基于超級電容的自行火炮啟動系統(tǒng)設(shè)計

劉重發(fā)，陳遠(yuǎn)江，楊杰敏，張 濤，張 鄭

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

0 引言

自行火炮啟動功率大電流強(qiáng)，一般安裝有 4塊12 V大容量鉛酸蓄電池，通過混聯(lián)變成24 V啟動電源。由于蓄電池需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，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(lián)啟動，則會出現(xiàn)啟動時蓄電池極化嚴(yán)重、內(nèi)阻上升快、容量下降多等問題，嚴(yán)重影響啟動效果，甚至影響蓄電池的使用壽命，導(dǎo)致裝備作戰(zhàn)性能下降。

相對于蓄電池，超級電容具有以下優(yōu)點：

1）功率密度高。超級電容功率密度達(dá)到十幾kw/kg，一般是蓄電池的數(shù)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(qiáng)。超級電容最大放電電流達(dá)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(huán)次數(shù)多。超級電容循環(huán)壽命可達(dá)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(nèi)工作，而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作；

7）保養(yǎng)工作省。超級電容無需維護(hù)保養(yǎng)，蓄電池需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)。

雖然超級電容具有蓄電池?zé)o法比擬的很多優(yōu)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(tǒng)，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(yīng)，同時改善啟動性能。

1 參數(shù)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(nèi)阻可按下式近似計算：

其中，R0為蓄電池內(nèi)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(nèi)阻R1，具體數(shù)字由廠家提供。

蓄電池和超級電容并聯(lián)供電時，由于超級電容內(nèi)阻遠(yuǎn)小于蓄電池的內(nèi)阻，故并聯(lián)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(jù)啟動電動機(jī)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(lián)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(lián)超級電容之后啟動系統(tǒng)中蓄電池容量；P為啟動的電機(jī)的額定功率；U為啟動的電機(jī)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(xù)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(tǒng)設(shè)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(fù)極通過電路總開關(guān)搭鐵，正極分兩路：一路通過啟動專用線接向啟動電動機(jī)，為啟動電動機(jī)強(qiáng)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(jīng)過啟動開關(guān)、直流接觸器常開觸頭到啟動電動機(jī)，為啟動電動機(jī)弱電路，如圖1中B所示；另一路經(jīng)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(guān)、啟動開關(guān)，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(jīng)主配電板、啟動開關(guān)、直流接觸器觸頭到啟動電動機(jī)弱電路后搭鐵。啟動電動機(jī)弱電路控制啟動電動機(jī)強(qiáng)電路接通，啟動電動機(jī)工作。

2.2 硬件設(shè)計

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

超級電容組與蓄電池組負(fù)極直接連接，正極分別通過DC-DC充電電路和并聯(lián)放電電路連接。每個超級電容都并聯(lián)有均壓保護(hù)電路，均壓保護(hù)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(fù)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(shù)。

DC-DC充電電路受啟動開關(guān)控制，當(dāng)接通電路總開關(guān)而沒有接通啟動開關(guān)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(shè)備正常供電。需要啟動前，接通啟動開關(guān)，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(shè)計，防止蓄電池大電流放電造成損傷。

并聯(lián)放電電路一方面控制超級電容組的輸出，當(dāng)超級電容組充電后與蓄電池組端電壓相等時，并聯(lián)放電電路將超級電容組與蓄電池組正極并聯(lián)。另一方面，并聯(lián)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(jìn)行啟動而損壞。

2.3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

閉合電路總開關(guān)，超級電容組與蓄電池組負(fù)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(tài)，不能實施啟動。閉合啟動開關(guān)，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(shù)。當(dāng)超級電容組與蓄電池組電壓相等時，并聯(lián)放電電路工作，將超級電容組與蓄電池組正極并聯(lián)，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(jī)弱電路工作，如圖1中B所示。弱電路控制強(qiáng)電路接通，啟動電動機(jī)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(shù)。

3 結(jié)束語

基于超級電容的自行火炮啟動系統(tǒng)，按啟動需求充電，節(jié)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(qiáng)、保養(yǎng)省、壽命長、溫度廣等優(yōu)勢，相對單獨的蓄電池組啟動自行火炮，節(jié)省人力物力，具備很高的軍事經(jīng)濟(jì)價值。

[1]張琦,王金全.超級電容器及應(yīng)用探討.電氣技術(shù),2007.

[2]張炳力.超級電容在汽車發(fā)動機(jī)啟動系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,32(11):12-15.

[3]王啟瑞.汽車電氣及電子設(shè)備.安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

[4]李貴遠(yuǎn),陳勇.動力電池與超級電容混合驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與仿真.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(1).