新型機載蓄電池組充放電控制技術的研究

齊叢生+謝定祥+賴耀祖+王國法

摘 要：文中提出了一種新型直升機機載蓄電池組充放電控制技術。通過對蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數的監控，利用軟件和現代開關電源技術，實現了機載蓄電池組充放電過程的自動控制，并具備系統BIT自檢及與供電處理機通信功能，增加了蓄電池組容量和使用壽命，有效提高了全機人機功效。

關鍵詞：蓄電池組；充放電控制；容量；人機功效

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

堿性蓄電池因具有使用壽命長，充放電循環次數多，自放電小，低溫性能好以及相較于酸性電池對環境要求低等諸多優點而被廣泛應用于各工業領域[1，2]。我國直升機所用應急蓄電池多為堿性電池。機載蓄電池作為直升機應急狀態下的唯一能源，其重要性不言而喻。根據堿性蓄電池特性，制定合理的充電方式，對提高蓄電池容量、使用壽命具有重大意義。

傳統的機載蓄電池工作時，直接與機上直流主電源并聯工作，一直處于浮充狀態。整個充放電過程缺乏對蓄電池組電壓、電流等參數的監控，存在以下缺陷：

（1）蓄電池組長期處于浮充狀態，容量只能達到滿容量的80%左右，不能充分利用蓄電池組的額定容量；

（2）缺乏對蓄電池組電流、電壓、溫度等參數的檢測和控制，對于蓄電池組在充放電過程中出現的過充、過流等情況缺乏有效控制手段，對蓄電池組傷害較大，影響其使用壽命和安全性；

（3）不具備容量檢測功能，蓄電池組只能按規定的壽命2年/200次使用，不能采用視情監控的維護方式；

（4）不具備通信功能，無法顯示蓄電池組容量、充放電電流、溫度等參數，人機功效效果不好。

針對傳統機載蓄電池組充放電技術的弊端，本文提出了全新的蓄電池組充放電控制技術，通過對蓄電池組參數全方位的檢測、控制和與供電處理機的通信，提高蓄電池壽命及使用效率，提高人機功效。

1 充放電方案的確定

蓄電池在充電過程中對電流的接受能力是不斷變化的。開始充電時，蓄電池大部分電流都轉化為化學能儲存起來[3]。充電后期，蓄電池對電流的接受能力減弱，接受的電流除部分轉化為化學能外，還有一部分用來分解電解液中的水。美國科學家馬斯曾提出著名的馬斯曲線[4，5]，用來描述蓄電池充電過程中電流接受能力的變化。充電電流接受能力曲線如圖1所示。

當前蓄電池主流充電方式有恒壓充電、恒流充電、脈充充電等。綜合考慮，本文制定了恒流限壓+涓流充電的智能充電方式[1，6]。

在充電前期，蓄電池接受能力強，采用1 C大電流進行快速充電。當蓄電池組電壓達到31 V后，改用小電流0.1 C涓流充電。該方式既避免了恒壓充電初期對蓄電池本身的傷害和對電網的沖擊，又避免了恒流充電后期因大量氣體析出而導致蓄電池內部溫度和壓力的增加。

2 充放電控制原理

2.1 充放電控制原理

蓄電池組的充放電自動控制過程由充放電控制器完成?？刂破髦饕ǔ潆娊M件、DC/DC模塊、整流模塊、濾波器等部分。充放電自動控制原理框圖如圖2所示。

由圖可見，由2路供電電源組成雙備份做為蓄電池充電輸入。正常情況下由機上28 V直流電源經濾波后送入充電組件為蓄電池充電。當28 V直流電源出現故障無法正常工作時，監控模塊檢測到失電信息，向DC/DC降壓模塊發出工作指令。115 V/400 Hz單相交流電源經整流濾波后變為直流電源，經DC/DC模塊降壓到28 V后，再送入充電組件為蓄電池充電。

與傳統機載蓄電池單路供電相比，雙路供電極大地提高了應急電源的可靠性。

2.1.1 控制部分

監控模塊是控制器的控制核心，內嵌51內核的831系列單片機作為微處理器，負責檢測充放電系統參數，控制蓄電池組充放電過程，與供電處理機進行通信及發送告警控制信號。監控模塊工作原理框圖如圖3所示。

控制器工作時，監控模塊檢測全電壓、半電壓、溫度信號、充放電電流、蓄電池容量、機上輪載信號等參數以及充放電控制器自身的參數。微處理器對檢測到的數據進行判斷和處理，進而控制主電路工作，實現蓄電池組充放電過程的自動控制。

監控模塊通過五線制RS-422A總線實現與供電處理機的數據交換。當供電處理機發送查詢指令時，充放電控制傳送蓄電池組的電池組容量、溫度、充放電電流等參數。

為增強監控模塊工作的可靠性，共設置三路電源為其供電：分別為機上28 V直流電源、115 V/400 Hz交流電源經轉換后的直流電源和蓄電池組本身的直流電源。

2.1.2 充電組件

充電組件是控制器的主體部分，應選擇體積小、質量輕、效率高的開關電源。輸入端是機上28 V或由115 V交流變換后的直流電，根據監控模塊指令進行DC/DC電壓變換，輸出恒流至蓄電池組。充電組件工作原理框圖如圖4所示。

