航空電氣系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)控制策略綜述

王國(guó)儒，梁云浩，徐晗，孫成國(guó)，熊博

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

航空電氣系統(tǒng)保障飛機(jī)動(dòng)力、電傳操縱、裝置調(diào)節(jié)等一系列設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，作為航空機(jī)載設(shè)備的輔助備用電源，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電技術(shù)研究具有重要意義。隨著電池的發(fā)明及廣泛應(yīng)用以來，市場(chǎng)上出現(xiàn)各式各樣用于不同場(chǎng)合的功能型電池，同時(shí)不斷提出在保證電池壽命的情況下的高速高效充電控制策略，生產(chǎn)出體積小、可靠性高、受干擾時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度快的充放電裝置。飛機(jī)的發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，所有的設(shè)備都是由主電源供電[1]；當(dāng)主電源無法供電時(shí)，蓄電池能大電流進(jìn)行放電，瞬時(shí)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)。在主電源恢復(fù)正常情況前，為飛機(jī)主要的負(fù)載供電，維持正常的通訊，保障飛行人員的安全；飛機(jī)飛行中在切換大負(fù)載時(shí)，依靠放電控制系統(tǒng)能維持直流母線電壓穩(wěn)定?？紤]航空系統(tǒng)的孤立性和特殊性，相比于地面系統(tǒng)具有更大的困難與挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積、成本、續(xù)航能力以及壽命問題更加限制關(guān)鍵技術(shù)和成熟產(chǎn)品的使用[2]。目前國(guó)內(nèi)的充電方式需要10小時(shí)以上充滿蓄電池；PosiCharge公司生產(chǎn)的快速高效的大功率大電流充電機(jī)僅需2小時(shí)就能充滿蓄電池，因此為打破壟斷禁錮核心技術(shù)，研究高效率快速充電技術(shù)對(duì)推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向DC-DC功率變換器可以實(shí)現(xiàn)功率之間的轉(zhuǎn)變，具有開關(guān)器件數(shù)目相對(duì)較少、占用空間小、傳輸能量密度低以及傳輸能量高等優(yōu)越條件。非隔離型變換器開關(guān)器件的電流和電壓應(yīng)力相對(duì)較大，體積小重量輕、電路損耗較小、效率較高但調(diào)壓范圍小，功率較低，電氣隔離差。非隔離型雙向DC-DC變換器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雙向非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隔離型雙向DC-DC電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 雙向隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

航空儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇隔離型全橋CLLC諧振結(jié)構(gòu)如圖3所示。從右向左為充電模式，從左向右為放電模式，低壓側(cè)經(jīng)雙向全橋CLLC諧振變換器升壓為高壓航空直流設(shè)備供電，高壓側(cè)經(jīng)變換器控制開關(guān)管4～8QQ對(duì)蓄電池組充電，控制Q0實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大電流反向放電，提高充電可接受電流。

圖3 航空儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 約束條件

2.1 馬斯曲線

在恒壓恒流充電模式下，蓄電池充電量不斷增加，產(chǎn)生析氣充電效率越來越低，并作用在極板發(fā)熱影響蓄電池循環(huán)使用壽命。上世紀(jì)中期馬斯[3](J.A.Mas)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出蓄電池初期可接受充電電流比較大，蓄電池充入電量較快，中后期電阻增大可接受電流減小，呈指數(shù)下降可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生最少析氣高效率快速充電，稱為馬斯曲線

圖4 馬斯曲線

2.2 馬斯三定律

馬斯三定律[4]是在馬斯曲線理論上拓展的約束條件，依照此理論實(shí)現(xiàn)最小析氣的快速充電在充電過程中進(jìn)行周期性停充和反向脈沖放電，以消除歐姆、電化學(xué)和濃度差極化，提高可接受充電電流。馬斯三定律分別為

3 蓄電池SOC估算

對(duì)蓄電池估算SOC[5]能夠得知當(dāng)前電池的實(shí)際使用容量，從而防止了使用中的蓄電池產(chǎn)生過放現(xiàn)象；同時(shí)也能夠得知充滿時(shí)蓄電池容量的變化趨勢(shì)，從而避免蓄電池過充，同時(shí)提高了電池在充放電過程中電流電壓以及化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)安全性。通過估算蓄電池SOC，就可以測(cè)定蓄電池的總?cè)萘?，從而合理設(shè)定直升機(jī)的運(yùn)行里程數(shù)，既適當(dāng)使用蓄電池的儲(chǔ)備電能量，又可基本保持在直升機(jī)行駛中的穩(wěn)定性。同時(shí)通過估計(jì)電池SOC，還可以對(duì)電池的充放電量實(shí)行平衡管理，使復(fù)合單體電池之間性能更加平衡。

