贮能式电源在航天火工品驱动的应用研究

陈 曦， 张洪源， 刘 伟， 曹雷团， 付继伟

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

贮能式电源在航天火工品驱动的应用研究

陈 曦， 张洪源， 刘 伟， 曹雷团， 付继伟

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

相对于传统的功率电池式火工品电源质量大、测试性差的特点，提出了一种使用超级电容的贮能式火工品电源，不仅可大幅减轻质量，而且在系统研制各阶段都可进行测试。基于航天运载器可靠性要求高的特点，研究了超级电容贮能式电源的串并联设计方法和均衡方案，并分析了其可靠性和输出伏安特性，通过试验检验了其大电流驱动能力。

超级电容；火工品；电源

在航天运载器飞行过程中，需要通过火工品电源引爆火工品，以在规定的时间完成火箭点火、级间分离等飞行动作。为了确保发火安全性，目前广泛使用了钝感电火工品，其发火电流较大，一般单桥带钝感电火工品需要6 A以上的驱动电流。为了提供足够大驱动电流，传统的火工品电源使用功率电池，其中，可充式和自动激活的银锌电池使用较多。

功率电池也存在一些弊端。首先，功率电池质量大，同时驱动两只钝感电火工品的功率电池质量一般约为3～5 kg。其次，测试性受到限制，激活式功率电池仅能使用一次，可充式功率电池的容量会随充电次数增加而下降，因此，在产品测试中无法使用配套的功率电池进行供电，而只能使用稳压电源进行模拟，从而增加不可测试项目。

文献[1]将超级电容引入地面无人战斗车的设计，尽管文中未详细论述超级电容的具体应用，但该报道表明其功率密度大的特点已经在军用装备设计中得到了应用。本文提出了一种贮能式火工品电源，使用超级电容贮存电能，可以实现大幅减轻质量，提高测试性的目的。

1 贮能元件特性分析

普通电容、超级电容和电池都是可为其他电路提供电能的贮能元件，表1列举了三者的典型性能[2]。

由表1可知，用超级电容作为贮能元件驱动火工品有两个优点：(1)超级电容功率密度比电池大，火工品驱动能力的最重要指标是输出功率，电容的输出功率虽大，但贮能较少，不适宜使用，相反，电池虽然贮能大，但输出功率低，比功率一般不超过500 W/kg，而超级电容的比功率高达1～10 kW/kg，因此超级电容对于短时间输出大电流的应用具有明显优势，更适合驱动火工品；(2)测试性好，激活式功率电池仅能使用一次，银锌蓄电池的容量会随充电次数增加而下降，只有在临近发射前才能投入使用，难以在进入发射任务之前完成测试，相比之下，超级电容理论上没有充放电次数的限制，因此可以在各阶段系统测试中反复使用，因此使用超级电容做火工品驱动电源可以大大提高测试性。

2 设计方案

单体超级电容的电压和电流都比较有限，因此在实际使用中，需要在合理选择超级电容的基础上，通过串并联实现规定的电压、驱动电流及可靠性。由超级电容组成的火工品电源电路示意图如图1所示。航天运载器火工品电源的充电时间可以选择在发射前，因为超级电容的自放电时间相对于飞行时间来说很长。

图1 贮能式火工品电源示意图

2.1 电路的设计输入

在设计火工品电源之前，需要明确电路的设计输入：火工品电源空载电压，一般由系统电源母线的设计惯例决定；额定输出电流，为本火工品电源需要在同一时刻驱动的火工品数量与火工品额定电流的乘积；额定输出总电量，为同一时刻驱动的火工品数量与额定发火电流与持续时间的乘积累加；火工品电源最大负载压降Δ，在火工品电源驱动火工品时，由于电源直流内阻和有限电容量，电压会有所下降，所允许的最大负载压降Δ可由式(1)初步确定，也可由设计经验确定。

