（国文电气股份有限公司）
摘要：超级电容是一种免维护的绿色储能元件，功率密度大而循环充放电次数多，可以在短时间内大电流充放电，近年来逐渐应用于电动汽车、城市轨道交通等领域。本文将超级电容充电机应用到民参军产品中，对其关键技术进行分析，介绍300KW超级电容充电机的有效应用。
关键词：300KW超级电容充电机；关键技术；民参军产品；应用分析
1.超级电容充电机产品在军民融合领域的市场需求
随着国防和军队现代化建设的推进，军用电容器增速有望持续高于军工行业平均增速。根据国防和军队现代化建设“三步走”战略，到2020年，机械化、信息化建设取得重大的进展；到2050年，实现国防和军队现代化。目的是构建能够打赢信息化战争、有效履行使命任务的中国特色现代军事力量体系。目前，电子系统已在各武器系统中占有相当的比例，而且随着国防信息化建设的快速推进，信息化程度就持续提高。电容器是军事或航天系统不可或缺的电子元件，广泛应用在电子信息、武器、航空、航天、舰艇等多个领域。
新一代激光武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备，在发射阶段除装备有常规高比能量电池外，还必须与超级电容器组合才能构成"致密型超高功率脉冲电源"，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使电脉冲推进器、电弧喷气式伺服器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。此外，军事用途的载重卡车、装甲车辆、电动车辆在恶劣条件下，如启动、爬坡、刹车等过程，也必须使用电池与超极电容器组合的动力装置，即混合动力系统。
军用装置中基于超级电容器的混合动力装置具有多种优点，主要有：①效率高，环境适应强，低温性能好，适合战争条件；②能量体积比、质量比高，相同的体积、质量可以提供更多的动力；③可提供瞬时电流；④寿命长，充电时间短，对环境影响小；⑤效率高 ，节能20%—40%。其中包括按额定功率选发电机可减少近一半的设计功率与其运行消耗；发电机间歇式工作可节省能源5%—8%。此外，可实现能量回收，进一步提高能源利用率。
结合目前现状，超级电容技术在很大一部分采用的是民参军，军品一旦得到成熟应用，确定技术成熟可行，便可以投入到工业应用，即“军转民”。最终产业高速发展带来军民融合，以民用的成本和效率优势保障军品的使用，从而提高产品在军品中的效能和效率。随着超级电容技术在军队的广泛运用，超级电容与超级电容充电机行业之间扮演的相生相克的关系，没有超级电容行业生产规模的扩大，必然不可能有超级电容充电机快速发展；超级电容充电机行业的发展缓慢，反过来也影响超级电容市场规模的扩张及普及。随着超级电容技术的不断发展，充电效率也需要不断提高，充电时长更需要进一步缩短，只有不断突破超级电容充电机技术的难点，才能有效缩短充电时长，提升充电效率，由此看来，未来研发的重点将是大功率超级电容充电机，未来的主流配置也将是300kW以上的充电机。
2.超级电容充电机硬件结构和工作原理
2.1充电机硬件结构
超级电容充电机硬件结构如图1所示，该系统由主电路和控制电路构成。主电路主要由辅助电源模块、继电器控制模块和主充电电源模块构成。充电机的控制电路主要由整机控制模块、系统保护控制模块、驱动控制模块、数据采集模块、人机交互控制模块和CAN通信模块组成。整机控制模块是充电机系统的控制中心，采用带有CAN接口的PIC18F458为控制器，通过支配和控制各模块工作，完成充电信息采集、充电状态监控、故障检测等功能。
2.2充电机工作原理
