電磁發射用“鋰電池-超級電容”混合儲能技術研究綜述*

吳志程, 朱俊杰, 許 金, 孫興法, 常永昊

(1.海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033；2.海軍裝備部信息保障室，北京 100000)

0 引 言

電磁發射技術，作為全新概念的發射方式，已成為國內外的研究熱點。與傳統發射方式相比，電磁發射具有隱蔽性好、發射過程精確控制、載荷體形質量不受限和重復成本低等優勢，有希望在多種應用場合中取代傳統發射[1]。

在軍事領域和民用領域多樣化發展的電磁發射技術對儲能的需求也更加多樣，文獻[2]指出特定應用場合配置的儲能系統功率密度和能量密度越來越高。目前，國內外學者對于電磁發射的儲能技術做了較多研究，但均是單一儲能的形式[3-5]。在現有技術條件下，單一儲能無法同時兼顧高能量密度和高功率密度需求，存在應用場景受限制、能源利用率低、經濟效益差等缺陷，無法滿足電磁發射系統(EMLS)載荷多樣化的儲能需求。

因此，文獻[6-8]提出采用混合儲能系統(HESS)控制不同特性的儲能器件協調工作，優勢互補，提高了儲能系統的功率密度和能量密度，有效解決了不同載荷儲能需求的多樣化難題，提了高EMLS的可靠性、通用性和經濟性。

1 EMLS儲能需求分析

如圖1所示，EMLS由儲能系統、電能變換設備、脈沖直線電機和控制系統4部分組成[6]。

圖1 EMLS組成

電磁發射技術的應用形式十分多樣。根據工作原理的不同可分為：軌道式、線圈式、電機式[9]。根據發射長度和末速度的不同可以分為：電磁彈射、電磁軌道發射、電磁推射[10]。電磁發射過程中，不同的載荷在不同工作模式、技術分支和應用場合下對儲能的功率/能量需求各異。圖 2為EMLS短時間歇式工作模式3種不同工況下的功率/能量需求對比。與單一儲能相比，混合儲能在功率/能量需求指標的靈活配置上占據更大優勢，可滿足電磁發射載荷多樣化的儲能需求，從而提高EMLS的通用性和靈活性。

圖2 EMLS功率/能量需求示意圖

與電動汽車[11]、微電網[12]等應用場合不同，電磁發射的短時尖峰功率需求和短間隔連發需求要求儲能系統必須供應大功率脈沖電能，存儲足夠多次連發的電量。

脈沖式、高壓、大電流的工作特點對儲能拓撲電力電子裝置的靈活性、可靠性和響應速度提出了極高的要求[6]。

在軍事領域中，EMLS自身的重量與體積受嚴格限制，因此儲能系統的輕便性和適裝性至關重要。HESS兼具高功率密度特性和高能量密度特性，在滿足電磁發射功率/能量需求的基礎上，能夠確保重量/體積最優。

同時，EMLS復雜多變的運行環境使儲能系統必須適應差異明顯的溫度變化，而且具備高、低溫正常放電的能力。

因此，EMLS的儲能需求可總結為，能夠供應大功率脈沖電能，存儲足夠多次連發的電量，具有極高的通用性、靈活性和安全性，確保重量與體積最優和適應溫度范圍廣。

2 EMLS儲能技術研究現狀

目前，國內外EMLS主要采用單一儲能，包括蓄電池、超級電容、飛輪儲能和超導磁儲能等。

文獻[3]采用鋰電池作為基本儲能單元，通過快速靈活串并轉換的拓撲結構，使其滿足電磁發射不同設備的電壓、電流需求。但是鋰電池儲能無法在重量體積受限時提供EMLS所需脈沖電能的峰值功率，且環境溫度適應性差，無法在低溫環境下維持正常充放電的功能。

文獻[13]采用較高能量密度的電容器作為EMLS中功率轉換，能量存儲和電能壓縮的設備，但存在能量密度達不到EMLS要求、成本高、體積龐大等問題。

文獻[14]采用飛輪儲能提供能量脈沖對EMLS中的高壓電容器充電。飛輪儲能是目前性能最佳的儲能技術，能夠同時兼顧高能量密度和高功率密度，但是其技術設備十分復雜，由儲能電機和控制變頻器等設備組成，成本大，且存在較大的損耗[9]，因此飛輪儲能常應用在對重量、體積要求十分苛刻的場合。

