關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器，航空地面電源

1 引言

1.1簡(jiǎn)介

超級(jí)電容器是近十年來(lái)出現(xiàn)的最為與眾不同的電容器。論文大全。超級(jí)電容器的問(wèn)世實(shí)現(xiàn)了電容量由微法級(jí)向法拉級(jí)的飛躍，徹底改變了人們對(duì)電容器的傳統(tǒng)印象。

超級(jí)電容器是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的電容量極大的電容器。根據(jù)電容器的原理，電容量取決于電極間距離、介質(zhì)與電極表面積。為了得到如此大的電容量，超級(jí)電容器盡可能地縮小電極間距離、增加電極表面積，為此采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極。雙電層介質(zhì)在電容器兩電極施加電壓時(shí)，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶電荷相反的電荷并被束縛在介質(zhì)界面上，形成事實(shí)上的電容器的兩個(gè)電極，兩電極的距離非常小，僅幾納米，同時(shí)活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可以達(dá)到200m2／g，因而這種結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量。圖1為超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。就儲(chǔ)能而言，超級(jí)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。

當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。

1.2超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1優(yōu)點(diǎn)

（1）更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，能夠循環(huán)百萬(wàn)次以上；

（2）低阻抗，和電池并聯(lián)時(shí)能夠增強(qiáng)負(fù)載電流；

（3）迅速充電，超級(jí)電容器能夠在幾秒鐘內(nèi)充滿(mǎn)；

（4）簡(jiǎn)單的充電模式，無(wú)需檢測(cè)是否充滿(mǎn)，過(guò)充無(wú)危險(xiǎn)；

（5）具有法拉級(jí)的超大電容量；

（6）脈沖功率比蓄電池的高近十倍；

（7）能在-40℃～60℃的環(huán)境溫度中正常使用；

（8）無(wú)污染，真正免維護(hù)。超級(jí)電容器用的材料是安全和無(wú)毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池用的材料具有毒性；

（9）超級(jí)電容器可以任意并聯(lián)使用來(lái)增加電容量，采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。

1.2.2缺點(diǎn)

（1）線性的放電曲線使其無(wú)法完全放電；

（2）低能量密度，一般只有一個(gè)化學(xué)電源能量密度的五分之一到十分之一；

（3）低電壓，需要若干個(gè)連接后才能得到高電壓，3個(gè)電容以上串聯(lián)時(shí)需要平衡電壓；

（4）高自放電，自放電率高過(guò)化學(xué)電源。

由此可知，超級(jí)電容器具有很好的性能，但是超級(jí)電容器目前還不能完全代替電池，因?yàn)槌?jí)電容器的應(yīng)用特長(zhǎng)是功率的輸入/輸出，而不是高能量。一種最佳的優(yōu)化組合是將超級(jí)電容器與電池組合使用，因?yàn)殡娫窜?chē)起動(dòng)時(shí)電流很大，只用電池會(huì)大大降低電池壽命，如將超級(jí)電容器與電池組合使用，不僅可以減少起動(dòng)電池的使用數(shù)量，而且還優(yōu)化了輸出能量，增加了電池使用壽命。依據(jù)這一思維，如能將這一最優(yōu)組合方式用在航空地面電源起動(dòng)系統(tǒng)中，那么航空地面電源性能將提升到一個(gè)新的水平。

2 航空地面直流電源的輸出特性

2.1 422系列電源車(chē)的簡(jiǎn)介

422系列電源車(chē)不但在航空兵場(chǎng)站應(yīng)用越來(lái)越多，而且已經(jīng)被民航機(jī)場(chǎng)廣泛采用。它較以往的電源車(chē)在技術(shù)性能和生產(chǎn)工藝上都有了較大的提高，體積小，重量輕，機(jī)動(dòng)性能好。

422系列電源車(chē)采用了一組航空蓄電池GB，由兩塊182型電瓶經(jīng)減格連接而成，端電壓為26 V左右。它既是柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的工作電源，又是電源車(chē)的直流輔助電源。當(dāng)接通蓄電池“輸出”開(kāi)關(guān)S4時(shí)，蓄電池輸出控制接觸器 KM1工作，將蓄電池GB與電源車(chē)供電電路接通。當(dāng)輸出28.5/57V電源和“0—70 V”電源時(shí)必須合上S4。

負(fù)載特性：突然加載，由0突加到800A×2，瞬時(shí)電壓不低于25.5V，3s內(nèi)穩(wěn)定到27.5~28.5V；突然卸載，由800A ×2突減到0，瞬時(shí)電壓不高于32 V，3s內(nèi)穩(wěn)定到28.5~29.5 V；超載，1200A×2，電壓不低于25V。

2.2 422系列電源車(chē)的缺陷以及改進(jìn)設(shè)想

422系列電源車(chē)起動(dòng)采用起動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式。在起動(dòng)過(guò)程中特別是在起動(dòng)瞬間，由于起動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢(shì)，故起動(dòng)電流為：