充电机上电后，辅助电源模块工作，使充电机处于待机状态。待系统自检正常后，首先通过CAN通信读取超级电容充电前的电池状态，再根据电池容量、环境状态等确定合理的充电模式，包括恒流充电、恒流转恒压充电和恒功率充电，然后继电器控制模块工作，主充电电源模块在驱动控制模块的驱动下给超级电容充电。充电时，数据采集模块采集电压、电流和温度等，并用于反馈控制。同时检测故障，实现故障自诊断功能，一旦出现欠压、过压、过流、短路、过热、缺相故障，充电机调整驱动脉冲信号来减小充电电流或直接控制继电器切断电源。人机交互模块显示充电状态，包括充电模式、充电电流、充电电压、故障原因、充电时间等。充电机循环读取电池状态，直至充电结束。
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3.300KW超级电容充电机项目概述
3.1项目基本情况
依据超级电容的充电特性，专门针对超级电容研制，采用适当的充电模式，在保证快速充电的同时，可提高充电容量、充电效率、延长超级电容的使用寿命和整机运行的可靠性，促进超级电容电动车的推广，广泛应用于军工类大型超级电容动力装置快速充电。
主要完成研究内容和形成关键技术：
①充电模式研究；②充电机整机的研究；③充电机主电路研究设计与参数计算；④充电机控制系统电路研究设计；⑤充电机保护系统设计研究；⑥系统可靠性设计；⑦充电机通信控制策略研究设计；⑧充电机散热设计研究；⑨监控研究设计；⑩超级电容充电机按需自动分配技术研究。
可实现主要功能：
①手动或智能充电功能；②人机交互功能；③CAN通讯功能；④液晶显示功能；⑤故障自诊断及报警功能；⑥实时保护功能。
3.2项目特点及优势
属于电磁兼容与防护技术领域，全部自主研发，采用独特的升降压拓扑组合电路，具有充电故障自诊断及报警功能，充电过程与电池状态参数的存储、人机交互、上传（液晶）显示、历史数据查询、按需分配输出功率等特点，实现智能充电和自动化管理；充电机工作稳定可靠，充电效率高，能再恶劣环境中正常使用，满足超级电容对充电设备的要求。可应用于军工类坦克，装甲车，军舰中超级电容快速充电。
3.3项目进展现状
项目建设（研发、生产）在公司研发中心和生产基地，其中研发用办公用房面积940.77m2，生产基地占地面积19500m2，均取得立项用地规划许可、工程建设许可、施工许可和环评手续，研发生产前期面积2160m2，已建成中试生产线一条，其中试验、生产设备完成投资630.16万元，科研办公环境建设投资89.17万元，项目研发完成经费投入72.51万元，项目产学研经费投入26万元，目前项目已经广泛推广到电动汽车充电桩中运用，并申报发明专利1项，取得5项实用新型专利，1项保定市科技进步一等奖。
3.4项目建设意义
本项目的实施，将极大助推新能源超级电容电动汽车、城市轨道交通和发电与智能电网等领域的发展，推动能源使用结构的改变，以清洁能源替换易污染型传统能源，改善城市生态环境，帮助传统型城市向智慧型能源城市转型。减少了城市对于石油资源的消耗，缓解不可再生能源的使用压力，提高了城市对于绿色能源的使用能力。随着超级电容在军队大型动力装置推广运用，满足军工类坦克、火炮、装甲车、军舰等大型动力装置快速充电需求。
4.300KW超级电容充电机关键技术
4.1 300KW超级电容充电机项目基本原理
300KW超级电容充电机上电后，辅助电源模块工作，使充电机处于待机状态。待系统自检正常后，首先通过CAN通信读取超级电容充电前的电池状态，再根据电池容量、环境状态等确定合理的充电模式，包括恒流充电、恒流转恒压充电和恒功率充电，然后继电器控制模块工作，主充电电源模块在驱动控制模块的驱动下给超级电容充电。充电时，数据采集模块采集电压、电流和温度等，并用于反馈控制。同时检测故障、实现故障自诊断功能，一旦出现欠压、过压、过流、断路、过热、缺相故障，充电机调整驱动脉冲信号来减少充电电流或直接控制继电器切断电源。人机交互模块显示充电状态，包括充电模式、充电电流、充电电压、充电时间等、充电机循环读取电池状态，直至充电结束。
