美海軍針對定向能武器需求開展“能量庫”研究計劃
2．主要研究內容
能量庫計劃的具體功能、性能需求由功能需求文件提出，但由于包含受控信息，該功能需求文件僅授權與美國防部及其承包商（Distribution State D）。因而本文關于能量庫計劃的研究內容是基于技術發(fā)展路線圖和信息征求分析獲得的。
（1）能量庫架構研究
能量庫由通用模塊組成，主要組成部分為儲能模塊、變電模塊、配電模塊與保護模塊，其架構如下圖所示，示意圖僅代表了能量庫的權衡空間，其最終功能尚待進一步確定，可能包含如下形式：1）不含儲能模塊，直接由變電器向負載供電；2）利用儲能模塊，將平臺供電放大并直接供給負載；3）由儲能模塊單獨向負載供電。
信息征求提出能量庫結構將分為兩部分，分別為儲能柜（Energy Storage Cabinet）和變電柜（PowerConvert Cabinet），兩者的邊界為680VDC－1000VDC總線。
能量庫架構示意圖（美海軍圖片）
能量庫功能模塊（美海軍圖片）
（2）儲能技術研究
研究適用于能量庫的儲能介質及其相關技術。
儲能介質研究主要關注電池、電容及旋轉機械等儲能介質在能量庫的應用，分析混合介質儲能的效果，并探索儲能元件并聯(lián)技術的可行性，特別關注公共接口下多個電容器或電池并聯(lián)的電流分配、穩(wěn)定性及短路保護等技術。
儲能相關技術研究主要關注不同儲能介質對電力電子設備接口的要求，特別是旋轉儲能情況下電力電子設備的拓撲、控制，以及所需軸承等技術。
（3）變電技術研究
研究能量庫所需的變電技術，以滿足能量庫從多種不同電壓等級平臺獲取電能、并向多種負載供能的需求。
能量庫儲能柜如采用混合介質，應考慮是否需要設計額外的變流器以保證其安全接入直流總線。
特別的，美海軍關注高壓碳化硅寬帶隙半導體器件的應用，以及其如何改善電力電子設備的性能，希望明確這一技術能否改善能量庫的設計性能。
碳化硅技術在電力電子設備的應用（美海軍圖片）
（4）配電技術研究
針對不同特性的負載，開展配電技術研究，研制適用于能量庫的斷路器、繼電器等裝置。
此外，對于具體的能量庫結構，儲能柜、變電柜總線上可能需要使用高速斷路器，該斷路器是否封裝到儲能柜或變電柜內部，以及是否影響原有接觸器、保險裝置。
（5）熱管理技術研究
能量庫需要一套采用水作為冷卻介質的熱管理系統(tǒng)，以滿足大功率散熱的需求。
冷卻介質的可能選擇包括環(huán)境水與專用冷卻水，考慮到介質儲存、循環(huán)、結構相容性以及對能量庫性能的影響等因素，需要對兩者進行考量。冷卻介質的溫升上限設定為6．9K。
（6）演示驗證
完成模塊化、可擴展的能量庫全尺寸演示驗證，集成到現(xiàn)有裝備平臺，以滿足2021年開始在平臺應用的多個任務系統(tǒng)的需求。
能量庫演示驗證安排（美海軍圖片）
四、啟示
能量系統(tǒng)技術已成為航空裝備、艦艇等發(fā)展的“瓶頸”技術，嚴重制約裝備平臺的效能，限制了定向能武器等新型武器、任務系統(tǒng)的集成應用。隨著高溫／室溫超導、納米材料、寬帶隙半導體電力電子器件、新型控制理論等技術的發(fā)展和應用，能量系統(tǒng)技術可能迎來新突破。
美空軍、海軍長期關注能量系統(tǒng)技術發(fā)展，發(fā)布路線圖并長期投資基礎科研計劃與技術研究計劃，研究成果有效推動了能量系統(tǒng)發(fā)展及平臺效能提高。
借鑒美空軍、海軍經驗，我國應重視航空裝備及艦艇等平臺能量系統(tǒng)技術研究，開展專項研究計劃，探索前沿技術在能量系統(tǒng)領域應用，以滿足平臺及任務系統(tǒng)的技術需求與系統(tǒng)級產品需求，從而支撐裝備發(fā)展。
（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心 穆作棟）
本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所
運 營：李沅栩
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