2024年6月6日发(作者：始哲)
2021
年第
1
期
超级电容器储能在电动飞机中的应用
贺军
王治澍
孙健
杨飞远
（沈阳航空航天大学
辽宁
沈阳
110136
）
摘要
:
电动飞机使用电动机来代替内燃机，电动机的电力来源主要包括太阳能电池、超级电容器、燃料电池等。将超级
电容器应用到电动飞机中的相关研究得到了国内外学者的青睐。已有的关于超级电容器在电动无人机中的应用研究主要
集中于超级电容器与电池等配合使用，改善功率性能。我国在电动飞机领域也开展了共性核心关键技术研究与电动飞机
产品研发工作。未来电动无人机用超级电容器的能量密度还需要进一步的提高，研制出功率性能高、放电时间长、稳定
可靠的电动无人机用超级电容器系统。
关键词：
电动飞机；绿色航空；储能技术；超级电容器
0
引言
近些年来，随着国家对生态文明建设愈加重视，航空
企业也开始大力推进减少碳排的措施，新能源电动飞机的出
现为航空业的绿色发展提供了一条有效的途径。电动飞机使
用电动机来代替内燃机，电动机的电力来源主要包括太阳
能电池、超级电容器、燃料电池及其他种类的电池。其中，
超级电容器的研究备受瞩目，超级电容器是介于传统电容
器和电池之间的新型储能电源，与传统电容器相比它的能量
密度更高，与电池相比，超级电容器的功率密度高，充电
时间短，循环寿命长，近几年来受到科研人员的广泛关注。
将超级电容器应用于电动无人机中，可以极大的缓解锂电池
等传统电源功率密度低的不足，大幅延长电池的使用寿命，
增加电动无人机的航程，提高飞行品质。
1
国内外的相关研究
将超级电容器应用到电动飞机中的相关研究得到了国
内外学者的青睐。由于超级电容器尤其是碳基超级电容器成
熟较晚，将超级电容器应用到电动无人机中的相关研究大多
始于2000年左右。Andrew Gong
等对无人机使用燃料电池/
电池/超级电容器的混合推进系统进行了分析，其研究表明
在三重混合电源中，电池提供动力，而超级电容器通过均
衡负载大幅提高了电池的使用寿命。Muhammad等研究了
基于超级电容器的混合电力推进系统，超级电容器与电池
一起组合而成高比功率和比能量的电源，该系统可提高电
动无人机的飞行时间。Ali Djerioui等研究了超级电容器/燃
料电池储能装置的能量管理策略，其通过使用超级电容器
参与储能减少有害的电流瞬变来延长燃料电池的使用寿命，
这种策略实现了高效的能源开发并提供了有效的驱动性能。
Vasil Tenev等研究了电池/超级电容器系统对无人机能效提
升的帮助，结果表明，由电池和超级电容器组合而成的电源
系统具有较好的可靠性及优异的比功率特性，提高了电动无
人机的飞行可靠性和能源效率，延长了电动无人机的飞行时
间。Mohamed等提出了电动无人机电源与能量管理的解决
方案及策略，并对未来电动无人机的能量管理模式进行展
望。Bhaskar等对电动无人机的健康管理系统进行了研究，
探讨了电动无人机在起飞/着陆和巡航等不同飞行模式下的
电源放电模型。Moussa等开发了一种高性能超级电容器，
其使用石墨烯/聚苯胺多孔复合材料制备电极，比电容值高、
能量密度大。该碳基超级电容器有望应用于电动无人机的电
推进及电驱动系统中。
由国外的相关研究可以发现，已有的关于超级电容器
在电动无人机中的应用研究主要集中于超级电容器与电池
等配合使用，改善功率性能，延长电池的使用寿命和整套电
源系统的放电时间，为电推进系统提供更加强有力的驱动性
能和相应的电源管理与策略。而关于电动飞机及电动无人机
舵面驱动系统的相关研究多关注于执行系统的优化设计和
选取以及功率和能量的控制管理，关于将超级电容器应用到
电动无人机舵面驱动系统或电驱动系统中的研究则相对较
少，有待进一步的研究。
我国在电动飞机领域也开展了共性核心关键技术研究
与电动飞机产品研发工作。于2011年辽宁通用航空研究院
开始开展系列电动飞机研制工作，其中RX1E双座电动飞
