超级电容在无人机电气系统中的应用探讨

胡中华，荣海春，吴有恒，许 昕

（中国电子科技集团公司 第38所研究所，合肥 230088）

超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，可以满足很多领域的需求。

在无人机的电气领域，对超级电容也有其使用需求。无人机系统电源主要由二次电池和发电机两部分组成，负责对无人机执行结构、飞控等各子系统供电。由于执行机构在启动瞬间往往存在较大冲击，如果按照瞬态冲击功率设计发电机额定功率，势必增加整机的重量、体积和成本，一般情况下发动机额定功率按照正常稳态飞行的功率进行设计。为防止因功率不足而影响执行机构的响应速度，就必须保证足够的功率，考虑到瞬态冲击时间较短，大部分时间功率较低，功率有富余，而仅仅是尖峰负荷下功率不足，如果选择合适的超级电容，就可以弥补发电机输出功率的短时不足——当瞬态功率不足时，由超级电容提供不足的功率；当功率富余时，发电机经DC/DC给超级电容器充电[1]。

此外，机载电气系统以发电机作为主电源，其输出功率随着发电机转速的变化而变化，具有不稳定性、不连续性，使用超级电容器就能够优化机载电源运行，提高电网电能品质。在此，将超级电容应用到无人机电气系统中，研究其特性，为其未来应用提供相应的技术支持。

1 超级电容器的原理

超级电容器又称超大容量电容器、储能电容、法拉电容，是靠极化电解液来储存电能的新型电化学装置。超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，属于双电层电容器，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一款。其结构如图1所示，当外加电压加到超级电容器的2个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，正电荷与负电荷分布在相反的2个接触面上，该电荷分布层叫做双电层。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常约为2.7 V）。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少，其充放电过程始终是物理过程，没有化学反应[2]。

极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量C为

图1 超级电容器结构Fig.1 Structure of supercapacitor

式中：ε为电解质的介电常数；δ为由电极界面到离子中心的距离；S为电极界面的表面面积。

由图可见，使用多孔性的活性炭作为电极，在电解液中吸附电荷的表面积极大，因而将具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量，这一特性介于传统的电容器与电池之间。与二次电池相比，尽管其能量密度较低，但功率密度很大，可用在需要大电流放电等能量有余而功率不足之处[3]。

2 电池性能的对比

电池、超级电容和传统电容都能储存电能，但是它们储存电能的原理不同。目前航空上使用的几种主要的储能电池类型为蓄电池、超级电容器等，燃料电池的应用尚处于研究阶段，一般结合太阳能作为整个能源系统。蓄电池又包括铅酸电池、镍镉电池（空客A350）、锂电池（波音787）等。其中铅酸电池、镍氢电池在航空上应用很广，锂离子电池也得到极大发展，尽管波音787出现过冒烟事故，但相关技术问题已经得到解决。部分电池性能指标见表1[4]。

表1 常用电动车电池参数和优缺点Tab.1 Comparison of parameters and characteristics of commonly used electric vehicle batteries

由表可知，超级电容器在比能量和比功率这2个性能参数上位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率均远高于电池，而且使用寿命通常都超过设备的寿命。具体特点归纳如下：

1）功率密度高。超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面和电极材料本体内部均能够实现电荷的快速贮存和释放，因此其输出功率密度高达18 kW/kg，是任何一种化学电源所无法比拟的，为一般技术蓄电池的数十倍。

2）充电速度快。超级电容器无化学反应，可以直接贮存电力，充电所需时间非常短，最短几十秒，最长充电不过十几分钟，便可充至其额定容量的95%以上，远快于蓄电池的充电[5]。

3）使用/贮存寿命长。超级电容器在充放电过程中不发生化学反应，因而其深度充放电循环使用次数可达（1～50）万次，没有“记忆效应”，使用寿命远比蓄电池的充放电循环寿命长，是锂电池的500倍，是镍氢电池（Ni-MH）和镍镉电池的1000倍，基本上不需要更换。而且超级电容器充电后，由于没有化学或电化学反应，所用电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。

4）绿色环保产品。超级电容器的原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

5）温度范围宽。超级电容可以在-40～70℃温度范围内工作，性能优于蓄电池。一般蓄电池电池工作温度为0～40℃；一般锂电池在-20℃时即使以0.5C放电率进行放电，也仅能释放约70%电能。

6）可靠性高。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因此其可靠性非常高。

超级电容器的用途非常广泛，既可以应用于消费类电子产品领域，又可以应用于太阳能能源发电系统、智能电网系统、新能源汽车、工业节能系统、脉冲电源系统等领域[6-7]。

3 超级电容在机载供电系统中的应用分析

3.1 短时紧急供电

当发动机出现故障空中停车时，需要再启动，主电源短时间没有电能输出，可以考虑将超级电容器作为紧急电能供应，待其降压至应急电池电压时，由应急电池做长期电能供应。如果发电机很快恢复供电，则不需要应急电池供电，可有效保护应急电池，防止应急电池大倍率放电，提高应急电池的寿命，并弥补瞬时（毫秒级）功率不足。因此超级电容储能主要用于弥补功率缺额。