蓄電池SOC估算方法直接影響蓄電池SOC估算的精度，目前主流的估算方法有很多，最精確最廣泛使用的估算方法是卡爾曼濾波法(Kalman Filter，KF)，KF適用于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)線性系統(tǒng)，需要對(duì)系統(tǒng)建立模型，該方法使用迭代循環(huán)的方法來消除系統(tǒng)隨機(jī)誤差，估算值準(zhǔn)確度高。擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extend Kalman Filter，EKF)運(yùn)用遞推算法對(duì)非線性系統(tǒng)狀態(tài)的最小方差上的最佳估計(jì)。

h(xj,uj)為非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；g(xj,uj)為非觀測(cè)函數(shù)，假設(shè)一個(gè)非線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程為：

狀態(tài)方程和輸出方程記為：

4 充電控制策略

隨著自動(dòng)控制理論的完善以及智能化的迅速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者廣泛研究蓄電池充電控制策略并取得很大進(jìn)展，根據(jù)不同環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性要求選擇合適的充電方法。

恒壓充電和恒流充電是最傳統(tǒng)的充電方法，以單一形式進(jìn)行充電。恒壓限流充電在蓄電池上串聯(lián)限流電阻，但串聯(lián)電阻易產(chǎn)生滯后的缺點(diǎn)，而且對(duì)析氣產(chǎn)生沒有有效的控制措施。階段恒流階段性降低充電電流，節(jié)約電能提高充電的速度。恒流-恒壓充電是在充電初期以恒定電流充電，后期通過恒定電壓充電，使充電后電流更貼近馬斯曲線。恒流-恒壓-恒流充電控制策略彌補(bǔ)后期電流小的弊端更加貼近馬斯曲線。

變電流間歇充電初期采用大電流充電，停充一段時(shí)間消除極化現(xiàn)象形成的物質(zhì)，提高電池可接受電流，再降低電流充電一段時(shí)間后停充，如此周期性間歇充電，可縮短充電時(shí)間。變電壓間歇充電間歇以恒定電壓充電，隨著電量增加逐漸降低充電電壓，其充電電流呈曲線下降趨勢(shì)接近馬斯曲線。

單向脈沖充電運(yùn)用脈沖方法進(jìn)行充電，停充階段消除極板附近的產(chǎn)物，提高下一脈沖充電效率。慢脈沖充電先采用恒定脈沖電流充電，再采用恒定脈沖電壓充電以接近馬斯曲線，減小析氣產(chǎn)生，在停充過程中保持小電流以促進(jìn)分子彌散，提高充電效率。

正負(fù)脈沖間單次停充和兩次停充如圖5所示，在加入電流負(fù)脈沖用來消除極化現(xiàn)象產(chǎn)生的物質(zhì)，用以提高下一次充電效率，兩次停充防止直接負(fù)脈沖對(duì)極板的沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生極板彎曲，使得充電過程更加順暢。

圖5 正負(fù)脈沖充電

正負(fù)零脈沖的三階段充電控制策略如圖6a所示，第一階段為電流正脈沖，在第二階段每個(gè)周期逐漸減小電流脈沖幅值，同時(shí)減小負(fù)脈沖幅值，提高電池可接受電流，第三階段用小電流直至充滿。變電壓正負(fù)脈沖多階段充電控制策略如圖6b所示，在不同階段逐漸減小電壓脈沖寬度，有效控制電池可接受電流，消除極化現(xiàn)象，減少充電時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

圖6 階段充電

帶負(fù)脈沖多階段快速充電控制策略如圖7所示，經(jīng)停充消除兩極板極化和負(fù)脈沖放電消除濃度極化，提高充電可接受電流，由馬斯第三定律得知可接受電流相加提高下一階段充電可接受電流，計(jì)算得出新的馬斯曲線，在相同充電時(shí)間內(nèi)比原馬斯曲線多充入蓄電池的有效電量，根據(jù)馬斯定律進(jìn)行理論推導(dǎo)，表明該充電控制策略可以大幅提高充電效率和速度，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比證明，降低蓄電池衰老，延長(zhǎng)循環(huán)使用壽命。

圖7 帶負(fù)脈沖多階段充電

5 結(jié)語

隨著航空領(lǐng)域智能化的發(fā)展，對(duì)其電氣系統(tǒng)的安全性和技術(shù)性提出更高的要求，本文針對(duì)航空儲(chǔ)能系統(tǒng)充電控制策略進(jìn)行綜合分析，設(shè)計(jì)蓄電池SOC的估算方法，在此基礎(chǔ)上提出一種新型充電控制策略，通過每個(gè)階段周期性降低充電電流時(shí)間以及停充和負(fù)脈沖以提高充電可接受電流，節(jié)約電能，提高充電效率和速度，延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命。