2.2 串并联设计

超级电容单体容量一般不超过3.0 V，需要通过串并联组成超级电容模组，以实现规定耐压、电流输出能力和规定的可靠性。由于不同系统对可靠性的要求不尽相同，本文基于技术研究的目的，可靠性暂按消除单点失效进行设计，即任一电容发生短路或开路故障，都不应导致系统失效。因此在串并联设计中，本技术方案使用约束为：电流输出能力约束；考虑单个电容失效的电容组耐压约束。

(1)电容组需在单个电容开路失效的情况下不被击穿，应满足：

(2)电容组需在单个电容路短路失效的情况下不被击穿，应满足：

(3)电容组由于电容直流内阻和电容容量造成的压降满足：

2.3 超级电容的选型

钝感火工品所需的驱动电流较大。超级电容的驱动能力受到电容容量和直流内阻两方面限制。电容容量有限会导致超级电容在放电时两端电压由于贮存电能的减少而下降；而直流内阻也会导致放电时一部分电压损失在超级电容直流内阻上。按照目前超级电容的参数，在这两个因素中，后者是主要的。因此超级电容应使用占用单位电路板面积条件下直流内阻尽可能小的器件。设超级电容直流内阻为，超级电容直径为。则应选择最小的电容。一般来说，较符合上述条件的电容容量约为1～10 F。

2.4 超级电容的均衡

电容容量在标准容量上下具有一定偏差，这一偏差会导致串联电容模组中各个电容两端电压存在差别，这一差别会降低系统裕量和可靠性，如果差别过大，甚至可能导致电容击穿。均衡技术是指消除电容两端电压差别的手段，常见的有并联电阻均衡方案[3]、DC/DC双向变换方案[4]、飞渡电容均衡方案[5]等。并联电阻方案虽然简单但会消耗一定功率，航天产品设计紧凑难以采用，其它两种方案也会增加均衡电路的复杂性。航天运载器对质量的要求十分苛刻，因此是否需要均衡，是否存在符合航天运载器火工品驱动特点的简易均衡方案，也是超级电容电火工品电源设计中需要考虑的问题。

2.4.1 无均衡方案

超级电容对电火工品电源性能起主要影响的指标是直流内阻。而汽车能量回收、风力发电贮能等一般工业应用中起主要影响的是电容容量。因此在火工品电源中往往选择很多个容量略小的超级电容并联。在并联的过程中，由于各个电容的偏差是独立不相关的，会相互抵消一部分，相当于减小了电容的相对偏差，因此在某些设计指标情况下可以使用无均衡方案。

2.4.2 串联式电压基准均衡方案

由于火工品电源的超级电容的充电电流较小，因此可以使用串联式电压基准实现较为简单的均衡电路。串联式电压基准的特性与稳压二极管十分相似，在电压超过阈值时开始导通，但相比一般稳压二极管稳压阈值准确度很高。例如可以选用2.5 V阈值的串联式电压基准芯片TL431，其在－40～85℃下电压误差为20 mV，并联在超级电容两端，其允许通过的电流为100 mA，可以满足一般火工品电源的超级电容均衡的需求。

3 试验验证

3.1 试验电路设计

试验电路设计的目的是检查超级电容模组的火工品电源的驱动能力。在试验电路中，除了电容模组外，还设置了固态继电器，可调节脉宽的单稳态脉冲输出电路。恒压恒流充电电路比较成熟，本次试验范围未进行验证，因此没有设计恒流充电电路，而简单使用稳压电源通过限流电阻向电容充电。以水泥电阻等效火工品作为负载，试验电路不设置均衡电路。

根据上述要求，电容选用容量为3.3 F的超级电容。该超级电容单体标称最大直流内阻为0.18 Ω。按照所述设计方法，选用串联数13、并联数8的模组。任意一只电容发生短路或开路失效，电路仍能正常工作。按式(4)～式(5)估算该模组在不同放电电流下的压降，如表2所示。超级电容总压降在放电结束时刻达到，由于电容直流内阻和电容有限容量造成压降之和。在电路板布局时，电容按圆柱体最密堆积排列，以实现最小体积。

