一種通用型航空蓄電池充放電設備研制實踐

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 研究背景

航空蓄電池屬于飛機電源系統，為飛機的二次電源，可在飛機主電源系統故障的情況下向機載系統提供28V的應急供電，或在飛機發動機突發空中停車時提供應急啟動的動力。現階段的航空蓄電池根據使用功能可分為主蓄電池、飛控電池以及測試電池；根據蓄電池內電解液的特點又可分為堿性電池（如鉻鎳電池、鋅銀電池），鉛酸電池以及鋰電池，在充電維護方式上，堿性電池、鉛酸電池以二階段的恒流充電為主，而鋰電池采用的則為更有利于單體電壓均衡的恒壓限流充電方式。

試飛階段飛機所裝載的航空蓄電池，多屬于試驗件，其狀態、性能等會隨著飛行試驗的推進進行相應的調整，如維護電流的大小、維護精度、連接插頭形式等，這都對維護設備的應變性提出了較高的要求。早期的蓄電池設備以硅整流設備為主，設備本身性能可調控性、兼容性有限，這意味著在蓄電池狀態發生一定的變化后，原有設備可能無法滿足當前的維護需求，因而通用化、智能化的維護需求逐漸成為當下航空蓄電池充放電設備急需解決的問題。

2 需求分析

因充放電形式以及控制方法等差異性較大，文中通用性的需求分析及方案設計暫時不考慮航空鋰電池。

2．1 性能需求

本文對試飛階段常見的45種各型號鎘鎳、鉛酸以及鋅銀電池的周期性充放電維護需求進行了分析，對設備的性能需求分析如下。

（1）輸入需求：電壓：三相五線制AC380V±15%，50Hz±5Hz；

（2）輸出需求：①電壓范圍：兩檔，（0～35）V可調，（35～70）V可調；設定最小步進單位0.1V；②電流范圍：（0～60）A可調；設定最小步進單位0.1A；③紋波：電流波紋≤1%，電壓波紋≤1%；④可連續工作時間：≥48h。

2．2 功能需求

基于實際使用需求，從工作方式、保護等方面對設備的功能需求分析如下。

（1）工作方式：①采用恒流限壓工作方式，定時控制充放電時間，同時具有應急快速充放電功能；②在串聯充放電時，可循環檢測蓄電池組電壓，也可循環檢測蓄電池的單體電壓；③每個組件可以單獨操作，也可通過工控機進行遠程控制。

（2）保護需求：①過壓和欠壓保護：當蓄電池組超過設定保護值時，檢測維護設備切斷充放電功率回路實施保護，并故障告警；②電流異常保護：當充放電電流超過設定保護值（上、下限保護值）時，維護設備切斷充放電功率回路實施保護，并故障告警；③超時保護：當蓄電池組在維護過程中，工作時間超過設定保護時間時，維護設備切斷充放電功率回路實施保護，并故障告警；④短路保護：當電池組在檢測維護過程中出現短路故障時，應能快速進行保護；⑤設備自診斷：設備應當具有設備自我故障診斷功能。

（3）使用環境需求：環境溫度：－20～＋50℃；相對濕度：≤85%（23±5℃）。

其他：單組模塊自重≤25kg，滿足外出攜帶需求。

3 設計方案

3．1 技術需求分析

結合設備設計需求，對其技術需求分析如下。

（1）輸入電壓設計：選擇寬范圍器件，滿足輸入范圍要求；（2）輸出電壓、電流范圍設計：采用高精度基準，單片機控制調節，以滿足調節范圍要求；（3）輸出紋波設計：采用高精度濾波器件，及高精度儀表，滿足測試要求；（4）保護設計：采用高精度檢測器件及高速單機控制，滿足保護功能要求；（5）其他設計：采用符合要求的標準機箱。

3．2 系統組件原理設計

整個設備由充放電組件、工控機、控制程序、通信系統以及其他的一些附件組成，現對其硬件、程控兩大部分的設計原理進行介紹。

（1）硬件部分。每組充放電組件的充電工作由工頻變壓器隔離降壓，采用三相全橋可控硅整流和逆變的方法進行蓄電池的充放電。控制上采用雙環路控制模式，以電流為內環，以電壓為外環，通過改變占空比達到恒流限壓的目的。

每組充放電組件的放電是將電能向充放電組件和電網進行反饋電，并加上功率因數補償電路，可實現電能的循環利用和節能。

用CS050B霍爾傳感器進行電壓、電流檢測，然后通過T6650D隔離變送器上傳到工控機，由工控機來檢測顯示。

（2）程控部分。該充放電組件程控部分采用高速單片機。具備驅動大屏幕液晶屏、指令接收與發送、單體電壓檢測、與上位機實時通訊及保護等功能。液晶屏顯示當前工作模式、輸出電壓、輸出電流、工作時間、結束條件、容量等內容。指令由前面板鍵盤輸入或通過RS485接收上位機發出之指令，菜單為全中文顯示。單體電壓、電流檢測采用高精度A/D轉換器，通過單片機實時監測輸出電壓和輸出電流，超出設定的保護值，執行相應的聲光報警及切斷輸出動作。與上位機實時通訊采用串口RS485，支持上位機指令發送和上位機充放電數據調集。

保護包括輸入電壓、輸入欠壓、輸入缺相、輸出過壓、輸出過流、輸出過載、輸出短路、反極性、過熱等一系列保護。

輸入電壓、輸入欠壓、輸入缺相的檢測通過置于輸入端的三相檢測變壓器將采集的高電壓轉換成低電壓，再經整流濾波、高精度A/D轉換器，送入單片機，與設定的電壓值比較，判斷是否存在相應的故障。故障時單片機發出電平信號，經過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警，以達到輸入保護的目的。

輸出過壓、反極性的檢測通過采集輸出端的電壓信號，經過分壓處理，送至隔離變送器，再到單片機與設定值比較，判斷是否存在相應的故障。故障時單片機發出電平信號，經過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警，以達到輸出保護的目的。輸出過流、輸出過載、輸出短路的檢測通過采集串聯在輸出線負端的高精度電流型霍爾傳感器CSM050A的電壓信號，經過隔離單片機與設定值比較，判斷是否存在相應的故障。故障時單片機發出電平信號，經過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警以達到輸出保護的目的。

圖1

圖2

圖1、圖2分別為設備的結構原理框圖、內置工控機程序框圖。

4 使用效果

設備實際電流輸出范圍為（0.2～60）A可調，輸出電壓為（0～35）V、（35～70）V兩檔可調，內置的充放電程序可根據維護對象進行設置，可完成當前6種飛控電池以及39種主蓄電池的維護，維護范圍廣；此外，維護過程中的電壓自動采集記錄與維護時間控制，避免了維護人員時刻職守檢查記錄的局面，實現了航空蓄電池維護的智能化發展。

綜上，該型航空蓄電池充放電設備的軟件、硬件設計都符合航空蓄電池充放電設備通用化、智能化發展要求，同時，滿足了航空地面保障設備統行需求。