机、RX1E-A增程型双座电动飞机已经取得适航证并进入市
场。目前正在进行电动四座和水上飞机的研制工作；由中
国商飞公司联合国家电投集团氢能科技发展有限公司等单
位共同发起研制“灵雀H”氢燃料电混合动力飞机，该验
证机于2019年1月开始进行试验飞行；中国航空研究院高
度重视电动飞机发展，积极开展电动飞机领域的国际合作，
与荷兰宇航院就民用航空科技领域的交流与合作达成协议。
黄俊等提出了超级电容器是通过极化电解质来储能的一种
介于传统电容器和电池之间的特殊电源，具有充电速度快、
大电流放电能力强、功率密度大等特点，有望在电动飞机上
与锂电池等配合使用。
2
结语
总之，目前将超级电容器应用到电动无人机中已经获
得了广泛的研究。然而，目前超级电容器的能量密度仍然较
低，放电时间不足，这对于将超级电容器应用到电推进系统、
电驱动系统中是个巨大的挑战。目前，国外关于将超级电容
器应用到电动无人机中进行了一定的研究。而国内关于将
超级电容器应用到电动无人机及其舵面电源驱动系统中的
（下转第27页）
25
2021
年第
1
期
2.1AFC设备的管理特点
纸、网络布线图、线路软件版本、软硬件升级履历、TP版
本等。技术资料的储备可为后期的设备换代改造提供支撑，
还可以对同类问题的再次出现提供预防对策。
其次是对设备维修大数据的挖掘应用，实现对设备全
寿命周期的精确管理。随着运营年限的增加，平台所采集
的数据越来越多，对大数据的挖掘应用可预先设定主题，
对所关注的数据进行定期分类，做成固定模块自动汇总。
数据汇总后以图表进行展示，可以更直观地发现设备的变
化轨迹、备件消耗量、部件损坏规律等，以此完成设备的
劣化分析研究，避免出现过度修、延时修、备件采购不合理、
人力浪费等问题。而且，数据预测结果会随着数据的增多
变得更加准确，利用大数据统计可以更清楚地了解设备性
能指标的变化，对部件老化的预判更加准确，为制定更加
合理的维修计划提供支撑，采购计划做到全寿命周期管理
的可控。
3
结语
AFC设备相比其他专业设备的特点在于设备的点多面
广，比如苏州轨道交通目前AFC设备的配置数约为每站8
台TVM、14个通道闸机、2台BOM，线网4条线约2500
台终端，分布在133个车站，独立面向乘客服务，设备的完
好性不仅取决于维修保养、乘客使用，还受限于设备运行环
境的变化。因此，对AFC设备全寿命周期的管理不能一刀切，
需要个性化订制。
运营管理阶段主要是按计划对设备保养，完成状态修、
故障修和大修，计划的制订源于设备状态的变化和使用年限
的增加，需要运营人员通过设备的历史数据分析找出变化规
律，用以指导制订流程，这就需要引入维修大数据的理念。
2.2维修大数据在设备生命周期管理的应用
维修大数据的应用分四步，分别是数据采集、导入和
预处理、统计和分析以及挖掘。
首先是数据的采集。因为AFC设备的数量大、故障多
且启用年限不同，纸质记录达不到数据高效汇总的要求，需
引入数据平台用于维修数据统计。数据平台建议自主开发，
且越早越好。自主开发能量身定制适合本专业的管理界面，
抓取想要的数据点，方便功能修改，适用性更强。
目前，苏州轨道交通AFC专业自主开发了设备故障维
修平台用于数据采集，实现了对维修、保养、备件更换的
录入和统计，同时能实现数据的分类汇总和分析，具备设
备履历信息的自动生成功能。另外，在数据的收集过程中，
前期建设阶段的技术资料也要纳入其中，如设计和施工图
如何更有效地对大数据深入挖掘是一个长期课题，是
设备全寿命周期管理的重要保障，将引导运营人员制定更加
科学合理的管控措施，保障设备运行的高效稳定。但是，随
着维修数据的不断积累，大数据所能提供的样本越来越多，
维修数据所隐藏的预测结果还需要进一步开发。
参考文献：
[1] 何盛明 . 财经大辞典 ( 上卷 )[M]. 北京：. 中国财政经济出版
社 , 1990.
[2] 郭怡．现代设备管理 [M]. 北京：国防工业出版社社，2014. 7.