4.2前期研发及中试实现的技术突破
①手动或智能充电技术
当选择智能充电功能时，通过CAN通讯口读取充电超级电容电池组信息，采用预充电的方式，收集预充电时的电流电压变化，判断分析充电超级电容电池组的状况，综合考虑超级电容的充电电流电压、充电时间、已储存能量和充电效率等因素，自动选择不同的充电模式，以期满足用户实际需求并实现超级电容充电的最佳配置，从而实现充电机智能充电功能。当选用手动充电功能时，可任意设置充电电流、充电电压、充电时间和不同的充电模式。
②人机交互技术
人机交互功能通过按键电路、液晶显示模块和故障报警模块来实现。用户可以通过液晶显示模块了解当前超级电容充电电流、充电电压、充电时间、充电方式和IGBT温度等信息，待了解当前电池充电状态后，用户可通过按键电路改变当前的充电状态，主控制芯片通过扫描按键可以知道用户设定的值并作出相应的改变。故障报警电路通过蜂鸣器提示用户充电机已经发生故障，通过不同颜色的发光二极管提示用户充电机的相应部件发生故障。
③CAN通讯技术
本项目设计时为充电机预留了CAN通讯接口。通过该接口能够与所有带有CAN通讯接口的系统通信。
④液晶显示功能
充电机充电电流、充电电压的值，充电时间的长短和充电方式及IGBT温度都通过液晶显示。用户可以通过液晶显示了解当前电池充电状态。
⑤故障自诊断及报警技术
系统上电及整个运行过程中，主控制芯片分析各路传感器采集的信号，若信号失常，则确定原因并将判断结果储存及报警。
⑥实时保护技术
充电机具有缺相保护、过流保护、欠压保护、过压保护、短路保护及过热保护电路，通过硬件电路及软件编程使充电机的具备实时保护功能。
4.3本项目技术创新点
①300KW超级电容充电机散热技术：通过物理蒸发冷却手段，快速完成充电过程中充电桩散热。保证充电桩模块、充电枪和机箱散热，以及在散热过程中对充电机的防护。
②300KW超级电容充电机输出电压范围扩展技术：解决由200V-500V；350V-1000V两种电压范围，向200V-1000V电压范围扩展。
③充电车辆输出功率的多种策略和分配机制的算法技术。用户可以在集中控制单元上编辑功率分配的优先级、充电终端的最大功率等分配策略，并可以设定好不同的时间段执行不同的分配策略。实时监控充电资源的分配情况以及接触器的状态。
④充电机模块的节能高效利用技术。不论充电需求如何，都保证充电设备可以工作在最佳的负载率区间。同时，从磁性损耗和绕组损耗出发，对不同的磁性器件进行优化设计。
5.项目工艺成熟度分析
300KW超级电容充电机是解决装备有动力电池军用和民用设备续航里程低、充电时间的关键，充电模块是充电机核心部件，减少大功率充电机充电模块并联数量，提升模块之间的均流和控制的稳定可靠性和充电机系统的集成度，保证在充电过程中的安全性和方便性，同时，根据现场实际情况灵活动态分配充电功率；当需要大功率充电，电流很大时，将其他模块集中过来使用；当充电设备多的时候又可以分开使用。充电机按照输出功率按需自动分配同时满足多枪同时充电。这样可以充分利用有限的充电资源，本项目在研发和中试过程中，研究完成了如下内容：
①形成一项充电机充电分配策略管理设计工艺：用户可以在集中控制单元上编辑功率分配的优先级、充电终端的最大功率等分配策略，并可以设定好不同的时间段执行不同的分配策略。
②分配策略监控：实时监控充电资源的分配情况以及接触器的状态。
③配电监控：实时监控交流侧的进线电压、电流、效率和功率因素等电参数。
④环境监控：实时监测整流柜的温度、湿度、烟雾、门禁等；发现异常可立即停止充电，并通过后台报告故障情况。
