2.5脉冲功率储能技术-化学.ppt

1、脉冲功率化学储能,化学储能有极高的储能密度，已经广泛地应用于脉冲功率领域。 蓄电池组 炸药,蓄电池,用作高功率脉冲电源的蓄电池是能再充电的化学装置，平时把电能转变成化学能储存起来（充电），工作时再把化学能转变成电能（放电）。,高功率领域所用的蓄电池分为酸性的和碱性的。 酸性蓄电池的电解液是浓度为27%-37%的硫酸水溶液，正极板是活性物质二氧化铅，负极板的活性物质是绒状铅，所以酸性蓄电池也叫铅酸电池。 碱性蓄电池的电解液是浓度为20%的氢氧化钾水溶液。用氢氧化镍作正极板；用铁作负极板的叫作镍铁电池；用镉作负极板的叫镍镉电池；用银作正极板和用锌作负极板的银锌电池。,蓄电池： 储能密度高；放电时间

2、长；效率费用比合理；寿命长；简单安全可靠。,由于放电时间长，在快放电领域不及电容器和电感器。但在电磁发射等慢放电领域有较多应用。,常用的有两种类型： 给大时间常数的中间储能电感器秒级充电的普通型 直接向负载毫秒级放电的脉冲型,由于造价的原因，目前在高功率脉冲电源中使用的主要是铅酸蓄电池。,铅钙极板的铅酸蓄电池 每个电池具有通常的2V电压和5000Ah的容量。 适当的串并联，可以输出去几MW的功率。,12V电压， 重量13.8kg， 能量密度33Wh/kg,炸药的储能密度高,汽油：35MJ/kg 高级炸药：5MJ/kg 驱动导体速度：0.5-5km/s 磁通压缩发生器（magnetic flux

3、 compression Generator MFCG)，通常采用炸药 磁流体发电机,磁通压缩概念,磁通压缩发生器（MFCG）,磁通压缩发生器（MFCG）,磁通冻结保障了磁通能被俘获，在压缩磁通时，外力所作的功转变成电磁能。 通过磁通压缩获得电磁能量脉冲的唯一条件是减小回路电感。 变形型：通过一些方法改变MFCG的形状，从而使电感减小，如用外力驱动与发生器回路接触的电枢向前移动，或者用炸药崩溃电感器本身。 排斥型：采用良好导电的壳体（活塞戓炮弹）快速穿入已具有初始磁通的线圈，在壳体内感应性出一反向电流，这一电流产生的磁通排斥原磁通，使壳体与线圈间的互感增大，导致线圈网络电感减小。,磁通压缩发生

4、器（MFCG）,化学储能（爆炸）在脉冲功率中的应用。 化学能产生的膨胀力能够加速导电体和压缩磁通。 主要采用炸药爆炸驱动导电的固态良导体或活塞或射弹来压缩磁通。 优点：储能密度高，产生电流大和脉冲持续时间相对长。 缺点：一次性使用，成本高。,磁通压缩发生器（MFCG）,原理上分：减小自感变形型和增大互感的排斥型。 燃料上分：炸药驱动，气体燃烧驱动，火箭推进剂驱动。 破坏性上分：全毁坏单次型，半毁坏单次型，不毁坏重复脉冲型。,磁通压缩发生器（MFCG）,磁通压缩发生器（MFCG）,设计思路 MFCG本身电阻不宜过大，它也不适合激励大电阻负载，否则负载指数不能使电流放大。 在非理想情况下，回路电阻

5、不仅产生欧姆损耗，还会引起磁能损失。 发生器的电感包括初始电感和变化的电感。,磁通压缩发生器（MFCG）,变形型MFCG,条状发生器,窄条带状传输线，由两金属条连接一负载而组成。在一或两金属条上敷设高级炸药条。当初级电源在两窄条和负载组成的回路中建立初始磁通之后，用输入端的雷管引爆炸药。炸药的爆炸波驱动两金属条短路，从而俘获磁通，短路点向负载端推进，使回路面积迅速减小，在炸药爆炸压缩磁通作功过程中把化学能转变成电磁能。,条状发生器,条状发生器,条状发生器,为了克服电磁力扩张而造成的窄条元件位移，除采用坚固的镇压条或夹紧方法之外，常使用“里朝外”型结构。,平板型发生器,平板型发生器是两块板状导体