（上接第25页）
研究较少，与欧美等先进国家还有一定的差距。而且将超级
电容器应用到电动无人机相关系统中未来也属于电动飞机
共性核心技术研究的一部分。因此，电动无人机用超级电
容器的能量密度还需要进一步的提高，研制出功率性能高、
放电时间长、稳定可靠的电动无人机用超级电容器系统。
参考文献：
[1] Gong A,MacNeill R,Verstraete D,et al. Analysis of a Fuel-Cell/
Battery/Supercapacitor Hybrid Propulsion System for a UAV using
a Hardware-in-the-Loop Flight Simulator[C]//2018 AIAA/IEEE
Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS). IEEE,2018: 1-17.
[2] Khan M A,Khan A,Ahmad M,et al. A Study on Flight Time
Enhancement of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) Using
Supercapacitor-Based Hybrid Electric Propulsion System (HEPS)
[J]. Arabian Journal for Science and Engineering,2020: 1-20.
[3] Djerioui A, Houari A, Zeghlache S, et al. Energy management
strategy of supercapacitor/fuel cell energy storage devices for
vehicle applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy,
2019, 44(41): 23416-23428.
[4] Trenev V, Mladenov M, Kanev K, et al. Unmanned Aerial
Vehicle Energy Efficiency Improvement by Batery-Supercapacitor
System[C]//Proceedings of the 19th International Conference Batch
Production Automation ADP 2010. 2010: 476-481.
[5] Boukoberine M N, Zhou Z, Benbouzid M. A critical review on
unmanned aerial vehicles power supply and energy management:
Solutions, strategies, and prospects[J]. Applied Energy, 2019, 255:
113823.
[6] Saha B, Koshimoto E, Quach C C, et al. Battery health
management system for electric UAVs[C]//2011 aerospace
conference. IEEE, 2011: 1-9.
[7] Moussa M, El-Kady M F, Wang H, et al. High-performance
supercapacitors using graphene/polyaniline composites deposited
on kitchen sponge[J]. Nanotechnology, 2015, 26(7): 075702.
[8] 范振伟,
杨凤田, 项松, 赵为平. 我国电动飞机发展现状及
建议[J]. 航空科学技术, 2019, 30(11):18-21.
[9]孙自法. 中国商飞"灵雀H"新能源验证机成功试飞[J]. 班
组天地, 2019, 35(04):82-83.
[10]孙侠生, 程文渊, 穆作栋. 电动飞机发展白皮书[J]. 航空科
学技术, 2019, 030(011):1-7.
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超级电容器储能在电动飞机中的应用
贺军
王治澍
孙健
杨飞远
（沈阳航空航天大学
辽宁
沈阳
110136
）
摘要
:
电动飞机使用电动机来代替内燃机，电动机的电力来源主要包括太阳能电池、超级电容器、燃料电池等。将超级
电容器应用到电动飞机中的相关研究得到了国内外学者的青睐。已有的关于超级电容器在电动无人机中的应用研究主要
集中于超级电容器与电池等配合使用，改善功率性能。我国在电动飞机领域也开展了共性核心关键技术研究与电动飞机
产品研发工作。未来电动无人机用超级电容器的能量密度还需要进一步的提高，研制出功率性能高、放电时间长、稳定
可靠的电动无人机用超级电容器系统。
关键词：
电动飞机；绿色航空；储能技术；超级电容器
0
引言
近些年来，随着国家对生态文明建设愈加重视，航空
企业也开始大力推进减少碳排的措施，新能源电动飞机的出
现为航空业的绿色发展提供了一条有效的途径。电动飞机使
用电动机来代替内燃机，电动机的电力来源主要包括太阳
能电池、超级电容器、燃料电池及其他种类的电池。其中，
超级电容器的研究备受瞩目，超级电容器是介于传统电容