文獻[15]指出超導磁儲能技術有望成為EMLS的理想儲能方式之一，可實現減小電流需求、優化能源利用率、節省空間的目標[16]。

對比第1節對EMLS儲能需求的分析，單一儲能技術研究現狀表明，由于儲能器件本身特性，使其無法兼顧功率和能量密度，存在應用場景受限、能源利用率低、經濟效益差等缺陷，無法有效解決EMLS載荷多樣化的儲能問題。

3 EMLS混合儲能關鍵技術

3.1 儲能器件選擇

HESS作為電磁發射的關鍵組成部分，起到了能量緩存與功率放大的作用，避免了發射載荷直接向供電系統吸收過大的瞬時功率和能量，造成電網劇烈波動。通過對各儲能器件的定性和定量分析[17-19]，綜合考慮功率密度、能量密度、使用壽命、安全性和溫度適應性等特性，選擇鋰電池與超級電容作為EMLS的儲能器件。鋰電池與超級電容特性對比如表1所示。

表1 鋰電池與超級電容特性對比

由表1可知，鋰電池能量密度高，存儲容量大，但使用壽命短，功率密度低，無法提供電磁發射載荷所需的瞬時功率峰值。因此，鋰電池在HESS中可作為第一級儲能，長時間低功率吸收電網能量并存儲，為載荷和功率型儲能器件提供安全穩定的大容量電能。

超級電容是一種新型儲能器件，功率密度高，免維護，使用壽命長，適用溫度范圍廣，但是能量密度低于鋰電池，在EMLS中可作為第二級儲能，具有壓縮電能和瞬時釋放的功能[13]。

因此，可采用“鋰電池-超級電容”混合儲能作為電磁發射的儲能系統，鋰電池作為第一級儲能器件，超級電容作為第二級儲能器件，兩者協調工作，優勢互補，從而充分發揮HESS的性能，滿足EMLS載荷多樣化的功率/能量需求，重量與體積限制和環境溫度適應性要求。

3.2 混合儲能并聯結構設計

現有的“鋰電池-超級電容”混合儲能拓撲結構可分為雙DC/DC變換器并聯[20]、單DC/DC變換器并聯[21]和直接并聯[22]3種，如圖3所示。

圖3 “鋰電池-超級電容”混合儲能拓撲結構

在電動汽車[11]、微電網[12]和艦船電力系統[9]等應用場合中，HESS輸出持續波動電能，采用雙或單DC/DC變換器并聯的拓撲結構，可調節各儲能器件的充放電量，控制儲能器件的輸入輸出，穩定直流母線電壓，延長儲能器件壽命，提高系統性能[23]。而在EMLS中，混合儲能釋放短時尖峰功率、短間隔連續發射的脈沖電能，且功率與能量等級遠大于其他應用場合，鋰電池與超級電容若采用DC/DC變換器并聯會導致以下問題：

(1) 拓撲結構復雜，短時間歇式工作模式下控制難度大；

(2) 脈沖式、高壓、大電流的工況下，DC/DC變換器成本高，安全性低；

(3) 開關器件斬波控制時，電壓、電流波動大，DC/DC變換器響應速度慢。

由圖3(b)可以看出，鋰電池與超級電容直接并聯拓撲不存在上述問題，且其結構簡單，成本低，系統效率高，響應速度快，適合EMLS短時尖峰功率、短間隔連續發射的工作模式[22]。文獻[24]對比了鋰電池與超級電容直接并聯的拓撲在恒定功率工況下和脈沖功率工況下的性能表現，結果表明直接并聯拓撲更加適合脈沖功率工況。

HESS直接并聯的等效電路模型如圖4所示。

圖4 HESS直接并聯的等效電路模型

盡管直接并聯結構的眾多優勢和特性使其更加適合EMLS混合儲能，但是當HESS瞬時輸出大功率脈沖電能時，直流母線電壓Udc會瞬間跌落，從而導致鋰電池存在大倍率放電的風險，損害其使用壽命。由圖4中各個變量之間的關系可以得出，HESS輸出功率的瞬態過程中，直流母線電壓Udc不能突變，通過鋰電池組斬波控制，調整鋰電池組的電壓Ub，即可控制鋰電池輸出電流ib的大小和輸出功率。