6、构成的传输线，由条状发生器演变而来的。 驱动板比条状发生器要宽。 需要平面波引爆装置同时引爆整个面积上的炸药片以驱动平板电枢同时运动。 当输入电流达到或接近峰值时，同时引爆驱动板上的炸药块，使回路闭合并俘获磁通。驱动板以爆速移动，上下驱动板同时相对运动和压缩磁通。,平板型发生器,平板型发生器,平板型发生器的电感在几百nH范围内。 为了进行有效的电流和能量放大，必须限制负载电感最大不得超过几十nH。 同时还应当特别注意减小发生器到负载的连接用传输线电感，应当把传输线做得尽可能的短和宽。 优点：结构简单，容易制造；平板较宽，能够传导大电流；脉冲持续时间相对短，可以实现更大的功率；新的起爆装置能够使

7、大面积炸药精确地同时爆炸。,螺旋发生器,一端引爆，负载接在另端电枢和线圈之间,一端引爆，负载接在线圈两端,螺旋发生器,从电枢两端同时起爆，负载接在线圈中间抽头上,一端引爆和线圈接地的方式,螺旋发生器,螺旋MFCG的工作也是基于压缩磁通和减小电感的原理。电枢是内含高级炸药的铜或铝良导体金属圆管，在爆炸时电枢和线圈接触形成闭合回路，从而俘获初始磁通；电枢膨胀压缩磁通并减少回路电感。 优点：初始电感较大，可以俘获更多的初始磁通，能量放大倍数比较其它的MFCG要大。,同轴发生器,同轴发生器,具有较大的电流传导能力，和特别好的机械强度。 电流沿圆筒平行轴流动，电流传导最小宽度是内筒的圆周长，一般规模的发

8、生器都能传导100MA以上的电流。 内外导体均为圆柱体，具有良好的搞磁压和机械强度。 磁扩散损失也较小，因此效率较高。 电感较小，负载电感要求更小。,球形发生器,由两个扇形球壳和一个环形负载组成。高级炸药置于球中心，初始电流由外电源经一侧缝隙供给。内扇球环壳起电枢作用，外扇形球壳是定子，在输入电流达到峰值时引爆中心的炸药，用以压缩环形或切向磁力线。,MFCG的初始储能,直接馈电 就是用初级电源直接向发生器本身提供初始电流建立初始磁通，如电容器组就是行之有效的初始电源。,电感储能器馈送能量 一种间接的能量馈送方式。围绕在发生器的外场线圈产生磁通通过发生器回路数，为发生器提供初始能量。可以是超导线

9、圈，也可以是常规线圈。,MFCG脉冲调制,镇流器法,镇流器法 断路开关锐化 脉冲变压器耦合 延迟线方法,断路开关锐化,脉冲变压器耦合,延迟线法,MFCG的限制因素,优点： 能在可利用的时间标度内猝发地产生强大的能量 可以设计成满足多样和变化的负载要求 输出电压和电流具有近似同相的时间变化范围。 非常高的比能量输出，装置体积较小。,MFCG的限制因素,缺点： 减小电感型MFCG只能一次性使用 电源和试验设备尚需仔细防护，以免遭到炸药爆炸的破坏； 大部分发生器造价较高。,MFCG的限制因素,技术困难： 减小回路的无用电感； 在初始能量引入和工作期间由磁力引起的装置元件的位移； 短路电枢相对运动时触

10、点常形成金属射流； 工作期间的磁能损失； 内部元件过电压击穿。,MFCG的限制因素,磁通损失 由于内部击穿或磁通压缩区域部分地过早闭合形成回路从而损失部分磁通。 回路电阻的存在将减小电流幅值，势必降低磁场，造成一定的磁能损失。 存在渗透到发生器元件导体内而不可收回的磁通。 短路点接触不良，损失少量磁通。,MFCG的限制因素,强磁场效应 在高场强环境中，将引起表面温度的升高。这种温升与场达到峰值的时间基本无关，但依赖于脉冲形状。 磁场强度影响磁通的俘获效率。场强越大，效率越低。低于80T时，磁通损失率小于20%。 高场强环境对变压器工作十分不利。电动力可使绕组导体严重径向移动。,排斥型MFCG,增大互感型MFCG的电枢和定子是不接触的，是借助快速增大它们之间的互感来放大能量和电流的，这类发生器多半是以两个线圈的耦合来实现功率放大的。,可以用广义的磁场冻结和磁通压缩概念说明排斥型MFCG压缩磁通的物理涵意如下：线圈A本来无磁通，当带有磁通的线圈B向它同轴地靠近时，线圈A内的磁通量从无到有地发生变化，于是线圈A产生感应电流，很据楞次定律，此感应电流严生的磁场将反抗原来的磁通变化。 如果线圈A的导体电阻为零，感应电流足以抵消原磁通