器和电池之间的新型储能电源，与传统电容器相比它的能量
密度更高，与电池相比，超级电容器的功率密度高，充电
时间短，循环寿命长，近几年来受到科研人员的广泛关注。
将超级电容器应用于电动无人机中，可以极大的缓解锂电池
等传统电源功率密度低的不足，大幅延长电池的使用寿命，
增加电动无人机的航程，提高飞行品质。
1
国内外的相关研究
将超级电容器应用到电动飞机中的相关研究得到了国
内外学者的青睐。由于超级电容器尤其是碳基超级电容器成
熟较晚，将超级电容器应用到电动无人机中的相关研究大多
始于2000年左右。Andrew Gong
等对无人机使用燃料电池/
电池/超级电容器的混合推进系统进行了分析，其研究表明
在三重混合电源中，电池提供动力，而超级电容器通过均
衡负载大幅提高了电池的使用寿命。Muhammad等研究了
基于超级电容器的混合电力推进系统，超级电容器与电池
一起组合而成高比功率和比能量的电源，该系统可提高电
动无人机的飞行时间。Ali Djerioui等研究了超级电容器/燃
料电池储能装置的能量管理策略，其通过使用超级电容器
参与储能减少有害的电流瞬变来延长燃料电池的使用寿命，
这种策略实现了高效的能源开发并提供了有效的驱动性能。
Vasil Tenev等研究了电池/超级电容器系统对无人机能效提
升的帮助，结果表明，由电池和超级电容器组合而成的电源
系统具有较好的可靠性及优异的比功率特性，提高了电动无
人机的飞行可靠性和能源效率，延长了电动无人机的飞行时
间。Mohamed等提出了电动无人机电源与能量管理的解决
方案及策略，并对未来电动无人机的能量管理模式进行展
望。Bhaskar等对电动无人机的健康管理系统进行了研究，
探讨了电动无人机在起飞/着陆和巡航等不同飞行模式下的
电源放电模型。Moussa等开发了一种高性能超级电容器，
其使用石墨烯/聚苯胺多孔复合材料制备电极，比电容值高、
能量密度大。该碳基超级电容器有望应用于电动无人机的电
推进及电驱动系统中。
由国外的相关研究可以发现，已有的关于超级电容器
在电动无人机中的应用研究主要集中于超级电容器与电池
等配合使用，改善功率性能，延长电池的使用寿命和整套电
源系统的放电时间，为电推进系统提供更加强有力的驱动性
能和相应的电源管理与策略。而关于电动飞机及电动无人机
舵面驱动系统的相关研究多关注于执行系统的优化设计和
选取以及功率和能量的控制管理，关于将超级电容器应用到
电动无人机舵面驱动系统或电驱动系统中的研究则相对较
少，有待进一步的研究。
我国在电动飞机领域也开展了共性核心关键技术研究
与电动飞机产品研发工作。于2011年辽宁通用航空研究院
开始开展系列电动飞机研制工作，其中RX1E双座电动飞
机、RX1E-A增程型双座电动飞机已经取得适航证并进入市
场。目前正在进行电动四座和水上飞机的研制工作；由中
国商飞公司联合国家电投集团氢能科技发展有限公司等单
位共同发起研制“灵雀H”氢燃料电混合动力飞机，该验
证机于2019年1月开始进行试验飞行；中国航空研究院高
度重视电动飞机发展，积极开展电动飞机领域的国际合作，
与荷兰宇航院就民用航空科技领域的交流与合作达成协议。
黄俊等提出了超级电容器是通过极化电解质来储能的一种
介于传统电容器和电池之间的特殊电源，具有充电速度快、
大电流放电能力强、功率密度大等特点，有望在电动飞机上
与锂电池等配合使用。
2
结语
总之，目前将超级电容器应用到电动无人机中已经获
得了广泛的研究。然而，目前超级电容器的能量密度仍然较
低，放电时间不足，这对于将超级电容器应用到电推进系统、
电驱动系统中是个巨大的挑战。目前，国外关于将超级电容
器应用到电动无人机中进行了一定的研究。而国内关于将
超级电容器应用到电动无人机及其舵面电源驱动系统中的
（下转第27页）
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年第
1
期
2.1AFC设备的管理特点
纸、网络布线图、线路软件版本、软硬件升级履历、TP版
本等。技术资料的储备可为后期的设备换代改造提供支撑，
还可以对同类问题的再次出现提供预防对策。
其次是对设备维修大数据的挖掘应用，实现对设备全
寿命周期的精确管理。随着运营年限的增加，平台所采集
的数据越来越多，对大数据的挖掘应用可预先设定主题，
对所关注的数据进行定期分类，做成固定模块自动汇总。
数据汇总后以图表进行展示，可以更直观地发现设备的变
化轨迹、备件消耗量、部件损坏规律等，以此完成设备的
劣化分析研究，避免出现过度修、延时修、备件采购不合理、
人力浪费等问题。而且，数据预测结果会随着数据的增多
变得更加准确，利用大数据统计可以更清楚地了解设备性
能指标的变化，对部件老化的预判更加准确，为制定更加
合理的维修计划提供支撑，采购计划做到全寿命周期管理
的可控。
3
结语
AFC设备相比其他专业设备的特点在于设备的点多面
广，比如苏州轨道交通目前AFC设备的配置数约为每站8
台TVM、14个通道闸机、2台BOM，线网4条线约2500
台终端，分布在133个车站，独立面向乘客服务，设备的完
好性不仅取决于维修保养、乘客使用，还受限于设备运行环
境的变化。因此，对AFC设备全寿命周期的管理不能一刀切，
需要个性化订制。
运营管理阶段主要是按计划对设备保养，完成状态修、
故障修和大修，计划的制订源于设备状态的变化和使用年限
的增加，需要运营人员通过设备的历史数据分析找出变化规
律，用以指导制订流程，这就需要引入维修大数据的理念。
2.2维修大数据在设备生命周期管理的应用
维修大数据的应用分四步，分别是数据采集、导入和
预处理、统计和分析以及挖掘。