因此，通過鋰電池組的斬波控制，不僅可以限制鋰電池放電電流不超過最大放電倍率，還能實現鋰電池與超級電容功率的合理分配，是EMLS應用混合儲能的關鍵技術之一。

3.3 混合儲能容量配置方法

目前儲能技術應用十分廣泛，但儲能器件的成本依舊十分昂貴，在實際應用中，通常會優先考慮成本要素。混合儲能的容量配置過大會導致總成本增加，容量配置過小則會導致儲能器件過充過放，影響其使用壽命[25]。因此，必須對HESS不同特性的儲能器件進行容量配置優化，確定成本、體積、重量和功能實現等多目標優化函數，然后綜合考慮使用壽命、儲能器件SOC、充放電功率和電網功率平衡等約束條件，最后通過合適的尋優算法進行求解，得出最優容量配置方案[26]。

根據EMLS采用的鋰電池與超級電容直接并聯結構，采取儲能器件容量拓展方式，如圖5所示。

圖5 容量配置示意圖

圖5中，超級電容與鋰電池組之間設有防反二極管，防止超級電容對鋰電池進行能量反灌，損傷鋰電池壽命。在任意EMLS應用場合下，根據負載需求確定直流母線電壓等級后，必須通過調整超級電容組的并聯數y和鋰電池組的并聯數x拓展系統容量，從而實現“鋰電池-超級電容”HESS在滿足不同功率/能量需求的同時，使系統總體積、總重量和總成本等優化目標在所有方案中達到最優，進而提高HESS在不同應用場合下的適裝性、通用性和經濟性。

常用的容量配置優化算法有迭代法、智能優化算法等。迭代法算法簡單但運算量大，容易陷入局部收斂；智能優化算法魯棒性較強，易于實現，精確度高，但求解復雜。目前，較為常用的是智能優化算法，有量子遺傳算法[25]、改進粒子群算法[27]、人工蜂群算法[28]等。對于不同的應用場景需選擇不同的優化算法，從而合理配置系統容量，充分發揮系統性能。

3.4 混合儲能實時控制策略

在EMLS短時間歇式工作模式下，混合使用鋰電池與超級電容儲能，充分發揮鋰電池能量密度大和超級電容功率密度大的特點，保護儲能器件安全充放電，必須研究合理的HESS實時控制策略，實時控制各儲能器件的能量流動，其核心問題即功率和能量的分配問題[29]。

混合儲能常用的功率分配控制方法有濾波技術[11]、基于規則的控制算法[30]、模糊邏輯控制方法[31]和動態規劃算法[32]。

文獻[7]提出采用模糊控制的能量管理策略有效提高儲能系統的功率密度，縮短連續彈射間隔內的充放電時長，提高了連續彈射的速率。

基于EMLS短時脈沖功率、短間隔連續發射的運行工況，必須制定合理的控制策略，選擇相應的控制算法，縮短發射間隙，提高系統安全穩定的運行能力和瞬時工況下的響應速度。

4 結 語

本文分析了EMLS短時間歇式運行模式下的儲能需求，介紹了EMLS儲能技術的研究現狀及現有缺陷。在此基礎上，對“鋰電池-超級電容”混合儲能應用于EMLS所需要攻克的儲能器件選擇、并聯結構設計、容量配置和實時控制等關鍵技術進行了論述。如何將混合儲能關鍵技術與電磁發射短時尖峰功率需求、短間隔連發需求相結合，制定適用于電磁發射應用場合的HESS研究方案，是未來制定技術方案的難點。

EMLS用混合儲能技術的研究展望如下：

(1) EMLS應用場景、作業流程的不同以及多樣化負載需求，使得系統呈現運行狀態時變性強、儲能瞬時輸出功率差異大等多樣化態勢。因此，可開展“鋰電池-超級電容”HESS的功率分配建模分析，以及基于儲能器件模型的安全性分析和壽命評估。

(2) HESS的控制方式不當將影響鋰電池使用壽命，甚至嚴重影響系統的安全穩定運行。因此，可結合超級電容與鋰電池的最佳充放電特性曲線，研究多時間尺度下基于能量損耗與使用壽命最優的“鋰電池-超級電容”HESS優化控制策略。

HESS的應用可有效解決電磁發射多樣化載荷的儲能問題，提高電磁發射的通用性、安全性和經濟性，對電磁發射技術應用多樣化、裝備輕便化、系統可靠性和提高能源利用率具有重大意義。