表2 电容模组压降计算结果

试验电路照片如图2所示，照片左侧是输出电流20 A，设计同时驱动两只某型号钝感电火工品的功率电池，照片右侧是超级电容式电池，为在相同驱动能力下对比电路体积，摆放了两块相同的电路，其中每块试验电路如前所述设计驱动一只电火工品。

图2 试验电路照片

3.2 试验结果

使用水泥电阻作为负载电阻，以模拟火工品桥带电阻、电缆电阻和火工品限流电阻串联构成的总电阻。分别使用2.7和3.9 Ω的负载电阻进行两次试验。其中，3.9 Ω负载电阻对应的电压波形见图3，横虚线为火工品电源空载电压，脉冲下降沿之前的电压抖动是由于单稳态脉冲发生器设计上未使用施密特触发器消除阈值附近抖动造成的，不影响验证超级电容贮能与放电能力。

图3 3.9 Ω负载电阻对应的电压波形

试验电路如图1所示。本文所使用固态继电器为SSR-20DD，其额定输出导通压降约为0.5 V。为验证串并联设计方法的正确性，表3将实测波形的特征量与理论估算结果进行对比。在放电过程中，负载电流会随电容两端电压下降而减小。在表3中取放电起始和结束时刻的电流平均值作为平均负载电流。

表3 试验结果

放电起始时刻即脉冲上升沿。距脉冲前沿200 ms为放电结束时刻，将上述两时刻电压值记入表3。在放电起始时刻，电容两端电压尚未因电容有限容量而下降，因此该时刻输出电压降仅包含电容直流内阻压降。在放电结束时刻，负载压降还包含了电容有限容量造成的压降，即：

由式(6)可基于表3中试验数据推论出与表2估算结果相对应的数据，可知二者较为接近。超级电容直流内阻压降试验值比理论值偏小，而超级电容有限容量压降的试验值比理论值偏大，可能原因是器件手册提供的超级电容直流内阻是最大值，而电容量是典型值。

4 结论

超级电容功率密度比电池大，使用超级电容组成贮能式火工品电源，可以达到减轻质量的效果；同时没有充放电次数限制，可以明显改善测试性，消除发射前的电池造成的不可测项目。在设计火工品驱动电源时，应着重考虑其超级电容直流内阻的影响。

本文仅提出了初步的设想，分析与试验仅限于电性能。目前虽然已有贮存期达10年，并具有工业级工作温度的超级电容产品，但要真正应用于航天产品，还需要继续研究超级电容的存储性、环境适应性等诸多特性，研究保证安全性的相关措施等。只有相关问题得到解决，超级电容才有可能真正成为航天运载器的火工品驱动电源。

[1]Vicus Technologies.Conformal ultracapacitor power source technology for the miniature kill vehicle[R].USA:ANSI，2004:8-98.

[2]ZHANG X，MI C C,MASRUR A，et al.Wavelet-transform-based power management of hybrid vehicles with multiple on-board energy sources including fuel cell，battery and ultracapacitor[J].Journal of Power Sources，2008，185:1533-1543.

[3]邓欢欢.改进的串联超级电容器组充电均压方法的研究[J].电力电容器与无功补偿，2010，31(2)：43-48.

[4]文东国，张逸成，梁海泉.一种快速低损耗超级电容均压策略的研究[J].电力电子技术，2008，42(9)：65-67.

[5]李海冬，冯之钺，齐智平.一种新颖的串联超级电容器组的电压均衡方法[J].电源技术，2006，30(6)：499-504.

Research of energy storage type power supply for driving aerospace electric initiating devices

An energy storage type power supply fabricated with super capacitors was proposed.Compared to the conventional power supplies which are composed of power battery cells， not only the weight is reduced， but also better testability is achieved by allowing tests to be repeatedly performed during different manufacturing phases. Based on the reliability demanded by launch vehicles，the series-parallel topology method and balance circuit were studied.The reliability and output volt-ampere were analyzed.The driving ability of high current was verified by experiment.

supercapacitor;electric initiating devices;power supply

TM 53

A

1002-087 X(2016)04-0792-04

2015-09-12

陈曦(1984—)，男，浙江省人，工程师，主要研究方向为电气系统设计。