基于超级电容的自行火炮启动系统设计

刘重发，陈远江，杨杰敏，张 涛，张 郑

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

0 引言

自行火炮启动功率大电流强，一般安装有 4块12 V大容量铅酸蓄电池，通过混联变成24 V启动电源。由于蓄电池需要经常维护保养，并且定期更换，耗费大量人力物力。如果只用2块12 V蓄电池串联启动，则会出现启动时蓄电池极化严重、内阻上升快、容量下降多等问题，严重影响启动效果，甚至影响蓄电池的使用寿命，导致装备作战性能下降。

相对于蓄电池，超级电容具有以下优点：

1）功率密度高。超级电容功率密度达到十几kw/kg，一般是蓄电池的数十倍；

2）充电时间短。超级电容可在几秒至几十分钟充电完成，蓄电池需要几小时至十几小时完成充电；

3）放电电流强。超级电容最大放电电流达一千多安，且不会造成损害。蓄电池最大放电电流几百安，长时间会造成损伤；

4）循环次数多。超级电容循环寿命可达到百万次，蓄电池一般只有几百次；

5）使用寿命长。超级电容可以使用一二十年，蓄电池一般只能用两三年；

6）温度范围广。超级电容能在-40℃～+70℃范围内工作，而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作；

7）保养工作省。超级电容无需维护保养，蓄电池需要经常维护保养。

虽然超级电容具有蓄电池无法比拟的很多优势，但超级电容漏电流大，长时间保存电能困难，因此无法完全替代蓄电池。

采用2块蓄电池和超级电容组成启动电源系统，蓄电池储存电能，需要启动前给超级电容充电，超级电容充足电后与蓄电池共同实施启动。这样可以减少蓄电池用量，提供快速的功率响应，同时改善启动性能。

1 参数计算

1.1 超级电容和蓄电池电流的计算

充满电的铅酸蓄电池，在20℃温度时的内阻可按下式近似计算：

其中，R0为蓄电池内阻；Ue为蓄电池额定电压；C20为蓄电池的额定容量。超级电容的等效内阻R1，具体数字由厂家提供。

蓄电池和超级电容并联供电时，由于超级电容内阻远小于蓄电池的内阻，故并联超级电容后的蓄电池放电电流只占总放电电流的很小部分。由欧姆定律可知：

其中，i0为蓄电池所提供电流；i1为超级电容所提供电流。由(2)、(3)、(4)式可知，超级电容放电电流为蓄电池的R0/R1倍，占到总放电电流的R0/(R0+R1)倍。

1.2 蓄电池容量

启动型蓄电池的容量，主要根据启动电动机功率确定。如果单独采用蓄电池启动，则蓄电池的容量为：

蓄电池并联超级电容之后，启动过程中的电流由蓄电池和超级电容共同提供，蓄电池提供的电流大为减少，所以蓄电池所需容量为：

其中，C1为蓄电池容量；C1’为并联超级电容之后启动系统中蓄电池容量；P为启动的电机的额定功率；U为启动的电机的额定电压。

1.3 超级电容容量

超级电容放出的容量可以由下式计算：

其中，Q为超级电容储存的电量；i为超级电容的放电电流；t为超级电容的放电时间。

实际计算时，可按下式计算：

超级电容储存的电量选取能够支持连续大电流放电一定时间，超级电容电压变化值与启动过程中蓄电池变化值相同。

2 系统设计

2.1 自行火炮电启动线路

自行火炮电启动线路如图1所示。蓄电池组负极通过电路总开关搭铁，正极分两路：一路通过启动专用线接向启动电动机，为启动电动机强电路，如图1中A所示；另一路接向主配电板。主配电板上启动线路分两路：一路经过启动开关、直流接触器常开触头到启动电动机，为启动电动机弱电路，如图1中B所示；另一路经过启动按钮到直流接触器线圈后搭铁，控制直流接触器通断。

启动时，闭合电路总开关、启动开关，按下启动按钮，直流接触器工作，其触头闭合，电流从蓄电池组正极经主配电板、启动开关、直流接触器触头到启动电动机弱电路后搭铁。启动电动机弱电路控制启动电动机强电路接通，启动电动机工作。

2.2 硬件设计

系统原理框图如图2所示，系统主要由超级电容组、均压保护电路、DC-DC充电电路、并联放电电路和检测显示电路组成。

超级电容组与蓄电池组负极直接连接，正极分别通过DC-DC充电电路和并联放电电路连接。每个超级电容都并联有均压保护电路，均压保护电路使超级电容充电时能够充满，防止电压过高损坏，放电时负载均匀。检测显示电路用来检测和显示超级电容组充放电电压、电流、时间等参数。

DC-DC充电电路受启动开关控制，当接通电路总开关而没有接通启动开关时，DC-DC充电电路不工作，蓄电池可以为自行火炮其他用电设备正常供电。需要启动前，接通启动开关，蓄电池组通过 DC-DC充电电路给超级电容组充电。DC-DC充电电路采用限流设计，防止蓄电池大电流放电造成损伤。

并联放电电路一方面控制超级电容组的输出，当超级电容组充电后与蓄电池组端电压相等时，并联放电电路将超级电容组与蓄电池组正极并联。另一方面，并联放电电路控制启动按钮给直流接触器线圈供电电路，只有放电电路接通后，按下启动按钮才能实施启动，防止超级电容组与蓄电池组正极没有接通时，蓄电池组单独放电进行启动而损坏。

2.3 工作流程

系统工作流程如图3所示。

闭合电路总开关，超级电容组与蓄电池组负极搭铁，蓄电池组可以向全炮单线制电路供电。此时，启动电路处于闭锁状态，不能实施启动。闭合启动开关，蓄电池组通过 DC-DC充电电路向超级电容组充电，同时检测显示电路工作，记录充电电压、电流、时间等参数。当超级电容组与蓄电池组电压相等时，并联放电电路工作，将超级电容组与蓄电池组正极并联，同时启动电路解锁。按下启动按钮，直流接触器线圈通电，其触头闭合，启动电动机弱电路工作，如图1中B所示。弱电路控制强电路接通，启动电动机工作，如图1中A所示。检测显示电路记录放电电压、电流、时间等参数。

3 结束语

基于超级电容的自行火炮启动系统，按启动需求充电，节省蓄电池容量。无需启动时闭锁启动电路，避免误操作。具备充电快、放电强、保养省、寿命长、温度广等优势，相对单独的蓄电池组启动自行火炮，节省人力物力，具备很高的军事经济价值。

[1]张琦,王金全.超级电容器及应用探讨.电气技术,2007.

[2]张炳力.超级电容在汽车发动机启动系统中的应用研究.合肥工业大学学报,2009,32(11):12-15.

[3]王启瑞.汽车电气及电子设备.安徽科学技术出版社,2000.

[4]李贵远,陈勇.动力电池与超级电容混合驱动系统设计与仿真.系统仿真学报,2007,19(1).