导轨式电磁发射装置用新型混合储能技术研究

To fulfill the specific requirements on transient power and energy of rail-type electromagnetic launcher, this project proposes an innovative hybrid energy-storage technique based on storage batteries sequentially connected in series and the pulsed power capacitors sequentially connected in parallel, and some key technologies of the proposed technique would be systematically researched on. Firstly, the topology and the system model of the proposed hybrid energy storage mode would be built, the energy delivery process from the batteries called the first-stage energy storage to the pulse power capacitors called the second-stage energy storage will be researched on, the relationship between the primary efficiency of the batteries and the number of groups and the depth of discharge would be explored, and the relationship between the lifespan and the energy storage rate of the pulse power capacitor would be explored. Secondly, considering the requirements of fast constant current charge and load adaptability and balanced charge of the batteries, the control strategy of multi-groups would be researched on. Thirdly, considering the special working conditions of the switch in the proposed hybrid energy storage mode, the diffusing model of the semiconductor switch under continuous nonperiodic pulse surge current would be built, the failure analysis of the component and the gate-driver technique under the special condition would be deeply researched on. Finally, the laboratory platform of hybrid energy storage and the laboratory test platform of the application margin of high power thyristor would be utilized to perform some tests to verify the correctness and effectiveness of the analysis and simulation. This project would lay the foundation of the application in the military electromagnetic launcher and civil spaceflight for this type of hybrid-energy storage system.

本项目针对导轨式电磁发射对瞬时功率和能量需求的特殊性，提出一种基于蓄电池时序串联和脉冲电容器时序并联的新型混合储能方式，并对其若干关键技术进行深入系统地研究：（1）建立该型混合储能的拓扑结构和系统模型，研究一级蓄电池能量释放和二级脉冲电容器能量存储的能量转移过程，探索蓄电池最佳效率与其组数及放电深度之间的关系，得到脉冲电容器储能寿命与能量存储速率之间的规律；（2）针对脉冲电容器恒流快速充电的需求，并综合考虑负载适应性和蓄电池均衡充电要求，研究多组蓄电池时序控制策略；（3）针对该型混合储能开关的特殊工作模式，建立连续非周期脉冲大电流暂态模式下半导体器件的电流扩散模型，深入研究器件的失效机理和驱动技术；（4）利用实验室已组建的混合储能应用平台和大功率晶闸管极限应用平台，对混合储能装置及其大功率开关进行验证实验。通过本项目的研究，可为该类型装置在军用电磁发射领域和民用航天领域的应用奠定理论基础。

本基金以导轨式电磁发射用储能系统为研究对象，所开展的研究和取得的主要成果如下：（1）针对导轨式电磁发射对瞬时功率和能量需求的特殊性，提出了一种由蓄电池和脉冲电容器两级储能组成的混合式储能方式。蓄电池为初级储能元件，通过化学能储能的高能量密度一次性存储电磁发射所需的多发能量；脉冲电容器为次级储能元件，通过电场储能的高功率密度提供电磁发射所需的数十吉瓦级超高功率快速能量输出。将导轨式电磁发射对电网的功率需求降低了86%。（2）深入研究了该型混合储能方式的能量转移过程。建立了基于蓄电池时序串联和脉冲电容器时序并联的混合储能系统的数学模型，该模型由秒级充电和毫秒级放电两部分组成。基于蓄电池时序串联工作过程分析，提出了一种电池组串联时序优化策略，实现了对线路参数误差的适应性，实现了多组电池的均衡放电控制，通过电路结构变换和控制策略调整实现了电池放电倍率约束下的数量优化设计。基于脉冲电容时序并联工作过程的分析，提出了一种计算脉冲电容器并联时序的控制策略，基于对虚拟负载和发射装置动态负载特性分析，分别建立了对不同负载放电控制模型，可实现电源向装置的高效近似恒流供电。通过仿真和试验对上述结果进行了验证。（3）基于混合储能开关特殊工作模式的分析，建立连续非周期脉冲大电流暂态模式下半导体器件的功率扩散模型，提出了器件在连续浪涌工况下的典型失效模式，建立了热仿真分析模型。利用实验室已组建的混合储能应用平台和大功率晶闸管极限应用平台，对混合储能装置及其大功率开关进行验证实验。通过本项目的研究，可为该类型装置在军用电磁发射领域和民用航天领域的应用奠定理论基础。通过本课题的研究，提出并基本建立了导轨式电磁发射装置混合储能的分析理论。课题组共发表论文14篇，其中SCI收录3篇，EI收录7篇，获国防发明专利13项，培养硕士4名，博士4名，获2015年度军队科技进步一等奖一项。研究成果已应用于某国防重点工程，带来了显著的军事经济价值。