超级电容器在航空蓄电池起动车上的应用研究

孔 华，康 凯，张 光，杨学光

(1.空军勤务学院，江苏徐州221000；2.广空装备部，广东广州510000)

超级电容器在航空蓄电池起动车上的应用研究

孔 华1，康 凯2，张 光1，杨学光1

(1.空军勤务学院，江苏徐州221000；2.广空装备部，广东广州510000)

航空蓄电池起动车采用分级起动方式起动飞机，在此过程中会产生几次大的峰值电流，这不仅会使蓄电池在瞬时大功率输出上难以满足起动要求，还会对起动车蓄电池的极板产生较大冲击，减少蓄电池的使用寿命。将超级电容器与蓄电池组成复合电源系统，可以使系统的能量利用率大幅度提高，同时保证飞机起动成功率，延长蓄电池的使用寿命。关键词：航空；复合电源；超级电容器

1 问题的提出

飞机起动即飞机发动机的起动，是指用外力矩将飞机发动机加速到“自持转速”的过程。为使电机能柔和地、无撞击地带动发动机转子转动，并逐步增大转矩，使发动机逐步加速，目前各类小型飞机大都采用分级起动方式，在整个起动过程当中，起动电流会有三次比较明显的阶跃。而起动飞机时所产生的大电流激变不仅会使蓄电池在瞬时大功率输出上难以满足启动要求，还会因大电流对起动车蓄电池的电极板产生较大冲击，减少蓄电池的使用寿命。本文的目的就是要找出一种方法既能满足起动要求，同时又能有效延长蓄电池的寿命。

1.1 飞机地面起动简介

以某型飞机地面起动为例，分析在起动过程中所需起动电流的大小和地面电源的工作情况。

第一级起动：飞机发动机从静止状态开始转动；第二级起动：增大起动转矩，使发动机转速迅速增大；第三级起动：升压；第四级起动：完成起动。

该型机四级起动的时间顺序不会改变，其起动电流和起动电机端电压的变化规律如图1所示。

图1 某型飞机地面起动电流、电压曲线

1.2 超级电容器[1]

超级电容器的基本结构包括两个高比表面积多孔性电极、多孔性隔膜材料以及吸附其中的电解液。隔膜一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜，要求具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导。在每个电极的另一面紧贴有集电极以减少电容器的阻抗损耗，其基本结构如图2所示。

图2 超级电容器的基本结构

超级电容器和静电电容器及电池的优势明显，见表1。

(1)有非常高的功率密度。其功率密度可为电池的10～100倍，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适用于短时间高功率输出的场合。

表1 超级电容器和静电电容器及电池的特性比较

(2)充电速度快。超级电容器可采用大电流充电，能在几十秒至几分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。在任何荷电状态值处，超级电容器都能以满电流方式放电。

(3)循环寿命长，半永久性使用无需更换。碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达10万次以上，比电池高10～100倍。

(4)效率高。由于电容的内阻非常小，所以电容的充放电基本是可逆的，库仑效率可达到0.99以上。

由于超级电容器所具有的上述特点，使得其在能量/功率单元中得到了广泛的应用。超级电容器与蓄电池并联可应用于各种内燃发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池容量不足的情况下，确保可靠启动。

1.3 某型航空蓄电池起动车

某型航空蓄电池起动车是新型交直流综合型航空蓄电池起动车。该起动车采用28 V/600 Ah阀控式密封蓄电池为电源，通过逆变电路、交直流控制电路，实现不同电压的转换，输出两组28.5 V直流电源及28.5 V/57 V直流起动电源；两组115 V/220 V、400 Hz三相交流电源或115 V/400 Hz单相交流电源；还可提供36 V/400 Hz三相交流电源，其电气原理如图3所示。

图3 某型起动车原理框图

2 超级电容器在某型起动车上的应用研究

飞机起动对航空地面电源的性能提出了很高的要求，而超级电容器的出现为解决这一问题开拓了广阔的前景。下面主要从超级电容在航空地面电源上应用的可行性分析，复合电源的结构原理以及利用超级电容对某型起动车的改造等几方面进行了介绍。