由公式W=Pt可知，要长时间地输出稳定的电能，就要求储能系统储存足够的能量。然而，目前建造超大容量的储能系统成本过高，重量重，不宜采用超级电容器作为长时间供电的主电源，实际使用中仅作为短时供电电源及功率补偿电源。

3.2 机载电气系统运行质量优化

无人机机载电气系统将发电机、负荷、蓄电池、超级电容器及控制装置结合，形成一个单一可控的独立供电系统。采用电力电子技术，将发电机输出交流电经调压盒后和超级电容器并在一起，直接接在配电盒输入端。在地面维护及校准时，机载电网可与地面电网并网运行或独立运行，当地面电网故障时，机载电网与其解列（切断）并保持自身的正常运行。机载供电系统如图2所示。

图2 机载供电系统Fig.2 Airborne power supply system

机载电气系统必须满足机载用电设备的特定功率需求，提供稳定可靠的电源品质。但机载电气系统以发电机作为主电源，其输出功率随着发电机转速的变化而有所变化，存在一定的不稳定性、不连续性，电能输出易发生变化，这些能源产生的电能输出可能无法满足机载电网峰值电能的需求。而超级电容器功率密度大，能量密度较高，可快速吸收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到机载电气系统的电能质量调节装置中，是处理尖峰负荷的最佳选择，采用该储能装置在短时间内提供所需的峰值电能，直到发电量增大，需求量减少，而且采用电容只需存储与尖峰负荷相当的能量，即仅需弥补功率不足的部分。

4 机载供电系统超级电容储能容量选择

假定，机载用电存在尖峰负荷1000 W，尖峰宽度即保持时间t=60 ms，电路中正常工作DC电压Uw=30V，要求器件工作的DC最小电压Umin＞27V，负载电流I=1000/30 A，计算超级电容的标称容量C（F）。

超级电容储能容量的选择需根据实际应用需求计算确定，具体计算可根据以下2种方式：

（1）不考虑压降情况下理论计算所需最小电容量

在此不考虑等效串联电阻导致压降的影响。保持期间所需能量为

根据能量守恒定律，Wb=We，可推导出超级电容容量的近似计算公式，超级电容器容量为

由此计算出超级电容的标称容量C≮0.7 F。

超级电容器单体DC额定电压为2.7 V，超级电容器组DC额定电压＞32 V，则超级电容器组串联单体数为12，超级电容组电容量为0.7 F，单体超级电容量＞8.42 F。结果选择12只10 F 2.7 V的单体电容串联。

（2）考虑压降的电容容量计算

实际单体电容均存在内阻，以KORCHIP公司生产额定电压2.7 V单体电容统计，其电容量与内阻的关系见表2。

表2 电容量与内阻的关系Tab.2 Rrelationship between capacitance and internal resistance

由表2可知，12只10 F单体电容串联后DC理论压降达24 V，显然不符合设计要求。可以考虑选择压降3 V以内的单体电容，表2中电压降Ud=2.8 V，实际DC电压29.8 V，此时释放电能WΔe=110 J，而实际所需电能Wb=60 J，因此能够满足DC最小电压Umin＞27 V时WΔe=Wb的输出要求。故选择 12只220 F单体电容串联构成电容器组。

5 实际应用

为测试无人机机载发电机主电源在增加超级电容前后的电气品质，尤其是改善纹波的能力，特别进行了该项实际应用测试。

测试选定某型机载航空发电机，额定功率约300 A。按照负载的不同及电源的不同，分别进行不同状态下的纹波测试试验，负载分别为采用电子负载和纯阻负载，电源分别为有电容、无电容，共4种情况，电流设置为250 A。具体的测试项目及测试结果如表3和图3所示。

表3 不同状态下电气纹波实测数据Tab.3 Electrical ripple measured data in different states

图3 测试结果Fig.3 Test results

该型发电机经过不同情况下的纹波测试，结果表明：纯阻负载情况下的带载纹波较电子负载小；带超级电容的带载纹波较不带超级电容情况下有显著改善。超级电容器模组在解决因电子负载造成的纹波较大的问题时起决定性作用。具体为：

1）纯阻负载情况下，不带电池且不带超级电容，纹波最大为5.3 V，而在同状态下带超级电容时纹波仅为2.8 V。

2）在带电子负载情况下，不带电池且不带超级电容器模组，在250 A载荷状态下纹波为34 V，而在同状态下带超级电容器模组时纹波仅为4.1 V。在不带超级电容，发电机电源品质严重下降，无法正常工作。

综上所述，超级电容可以满足发电机主电源额定功率状态下电子负载的电源品质需求

6 结语

针对无人机机载电气系统主电源存在一定的不稳定性、不连续性，电能输出容易发生变化的问题及机载设备功率具有尖峰负荷要求，结合超级电容器功率密度大，可快速吸收，释放大功率电能的特性，提出了基于超级电容的机载供电设计方案；研究了超级电容在机载供电系统中的储能容量配比计算中需要注意的问题，并给出了具体的计算实例，通过研制超级电容模组实物，对某型发电机机载主电源进行了带载测试。结果表明超级电容器的应用显著改善了电源品质，满足使用需求。