其中：

為蓄電池空載端電壓，

為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞電阻、

為蓄電池內(nèi)阻、

為線路電阻。由于

、

、

均很小航空地面電源車(chē)，起動(dòng)電流非常大。

例如用12V、45Ah的蓄電池起動(dòng)安裝1.9L柴油機(jī)的電源車(chē)，經(jīng)過(guò)仿真可知，蓄電池的電壓在起動(dòng)瞬間由12.6V降到約3.6V！起動(dòng)過(guò)程的蓄電池電壓波形如圖2；起動(dòng)瞬時(shí)的電流達(dá)550A，約為蓄電池的12倍的放電率！起動(dòng)過(guò)程的蓄電池電流波形如圖3（圖3中縱坐標(biāo)為電流傳感器兩端的電壓值，電流傳感器的電流/電壓變換比率為100A/V，即5.5V代表550A）。盡管車(chē)用蓄電池是起動(dòng)專(zhuān)用蓄電池，可以高倍率放電，但在圖2中可以看出，10倍以上高倍率放電時(shí)的蓄電池性能變得很差，而且，如此高倍率放電對(duì)蓄電池的損傷也是非常明顯的。

在起動(dòng)飛機(jī)的過(guò)程中，起動(dòng)電流的突變更劇烈。在某型飛機(jī)的四級(jí)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)電流的變化會(huì)對(duì)蓄電池帶來(lái)更嚴(yán)重的損壞。論文大全。起動(dòng)過(guò)程的電壓劇烈變化也是極強(qiáng)的電磁干擾，可以造成電氣設(shè)備的“掉電”，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程結(jié)束后重新上電，計(jì)算機(jī)在這個(gè)過(guò)程中非常容易死機(jī)。因此，無(wú)論從改善電源車(chē)電氣設(shè)備的電磁環(huán)境還是從改善電源車(chē)的起動(dòng)性能和蓄電池的性能、延長(zhǎng)使用壽命來(lái)考慮，改善電源車(chē)電源在起動(dòng)過(guò)程的性能是必要的。

問(wèn)題的解決可以采取加大蓄電池容量的方案，但需要增加很多，使體積增大，這并不是好的解決方案。將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，可以用于提供飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間所需的沖擊大電流，提高起動(dòng)性能，縮短起動(dòng)時(shí)間，降低起動(dòng)瞬間大電流對(duì)蓄電池造成的損害，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。而且超級(jí)電容器在以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的422系列直流電源車(chē)上的采用可以解決電源車(chē)起動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間功率不足的技術(shù)難題。同時(shí)，在起動(dòng)瞬間超級(jí)電容器對(duì)直流電源車(chē)發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機(jī)具有很大的保護(hù)作用。

3 超級(jí)電容器在航空地面直流電源車(chē)中的應(yīng)用

3.1電性能的改善

采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)起動(dòng)過(guò)程的電壓波形如圖4, 與圖2相比采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)起動(dòng)瞬間電壓跌落由僅采用蓄電池時(shí)的3.2V提升到7.2V；起動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓由7V提高到9.4V。

圖4 采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)起動(dòng)過(guò)程的電壓波形3.2 起動(dòng)性能的改善

超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用可以提高電源車(chē)的起動(dòng)性能，將超級(jí)電容器（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)起動(dòng)安裝1.9L柴油機(jī)的電源車(chē)，在10℃時(shí)平穩(wěn)起動(dòng)，盡管在這種情況下，當(dāng)不連接超級(jí)電容器，蓄電池也可以起動(dòng)，但采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度和性能都非常的好。由于電源輸出功率的提高，起動(dòng)速度由僅用蓄電池時(shí)的起動(dòng)速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高電源車(chē)?yán)涮斓钠饎?dòng)性能（更高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）上，超級(jí)電容器是非常有意義的，在-20℃時(shí)，由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常起動(dòng)或需多次起動(dòng)才能成功，而超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)則僅需一次點(diǎn)火。其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。

3.3 對(duì)蓄電池應(yīng)用狀態(tài)的改善

超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)，由于超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）遠(yuǎn)低于蓄電池的內(nèi)阻，因此，在起動(dòng)瞬間起動(dòng)電流大部分由超級(jí)電容器提供，有效地降低了蓄電池極板的極化，阻止了蓄電池內(nèi)阻的上升使起動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓得到提高。最主要的是蓄電池極板極化的減輕不僅有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，而且也可以消除頻繁起動(dòng)對(duì)蓄電池壽命的影響。

4 結(jié)論

以上是對(duì)超級(jí)電容器在航空地面電源上應(yīng)用的可行性分析。超級(jí)電容器已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)有了廣泛的應(yīng)用航空地面電源車(chē)，如配合蓄電池應(yīng)用于各種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電起動(dòng)系統(tǒng)；用作高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的直流操作電源，用于鐵路駝峰場(chǎng)道岔機(jī)后備電源；用于電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛的制動(dòng)能量回收和起步加速電源以及軍工車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的電起動(dòng)裝置；用于重要用戶(hù)的不間斷供電系統(tǒng)；用于風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。論文大全。這些事實(shí)充分證明了超級(jí)電容器的良好性能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著超級(jí)電容器在航空地面電源上應(yīng)用的不斷深入，有可能縮短我軍電源保障裝備與航空主戰(zhàn)裝備的巨大差距，更好地保障航空主戰(zhàn)裝備。

參考文獻(xiàn)

1 42Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. FrankLev. Tavrima Canada Ltd, April 12,2002

2GJB572-88,飛機(jī)地面電源供電特性及一般要求

3GJB1910-94, 飛機(jī)地面電源車(chē)通用規(guī)范

4 陳艾等.超大容量電化學(xué)離子電容器.電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論，1999，（4）：34-36