit test.

supercapacitor;in-orbit test;system

TM 53

A

1002-087 X(2014)02-0310-02

2013-11-21

侯偉(1978—)，男，陜西省人，碩士，主要研究方向為衛星電源系統。