新型機(jī)載蓄電池組充放電控制技術(shù)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(jī)機(jī)載蓄電池組充放電控制技術(shù)。通過對蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)的監(jiān)控，利用軟件和現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)載蓄電池組充放電過程的自動控制，并具備系統(tǒng)BIT自檢及與供電處理機(jī)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(jī)人機(jī)功效。

關(guān)鍵詞：蓄電池組；充放電控制；容量；人機(jī)功效

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)次數(shù)多，自放電小，低溫性能好以及相較于酸性電池對環(huán)境要求低等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域[1，2]。我國直升機(jī)所用應(yīng)急蓄電池多為堿性電池。機(jī)載蓄電池作為直升機(jī)應(yīng)急狀態(tài)下的唯一能源，其重要性不言而喻。根據(jù)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(tǒng)的機(jī)載蓄電池工作時，直接與機(jī)上直流主電源并聯(lián)工作，一直處于浮充狀態(tài)。整個充放電過程缺乏對蓄電池組電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)控，存在以下缺陷：

（1）蓄電池組長期處于浮充狀態(tài)，容量只能達(dá)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(shù)的檢測和控制，對于蓄電池組在充放電過程中出現(xiàn)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(guī)定的壽命2年/200次使用，不能采用視情監(jiān)控的維護(hù)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(shù)，人機(jī)功效效果不好。

針對傳統(tǒng)機(jī)載蓄電池組充放電技術(shù)的弊端，本文提出了全新的蓄電池組充放電控制技術(shù)，通過對蓄電池組參數(shù)全方位的檢測、控制和與供電處理機(jī)的通信，提高蓄電池壽命及使用效率，提高人機(jī)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(zhuǎn)化為化學(xué)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(zhuǎn)化為化學(xué)能外，還有一部分用來分解電解液中的水。美國科學(xué)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(dāng)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(qiáng)，采用1 C大電流進(jìn)行快速充電。當(dāng)蓄電池組電壓達(dá)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(wǎng)的沖擊，又避免了恒流充電后期因大量氣體析出而導(dǎo)致蓄電池內(nèi)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。控制器主要包括充電組件、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(jī)上28 V直流電源經(jīng)濾波后送入充電組件為蓄電池充電。當(dāng)28 V直流電源出現(xiàn)故障無法正常工作時，監(jiān)控模塊檢測到失電信息，向DC/DC降壓模塊發(fā)出工作指令。115 V/400 Hz單相交流電源經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟娫?，?jīng)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(tǒng)機(jī)載蓄電池單路供電相比，雙路供電極大地提高了應(yīng)急電源的可靠性。

2.1.1 控制部分

監(jiān)控模塊是控制器的控制核心，內(nèi)嵌51內(nèi)核的831系列單片機(jī)作為微處理器，負(fù)責(zé)檢測充放電系統(tǒng)參數(shù)，控制蓄電池組充放電過程，與供電處理機(jī)進(jìn)行通信及發(fā)送告警控制信號。監(jiān)控模塊工作原理框圖如圖3所示。

控制器工作時，監(jiān)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(jī)上輪載信號等參數(shù)以及充放電控制器自身的參數(shù)。微處理器對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，進(jìn)而控制主電路工作，實現(xiàn)蓄電池組充放電過程的自動控制。

監(jiān)控模塊通過五線制RS-422A總線實現(xiàn)與供電處理機(jī)的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)供電處理機(jī)發(fā)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(shù)。

為增強(qiáng)監(jiān)控模塊工作的可靠性，共設(shè)置三路電源為其供電：分別為機(jī)上28 V直流電源、115 V/400 Hz交流電源經(jīng)轉(zhuǎn)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(yīng)選擇體積小、質(zhì)量輕、效率高的開關(guān)電源。輸入端是機(jī)上28 V或由115 V交流變換后的直流電，根據(jù)監(jiān)控模塊指令進(jìn)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(guān)電源內(nèi)部同樣分為主電路和控制電路。電源主電路是由開關(guān)管MOSFET為主體構(gòu)建的DC/DC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)控制電路輸入的脈寬調(diào)節(jié)PWM波進(jìn)行高速開關(guān)動作，對輸入電流斬波?？刂齐娐窂谋O(jiān)控模塊接收取樣電阻檢測到的電流信號v1，送入電路內(nèi)部的比較放大電路，與同樣來自監(jiān)控模塊的基礎(chǔ)信號v0做減法。將二者相減的結(jié)果送至電路內(nèi)部的PWM波生成模塊，控制PWM波占空比，從而調(diào)節(jié)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(dāng)檢測蓄電池組電壓達(dá)到31 V后，改用小電流0.1 C涓流充電。若監(jiān)控模塊檢測到充放電系統(tǒng)有故障時，向控制電路發(fā)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(shè)計