開關電源內部同樣分為主電路和控制電路。電源主電路是由開關管MOSFET為主體構建的DC/DC升壓拓撲結構，根據控制電路輸入的脈寬調節PWM波進行高速開關動作，對輸入電流斬波。控制電路從監控模塊接收取樣電阻檢測到的電流信號v1，送入電路內部的比較放大電路，與同樣來自監控模塊的基礎信號v0做減法。將二者相減的結果送至電路內部的PWM波生成模塊，控制PWM波占空比，從而調節MOSFET的開通和閉合時間，保證主電路輸出為恒流。

前期用1 C大電流充電，當檢測蓄電池組電壓達到31 V后，改用小電流0.1 C涓流充電。若監控模塊檢測到充放電系統有故障時，向控制電路發出指令，控制主電路停止充電。充電流程圖如圖5所示。

2.2 接口設計

監控模塊將檢測和計算得到的蓄電池組和控制器自身參數信息傳送給供電處理機，使得供電處理機可以實時監測控制器和蓄電池組。飛行員通過綜顯或供電處理機能夠及時獲得蓄電池組的工作狀態，從而提高了人機功效。

通信接口電路采樣422轉換芯片，以實現微處理器TTL電平與RS-422A電平的轉換?？紤]到飛機內部電磁環境惡劣，通信電路利用光耦進行，防止隔離微處理器收到線路上的干擾。

2.3 容量計算及告警

控制器具備容量計算功能。監控模塊根據檢測到的蓄電池組參數進行容量計算，結果傳送到供電處理機進行顯示，且能夠在飛行和地面檢查時發出容量低和放飛告警信號。

2.3.1 容量計算

當前主流蓄電池容量檢測方案有標準電池法和容量評估法2種。標準電池法由硬件電路實現，雖能夠比較準確地判斷蓄電池組的容量，但存在感測電池易壞、不易進行BIT自檢、不能與供電處理機通訊等缺陷[2，7]。

本文充分利用監控模塊的軟件設計功能，采用容量評估法來計算蓄電池容量Q。設計的基本思路為：采用初始容量Q0+動態容量△Q來確定蓄電池容量。方案中，蓄電池組中所有單體電池均為標準電池，內部裝有溫度傳感器、電流取樣電阻等檢測模塊?？刂破魃想姾?，監控模塊根據檢測到的蓄電池組負載、溫度、電壓等信息來確定初始容量Q0。在充放電過程中，監控模塊將采樣電阻傳來的充放電電流進行積分，從而得出動態容量△Q。于是得到蓄電池組的即時容量：

Q= Q0+△Q

為了進一步提高所測容量的準確性，監控模塊在蓄電池組充滿電的情況下對容量進行再次修正。

2.3.2 容量告警

為保證飛行安全，控制器在工作時能夠提供以下告警控制信號：

（1）當蓄電池組容量低于40%時，監控模塊分別向供電處理機和告警燈盒輸出容量低告警信號；

（2）控制器具有蓄電池供電控制信號，其定義為“28 V/開路”。在地面工作時，當蓄電池組容量小于35%時，輸出“開路”信號，斷開機上放電接觸器，保證預留足夠的應急電。

2.4 溫度檢測及告警、控制

為了防止蓄電池組在充電過程中發生熱失控，系統設計有超溫報警系統。溫度信號通過蓄電池組中的溫度傳感器獲得后送入監控模塊。當溫度超過71±3℃時，監控模塊在向供電處理機和告警系統送出告警信號的同時，切斷充放電控制器工作，停止充電。

2.5 BIT自檢測

傳統機載蓄電池組在使用過程中，每個月都要進行一次地面檢查，若電池容量不足，要進行深度充放電以恢復容量。

本文所設計的充放電系統利用微處理器檢測蓄電池組和控制器自身的各項參數，可以對控制器進行完善的BIT自檢，并通過通信將有關參數和故障情況報告給供電處理機。這樣，供電處理機可以實時監測控制器和蓄電池組的工作狀態，增加了系統可靠性，減輕了地面維護人員的工作量。

3 試驗驗證

3.1 充放電

（1）將蓄電池組在充放電設備上按1 C放電至終止電壓20 V；

（2）按1 C充電直至蓄電池組電壓為31 V，按0.1 C充電所需時間為4 h；

（3）在充放電設備將蓄電組按1 C放電至終點電壓，記錄放電時間為80 min（蓄電池組實際容量略大于要求容量。）

主開關管電流實際波形如圖6（a）所示，充電器輸出電流波形如圖6（b）所示。

3.2 告警功能驗證

（1） 當蓄電池組容量低于40%時， 觀察供電處理機故障畫面應顯示蓄電池組容量低、蓄電池組故障警告燈燃亮；

（2） 當蓄電池組容量低于35%時，蓄電池組應該自動退網（地面）。

（3） 將蓄電池組溫度傳感器加溫至71±3 ℃時，監控模塊向供電處理機送出告警信號，并切斷充放電控制器工作，停止充電。

4 結 語

本文所提出的充放電技術可使蓄電池容量保持在95%以上，遠高于傳統機載蓄電池在浮充狀態下80%左右容量。大大提高了蓄電池組的效率，減輕了蓄電池組重量，從而優化了全機重量。此外，該充放電控制器具有充放電智能控制、容量檢測、BIT自檢、與供電處理機通信等功能，可有效提高機載蓄電池組的使用壽命，提高產品的可維護性和可靠性，減輕系統重量，并提高全機的人機功效。

參考文獻

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