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《超级电容在摆式陀螺寻北仪的应用设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、超级电容应用设计曾经提出将超级电容安装在摆式陀螺寻北仪的陀螺房内以代替电池从而彻底解决定期返厂更换电池的问题。这里就超级电容的选择和充放电问题做进一步说明。为了实现上述设想，需要考虑的有：1）电容容量选择，电容的尺寸和重量、电容的老化和温度系数，2）电容串联方式和均压,3）充电和放电电流和电压以及充电时间以及,4）充电和放电电路。1.已知条件设计之前首先确定已知条件也是设计前提1)所需超级电容的充电功耗陀螺马达启动过程是在陀螺房锁定条件下完成的直到陀螺马达进入同步转速之后陀螺房开锁，转为电容供电。开锁之后除去为陀螺马达供电之外有些寻北仪还
2、需要为陀螺摆力矩器激励线圈的恒流驱动供电(光机系统的供电无需陀螺房内的电容提供)。根据经验假设：a)直流陀螺马达同步转速之下的功率为1W(德国Gyromat2000寻北仪的马达功耗为0.7W)。b)马达驱动电路的自身功耗为0.1W。c)如果属于加矩寻北测量系统，假设力矩器恒流激励电流为0.1A*5V=0.5W。实际上,根据寻北过程的要求,激励电流可能需要高低两档，高档的工作时间只占1/3。抵挡工作时激励电流要小得多因此这里假设平均功耗为0.15W。d)力矩器恒流电路本身的功耗为0.1W。e)与超级电容的均压电阻的功耗为。f)升压DC/DC
3、的功耗假设为0.1Wg）陀螺房与外部通讯所需功耗计入电路本身的工作功耗。总功耗为：1W+0.15W+0.1W+0.1W+0.01W+0.1W上述估值偏高，因此不再考虑电容的老化问题了。2)放电时间假设陀螺房开锁之后直到寻北完成的时间，则总的能耗为,说明：寻北完成之后，陀螺房锁定，陀螺马达采用能耗制动，超级电容基本上不再提供电能。3)电容的储能量为电容量的估算如果采用8只耐压2.7V的超级电容串联，最高充点电压为21.6V,如果放电终止电压为5V则所需电容值为12式中储能量，量纲为“瓦－小时”串联之后的电容量，法拉串联组的电压3600ｓ量纲
4、换算常数上式指出，储能量与电压的平方成正比，可见提高单体耐压的意义。根据目前市场上常见的超级电容外形尺寸选用8只35F的超级电容串联可以满足安装要求。4）关于充电时间t为了节省寻北操作时间，建议在陀螺马达上电启动直到同步的这段时间之内同时完成超级电容的充电。这样，电容充电过程不单独占用时间寻北。假设则充电电流为5）陀螺房允许的尺寸和重量此条件决定了所需电容能否能安装在陀螺房内。所需电容的尺寸和重量过大将无法安装到陀螺房内则此方案将无法实现。除此之外还要考虑陀螺马达驱动电路和升压DC/DC电路板的尺寸、重量等。6）允许的最大充电电流电容充电
5、需要通过机械触点完成，假设7）其他条件工作环境温度、振动条件等安装在陀螺房内的电容的温度系数、老化速度以及电容的安装方式可参考超级电容性能参数。3.电容的连接目前单体超级电容的低耐压(2.7到V3V)问题尚未得到解决，这也是阻碍其更广泛应用的一个原因，为提高充电利用率需要将电容进行串联使用。由于电容之间存在容差因此串联之后需要考虑均压。因此尽可能选择电容量相近的电容进行串联这就需要进行选配。通常需要在同一批次的电容中进行选配,这样可以保证(1)容量更为接近,(2)温度系数和老化特性更为一致才能保证在长期使用过程中,其容量的变化也是同步的。
6、串联均压8)单体超级电容的允许最高充点电压为2.7V,这样就需要8个电容串联使用。由于电容值存在差异因此串联之后需要采用均压。建议采用简单的电阻均压方法，即将串联的电容旁边并联一个电阻。虽然均衡电阻越小均压效果越好,但是其分流损耗也越大。因此均压电阻的分流损耗需要分析,希望在短时间之内分流损耗可以接受，例如之间。12选择小的分流电阻的另一个好处是有利于在一次工作完成后尽可能的释放残余电量以保证下次充电是在全放电状态下进行。缩短寻北时间、降低DC/DC的最低工作电压和提高单体电容的耐压是减小超级电容的主要途径。4.关于电容的选配方法由于电容
7、量极大,难以用电容值直接测量方法进行选配,建议采用多个电容串联并且配有均压电阻条件下进行充电，然后测量每个电容上的端电压的选配方法。1)首先选配均压电阻的假设电容量为35F,均压电阻为,保证其电阻值离散在0.1%之内。2)串联试验每8到10只电容(35F)串联为一路,每个电容并联上经过选配的均压电阻，然后分别进行电容的短路放电。将每只电容的两端短路10秒钟，进行充分放电。然后在串联起来，统一用25V稳压电源通过一只限流电阻进行充电。3)充电和测量在充满时（例如每个电容的端电压接近）停止充电,等待10s之后用数字电压表测量每只电容的电压。按
8、其电压排列和分组。为了统一测试条件,只能在同一次统一充电试验中分组,分组余下的电容只能放在另一批充电试验中进行再次分组。根据目前估算,8只25F的电容串联其容量和体积可以满足摆式陀螺寻北仪的供