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

通信接口電路采樣422轉(zhuǎn)換芯片，以實現(xiàn)微處理器TTL電平與RS-422A電平的轉(zhuǎn)換?？紤]到飛機(jī)內(nèi)部電磁環(huán)境惡劣，通信電路利用光耦進(jìn)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(jiān)控模塊根據(jù)檢測到的蓄電池組參數(shù)進(jìn)行容量計算，結(jié)果傳送到供電處理機(jī)進(jìn)行顯示，且能夠在飛行和地面檢查時發(fā)出容量低和放飛告警信號。

2.3.1 容量計算

當(dāng)前主流蓄電池容量檢測方案有標(biāo)準(zhǔn)電池法和容量評估法2種。標(biāo)準(zhǔn)電池法由硬件電路實現(xiàn)，雖能夠比較準(zhǔn)確地判斷蓄電池組的容量，但存在感測電池易壞、不易進(jìn)行BIT自檢、不能與供電處理機(jī)通訊等缺陷[2，7]。

本文充分利用監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計功能，采用容量評估法來計算蓄電池容量Q。設(shè)計的基本思路為：采用初始容量Q0+動態(tài)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(biāo)準(zhǔn)電池，內(nèi)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(jiān)控模塊根據(jù)檢測到的蓄電池組負(fù)載、溫度、電壓等信息來確定初始容量Q0。在充放電過程中，監(jiān)控模塊將采樣電阻傳來的充放電電流進(jìn)行積分，從而得出動態(tài)容量△Q。于是得到蓄電池組的即時容量：

Q= Q0+△Q

為了進(jìn)一步提高所測容量的準(zhǔn)確性，監(jiān)控模塊在蓄電池組充滿電的情況下對容量進(jìn)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(dāng)蓄電池組容量低于40%時，監(jiān)控模塊分別向供電處理機(jī)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(dāng)蓄電池組容量小于35%時，輸出“開路”信號，斷開機(jī)上放電接觸器，保證預(yù)留足夠的應(yīng)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(fā)生熱失控，系統(tǒng)設(shè)計有超溫報警系統(tǒng)。溫度信號通過蓄電池組中的溫度傳感器獲得后送入監(jiān)控模塊。當(dāng)溫度超過71±3℃時，監(jiān)控模塊在向供電處理機(jī)和告警系統(tǒng)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(tǒng)機(jī)載蓄電池組在使用過程中，每個月都要進(jìn)行一次地面檢查，若電池容量不足，要進(jìn)行深度充放電以恢復(fù)容量。

本文所設(shè)計的充放電系統(tǒng)利用微處理器檢測蓄電池組和控制器自身的各項參數(shù)，可以對控制器進(jìn)行完善的BIT自檢，并通過通信將有關(guān)參數(shù)和故障情況報告給供電處理機(jī)。這樣，供電處理機(jī)可以實時監(jiān)測控制器和蓄電池組的工作狀態(tài)，增加了系統(tǒng)可靠性，減輕了地面維護(hù)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(shè)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(shè)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(guān)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(dāng)蓄電池組容量低于40%時， 觀察供電處理機(jī)故障畫面應(yīng)顯示蓄電池組容量低、蓄電池組故障警告燈燃亮；

（2） 當(dāng)蓄電池組容量低于35%時，蓄電池組應(yīng)該自動退網(wǎng)（地面）。

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

4 結(jié) 語

本文所提出的充放電技術(shù)可使蓄電池容量保持在95%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)載蓄電池在浮充狀態(tài)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(yōu)化了全機(jī)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(jī)通信等功能，可有效提高機(jī)載蓄電池組的使用壽命，提高產(chǎn)品的可維護(hù)性和可靠性，減輕系統(tǒng)重量，并提高全機(jī)的人機(jī)功效。

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