首先是数据的采集。因为AFC设备的数量大、故障多
且启用年限不同，纸质记录达不到数据高效汇总的要求，需
引入数据平台用于维修数据统计。数据平台建议自主开发，
且越早越好。自主开发能量身定制适合本专业的管理界面，
抓取想要的数据点，方便功能修改，适用性更强。
目前，苏州轨道交通AFC专业自主开发了设备故障维
修平台用于数据采集，实现了对维修、保养、备件更换的
录入和统计，同时能实现数据的分类汇总和分析，具备设
备履历信息的自动生成功能。另外，在数据的收集过程中，
前期建设阶段的技术资料也要纳入其中，如设计和施工图
如何更有效地对大数据深入挖掘是一个长期课题，是
设备全寿命周期管理的重要保障，将引导运营人员制定更加
科学合理的管控措施，保障设备运行的高效稳定。但是，随
着维修数据的不断积累，大数据所能提供的样本越来越多，
维修数据所隐藏的预测结果还需要进一步开发。
参考文献：
[1] 何盛明 . 财经大辞典 ( 上卷 )[M]. 北京：. 中国财政经济出版
社 , 1990.
[2] 郭怡．现代设备管理 [M]. 北京：国防工业出版社社，2014. 7.
（上接第25页）
研究较少，与欧美等先进国家还有一定的差距。而且将超级
电容器应用到电动无人机相关系统中未来也属于电动飞机
共性核心技术研究的一部分。因此，电动无人机用超级电
容器的能量密度还需要进一步的提高，研制出功率性能高、
放电时间长、稳定可靠的电动无人机用超级电容器系统。
参考文献：
[1] Gong A,MacNeill R,Verstraete D,et al. Analysis of a Fuel-Cell/
Battery/Supercapacitor Hybrid Propulsion System for a UAV using
a Hardware-in-the-Loop Flight Simulator[C]//2018 AIAA/IEEE
Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS). IEEE,2018: 1-17.
[2] Khan M A,Khan A,Ahmad M,et al. A Study on Flight Time
Enhancement of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) Using
Supercapacitor-Based Hybrid Electric Propulsion System (HEPS)
[J]. Arabian Journal for Science and Engineering,2020: 1-20.
[3] Djerioui A, Houari A, Zeghlache S, et al. Energy management
strategy of supercapacitor/fuel cell energy storage devices for
vehicle applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy,
2019, 44(41): 23416-23428.
[4] Trenev V, Mladenov M, Kanev K, et al. Unmanned Aerial
Vehicle Energy Efficiency Improvement by Batery-Supercapacitor
System[C]//Proceedings of the 19th International Conference Batch
Production Automation ADP 2010. 2010: 476-481.
[5] Boukoberine M N, Zhou Z, Benbouzid M. A critical review on
unmanned aerial vehicles power supply and energy management:
Solutions, strategies, and prospects[J]. Applied Energy, 2019, 255:
113823.
[6] Saha B, Koshimoto E, Quach C C, et al. Battery health
management system for electric UAVs[C]//2011 aerospace
conference. IEEE, 2011: 1-9.
[7] Moussa M, El-Kady M F, Wang H, et al. High-performance
supercapacitors using graphene/polyaniline composites deposited
on kitchen sponge[J]. Nanotechnology, 2015, 26(7): 075702.
[8] 范振伟,
杨凤田, 项松, 赵为平. 我国电动飞机发展现状及
建议[J]. 航空科学技术, 2019, 30(11):18-21.
[9]孙自法. 中国商飞"灵雀H"新能源验证机成功试飞[J]. 班
组天地, 2019, 35(04):82-83.
[10]孙侠生, 程文渊, 穆作栋. 电动飞机发展白皮书[J]. 航空科
学技术, 2019, 030(011):1-7.
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