2.1 超级电容器在某型起动车上应用的可行性分析

经过实验可得到如图4所示的几幅电容器(奥威科技有限公司生产，活性炭电极和氢氧化镍电极超级电容器，下同)在不同电流放电的测试曲线图和表2所示的电容器大电流放电能力，它们体现了超级电容器在大电流放电时的特性[2]。由图4和表2可以看出，与蓄电池相比，超级电容器的比功率大，充放电速度快，输出功率大，其大电流的放电能力也完全适用于飞机的大电流起动，所以，超级电容器应用在飞机的地面电源上是完全可行的。

图4 电容器不同电流放电测试曲线图

表2 电容器大电流放电能力

2.2 复合电源的优势

尽管超级电容器有着如此众多的优点，过低的比能量却是超级电容器单独成为能量源的致命障碍。单选蓄电池和超级电容器任何一种能量源，都不能同时满足高比能量和高比功率的要求，因此，把超级电容器和蓄电池结合起来才能形成更有效能的电源系统。采用超级电容器与蓄电池结合的复合动力系统具有以下优点:

(1)实现了飞机对能量和功率要求的分离，蓄电池设计可以集中于对比能量要求的考虑，而不必过多的考虑比功率问题。

(2)由于超级电容器的负载均衡作用，电池的放电电流得以减少从而使电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高，保障成本降低。

(3)充分利用了两种能源的优点，比如，蓄电池的技术成熟、成本低廉;超级电容器巨大的比功率和瞬间充放电能力，不受限制的使用寿命。

(4)由于超级电容可以迅速高效实施再充电，所以缩短了准备时间，提升了效率，有效提高了保障的能力。

2.3 复合电源的组成和工作原理

整个起动过程当中，起动电流会有三次比较明显的阶跃，这对蓄电池的电极板会有较大的冲击，严重影响蓄电池的使用寿命，而超级电容器和蓄电池并联后，超级电容器具有的充放电速度快、可大电流充放电的特点就避免了大电流对蓄电池极板的冲击。下面用几个简单的原理图来说明一下复合电源的组成和工作原理。图5为复合电源的基本原理框图，它主要由供电控制系统、蓄电池、超级电容器、信息采集处理系统、充放电系统组成；其中由供电控制系统综合处理信息采集处理系统反馈的信息，通过控制充放电系统来控制超级电容器的工作状态。蓄电池和超级电容器通过供电控制系统以不同的工作方式对飞机供电。

图5 复合电源供电原理框图

2.4 超级电容器对某型起动车的改造

根据本文的理论可对该型起动车进行改进，即把超级电容器加入该型起动车的电路中，当监控电路检测到输出电流大幅度增大，超过400 A时，监控电路向控制电路发出信号，由控制电路控制超级电容器与蓄电池组并联共同提供输出电流，由超级电容器负责提供增大的那部分电流，图6为改进后的原理图。

图6 某型起动车改进后原理框图

通过本文的设计改造，可以达到抑制蓄电池大电流放电的目的，从而减少对蓄电池极板的冲击，大幅度延长其使用寿命，提升飞行保障的经济效益。

3 总结

本文主要介绍了超级电容器的优点，并利用超级电容器对航空蓄电池起动车进行改造。即在原某型起动车中加装超级电容器来提供起动飞机过程中所需的几次大的峰值电流，从而达到保证飞机起动成功率，减少大电流对蓄电池极板的冲击以延长其使用寿命的目的。超级电容器以其优越的性能为我们的日后研究工作提供了一个广阔的平台，利用超级电容器对航空装备的改造也必然有着广阔的前景。

[1]梁逵.碳纳米管及氧化镍超级离子电容器的研究[D].成都：电子科技大学，2002.

[2]任炼文，熊佳.电动公交车用超级电容器的研究[J].电池工业，2006,11(4)：238-239.

Study on application of aviation storage battery start vehicle based on super capacitor

When start an airplane,a way was taking by aviation storage battery start vehicle with the ratings.Several times big value electric current would be created through this process.Then it was not only hard to satisfy the start request on big power output top in the moment,but also big pound at plates would be created.The service life of storage battery was decreased.Constituting hybrid power system with super capacitor and storage battery,exaltation of the energy utilization of system was significantly improved,the airplane start success rate in the meantime could be ensured,and the service life of storage battery could also be extended.

aviation;hybrid power system;super capacitor

TM 53

A

1002-087 X(2015)10-2134-03

2015-03-17

孔华(1977—)，男，江苏省人，讲师，硕士生，主要研究方向为航空装备技术。