⑤形成一项充电机充电模块的连接方式设计工艺。研究待充电设备和充电机的可方便对接。
⑥形成一项充电桩电源模块高效利用设计工艺，从磁性损耗和绕组损耗出发，对不同的磁性器件进行优化设计。
⑦研究充电桩模块、充电枪和机箱散热，以及在散热过程中对充电桩的防护。
⑧形成一项充电机结构设计工艺，设备防护等级提升至IP54，环境温度-20℃—50℃设备能正常运行。
项目在研究和中试过程中形成如下关键技术：
①输出电压范围扩展技术：解决由200v-500v；350v-750v两种电压范围，向200v-750v电压范围扩展。
6.项目建设目标及规模
6.1产品生产方向和产能规模
项目已经在新能源电动汽车上进行推广运用，取得了良好的效果，受到用户认可，依托公司在军民融合电力领域中优势，以国家军民融合政策优势为契机，逐渐向军工产品提供大功率充电服务，打造能满足军队配有超级电容装置动力设施充电需求的产品，例如在军工类坦克、火炮、装甲车、军舰等大型动力装置快速充电需求。
项目通过对关键技术的研发，生产出产品的可靠性、环境适用性和性能满足军用设备各种各样、复杂多变的环境条件的考验，产品的输出功率、负载效率、转换效率等性能良好。相应技术达到国内领先、国际先进水平，成为军民两用产品。
项目建设期2年，完成项目关键技术的研发，对现有充电机进行全方面升级，产能规模达到年产1000台，通过新产品、新工艺和关键技术成果转化，达到年增收5000万元，实现利润1250万元，完成纳税350万元。
6.2产品技术指标和特性
采用独特的升降压拓扑组合电路，输入电压：360~640VDC,输出电压：0~768VDC,输出功率：300kW,负载：20F,电流电压精度：±1%，转换效率：>95%。设备的防护等级程度不低于IP54，环境温度-20℃—50℃设备能正常运行。依据GB/T2423.55-2006标准，产品在接收重击或者高空跌落后，产品耐湿热性能不会降低，IP等级不受影响，门的操作和锁止点没有损坏，不会因变形而是带电部分与外壳脱落。
6.3预期的发展目标
项目预期目标实现项目中的关键性技术的突破，解决300KW超级电容充电技术研究中的瓶颈问题。
①进一步增强项目的研发能力，项目新增科研和办公用房，新增研发和分析检测仪器设备的数量。
②完成项目人才和团队建设。
③增强项目的研发能力和科技成果的产出，增强研究开发能力建设。
④完成项目成果转化能力建设。
⑤增强项目的开放服务与合作交流能力建设。
7.结论
本项目的实施对本企业、本行业领域及相关行业领域具有强大的支撑引领作用：①可提升企业大功率充电技术创新能力的关键环节和重要内容，也是企业自我发展、提高竞争力的内在需求和参与市场竞争的必然选择。②可作为企业大功率充电技术管理和决策的龙头和核心，定位于参与企业发展战略、重大的新产品、新技术的决策，积极搞好引进技术的消化、吸收和创新。③项目的实施提升企业市场信息的获取、分析和判断能力，从技术机会和市场机会相结合的角度对企业大功率充电技术创新决策提供咨询，并参与企业发展战略和承担技术创新战略规划的制定和实施。④可实行开放服务，为军队、高校、企业承接委托的技术研究、设计、试验和成套技术服务业务。
结语
本项目的实施，将极大助推超级电容和配备超级电容军工动力设备的发展，推广新能源交通的建设，推动能源使用结构的改变，以清洁能演替换易污染型传统能源，有助于提高民众呼吸质量和健康指标，改善城市生态环境，帮助传统型城市向智慧型能源城市转型。大功率充电机建设带来的社会效益巨大，其中电动汽车充电桩集中站的建设带动周边商业圈的发展，不仅同步提高了电动汽车的充电服务质量，也为新能源轨道交通建设打下良好基础，减少了城市对于石油资源的消耗，缓解不可再生能源的使用压力，提高了城市对于绿色能源的使用能力。