基于超級電容的自行火炮啟動系統設計

劉重發，陳遠江，楊杰敏，張 濤，張 鄭

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

0 引言

自行火炮啟動功率大電流強，一般安裝有 4塊12 V大容量鉛酸蓄電池，通過混聯變成24 V啟動電源。由于蓄電池需要經常維護保養，并且定期更換，耗費大量人力物力。如果只用2塊12 V蓄電池串聯啟動，則會出現啟動時蓄電池極化嚴重、內阻上升快、容量下降多等問題，嚴重影響啟動效果，甚至影響蓄電池的使用壽命，導致裝備作戰性能下降。

相對于蓄電池，超級電容具有以下優點：

1）功率密度高。超級電容功率密度達到十幾kw/kg，一般是蓄電池的數十倍；

2）充電時間短。超級電容可在幾秒至幾十分鐘充電完成，蓄電池需要幾小時至十幾小時完成充電；

3）放電電流強。超級電容最大放電電流達一千多安，且不會造成損害。蓄電池最大放電電流幾百安，長時間會造成損傷；

4）循環次數多。超級電容循環壽命可達到百萬次，蓄電池一般只有幾百次；

5）使用壽命長。超級電容可以使用一二十年，蓄電池一般只能用兩三年；

6）溫度范圍廣。超級電容能在-40℃～+70℃范圍內工作，而蓄電池很難在高溫特別是低溫環境下工作；

7）保養工作省。超級電容無需維護保養，蓄電池需要經常維護保養。

雖然超級電容具有蓄電池無法比擬的很多優勢，但超級電容漏電流大，長時間保存電能困難，因此無法完全替代蓄電池。

采用2塊蓄電池和超級電容組成啟動電源系統，蓄電池儲存電能，需要啟動前給超級電容充電，超級電容充足電后與蓄電池共同實施啟動。這樣可以減少蓄電池用量，提供快速的功率響應，同時改善啟動性能。

1 參數計算

1.1 超級電容和蓄電池電流的計算

充滿電的鉛酸蓄電池，在20℃溫度時的內阻可按下式近似計算：

其中，R0為蓄電池內阻；Ue為蓄電池額定電壓；C20為蓄電池的額定容量。超級電容的等效內阻R1，具體數字由廠家提供。

蓄電池和超級電容并聯供電時，由于超級電容內阻遠小于蓄電池的內阻，故并聯超級電容后的蓄電池放電電流只占總放電電流的很小部分。由歐姆定律可知：

其中，i0為蓄電池所提供電流；i1為超級電容所提供電流。由(2)、(3)、(4)式可知，超級電容放電電流為蓄電池的R0/R1倍，占到總放電電流的R0/(R0+R1)倍。

1.2 蓄電池容量

啟動型蓄電池的容量，主要根據啟動電動機功率確定。如果單獨采用蓄電池啟動，則蓄電池的容量為：

蓄電池并聯超級電容之后，啟動過程中的電流由蓄電池和超級電容共同提供，蓄電池提供的電流大為減少，所以蓄電池所需容量為：

其中，C1為蓄電池容量；C1’為并聯超級電容之后啟動系統中蓄電池容量；P為啟動的電機的額定功率；U為啟動的電機的額定電壓。

1.3 超級電容容量

超級電容放出的容量可以由下式計算：

其中，Q為超級電容儲存的電量；i為超級電容的放電電流；t為超級電容的放電時間。

實際計算時，可按下式計算：

超級電容儲存的電量選取能夠支持連續大電流放電一定時間，超級電容電壓變化值與啟動過程中蓄電池變化值相同。

2 系統設計

2.1 自行火炮電啟動線路

自行火炮電啟動線路如圖1所示。蓄電池組負極通過電路總開關搭鐵，正極分兩路：一路通過啟動專用線接向啟動電動機，為啟動電動機強電路，如圖1中A所示；另一路接向主配電板。主配電板上啟動線路分兩路：一路經過啟動開關、直流接觸器常開觸頭到啟動電動機，為啟動電動機弱電路，如圖1中B所示；另一路經過啟動按鈕到直流接觸器線圈后搭鐵，控制直流接觸器通斷。

啟動時，閉合電路總開關、啟動開關，按下啟動按鈕，直流接觸器工作，其觸頭閉合，電流從蓄電池組正極經主配電板、啟動開關、直流接觸器觸頭到啟動電動機弱電路后搭鐵。啟動電動機弱電路控制啟動電動機強電路接通，啟動電動機工作。

2.2 硬件設計

系統原理框圖如圖2所示，系統主要由超級電容組、均壓保護電路、DC-DC充電電路、并聯放電電路和檢測顯示電路組成。

超級電容組與蓄電池組負極直接連接，正極分別通過DC-DC充電電路和并聯放電電路連接。每個超級電容都并聯有均壓保護電路，均壓保護電路使超級電容充電時能夠充滿，防止電壓過高損壞，放電時負載均勻。檢測顯示電路用來檢測和顯示超級電容組充放電電壓、電流、時間等參數。

DC-DC充電電路受啟動開關控制，當接通電路總開關而沒有接通啟動開關時，DC-DC充電電路不工作，蓄電池可以為自行火炮其他用電設備正常供電。需要啟動前，接通啟動開關，蓄電池組通過 DC-DC充電電路給超級電容組充電。DC-DC充電電路采用限流設計，防止蓄電池大電流放電造成損傷。

并聯放電電路一方面控制超級電容組的輸出，當超級電容組充電后與蓄電池組端電壓相等時，并聯放電電路將超級電容組與蓄電池組正極并聯。另一方面，并聯放電電路控制啟動按鈕給直流接觸器線圈供電電路，只有放電電路接通后，按下啟動按鈕才能實施啟動，防止超級電容組與蓄電池組正極沒有接通時，蓄電池組單獨放電進行啟動而損壞。

2.3 工作流程

系統工作流程如圖3所示。

閉合電路總開關，超級電容組與蓄電池組負極搭鐵，蓄電池組可以向全炮單線制電路供電。此時，啟動電路處于閉鎖狀態，不能實施啟動。閉合啟動開關，蓄電池組通過 DC-DC充電電路向超級電容組充電，同時檢測顯示電路工作，記錄充電電壓、電流、時間等參數。當超級電容組與蓄電池組電壓相等時，并聯放電電路工作，將超級電容組與蓄電池組正極并聯，同時啟動電路解鎖。按下啟動按鈕，直流接觸器線圈通電，其觸頭閉合，啟動電動機弱電路工作，如圖1中B所示。弱電路控制強電路接通，啟動電動機工作，如圖1中A所示。檢測顯示電路記錄放電電壓、電流、時間等參數。

3 結束語

基于超級電容的自行火炮啟動系統，按啟動需求充電，節省蓄電池容量。無需啟動時閉鎖啟動電路，避免誤操作。具備充電快、放電強、保養省、壽命長、溫度廣等優勢，相對單獨的蓄電池組啟動自行火炮，節省人力物力，具備很高的軍事經濟價值。

[1]張琦,王金全.超級電容器及應用探討.電氣技術,2007.

[2]張炳力.超級電容在汽車發動機啟動系統中的應用研究.合肥工業大學學報,2009,32(11):12-15.

[3]王啟瑞.汽車電氣及電子設備.安徽科學技術出版社,2000.

[4]李貴遠,陳勇.動力電池與超級電容混合驅動系統設計與仿真.系統仿真學報,2007,19(1).