基于放电试验法的机载蓄电池SOC估计方法研究

尚丽平，王顺利 ，李占锋，范世军 ，夏承成

(1.西南科技大学，四川 绵阳 621010；2.四川长虹电源有限责任公司，四川 绵阳 621000）

引言

机载蓄电池是飞机运行过程中的备用能源，当变压器不工作时，向飞机控制系统提供能量，以保证飞机控制系统的稳定可靠运行。作为应急备用能源，机载蓄电池的荷电及健康状态非常重要，如何给出一个准确的健康状态评价则成为对蓄电池维护的重要部分，本文从健康状态SOH中的总容量衰减程度SOC荷电状态角度在地面维护中做出判断，以保证机载蓄电池组在飞机运行中安全可靠供能和进行合理回收判断的目标。

蓄电池的健康状态SOH主要包括总容量的衰减程度、电池内阻变化、系统的绝缘阻抗等内容，反应了蓄电池组的安全性能和容量衰减程度。蓄电池的健康状态判定决策是蓄电池的工业应用中一个重要保证，很多研究人员针对蓄电池的健康状态评价进行了研究，得出了较多的估计和评价方法。如孙丙香等人针对混合动力车中的镍氢电池的健康状态评价方法进行了一系列研究[1]。李震等人针对矿井中的蓄电池健康状态基于神经网络的方法进行了预测模型研究[2]。李昌等人基于卡尔曼滤波的方法对铅酸蓄电池非线性劣化趋势进行辨识[3]。其他研究人员也在基于分析蓄电池原理和应用场合工况进行的蓄电池健康状态的估计预测分析[4-5]，我国通过制定行业规范的形式也对蓄电池的健康状态的评价方法进行了验证性评判标准。

机载蓄电池由于其应用场合的特殊性，对蓄电池健康状态评判的要求更加严格。基于这种应用需求，一方面需要在飞机运行过程中对各个参量进行同步监测，达到概括性评判目标，更重要的一方面是在地面维护过程中，对蓄电池状态进行荷电及健康状态评价，以保证机载蓄电池的安全装载，免除安全隐患。本研究基于放电试验法对SOC进行估算，进而对蓄电池健康状态进行评价，最终研制地面维护系统，实现在维护过程中对蓄电池健康状态进行有效评价。

机载蓄电池多为镍镉蓄电池，主要包含镉、镍、锌、铁等成分，尤其是其中的镉成分，由于其高危害性在GB504-85《职业性接触毒物危害程度分级》中被划分为二级危害物。现行回收方法为填埋或焚烧，仍会对环境造成一定程度的危害。对蓄电池组进行有效、客观的健康状态评价能够保证在蓄电池安全运行的情况下，使得蓄电池得到更充分利用，降低投入回收处理过程中的环境污染程度。

1 基本原理

1.1 机载蓄电池供能原理

机载蓄电池是在飞机运行过程中作为备用能源使用的。飞机运行过程中，常态情况下由其他能源经过变压器给飞机控制系统供电，同时，通过配备的电池管理系统对蓄电池进行充电；当其他动力由于某种因素无法提供能量时，电池管理系统控制机载蓄电池开始工作，为飞机控制系统供能，达到突发情况的供能目标，原理如图1所示。

镍镉蓄电池由于具有安全稳定、易于维护等特点，在飞机上得到较广泛应用。镍镉电池的正极由氢氧化镍加以石墨、镍粉等材料构成，负极由海绵状金属铬构成，电解质由氢氧化钠水溶液构成，中间隔离层使用聚酰胺无纺布构成，整体化学反应式如公式1所示。

图1 机载蓄电池供能原理

正极的化学反应如公式2所示。

负极的化学反应如公式3所示。

由于镍镉蓄电池单体的电压较低、容量较小，不能满足供能需求，通常把多节电池串联在一起形成蓄电池组使用，本课题研究为20节单体的串联。这样就以蓄电池组的方式为飞机控制系统提供备用电源。

1.2 蓄电池SOC估计方法

蓄电池的健康状态评价方法很多，主要结合SOC、单体温度、电压、电流、绝缘性、可燃性气体浓度等参量进行评判，最终实现对蓄电池组的寿命预测和故障限制，得出蓄电池是否可继续使用的判决决策。

作为其重要组成部分的荷电状态SOC估算非常重要，是判断其健康状态的重要依据，研究人员对于SOC估计的方法研究的很多，主要方法如表1所示。

综合考虑各种估计算法的优缺点，针对应用对象的特殊性，基于放电试验法实现对蓄电池荷电状态的估测，计算基本公式如式4所示。

式中：Q为容量 （单位：Ah）；I为放电电流 （单位：A）；t为时间（单位：h）。

表1 SOC估计方法比较

在基于工控机的地面维护设备SOC估算过程中，考虑电网波动等因素，计算过程采用离散性数字信号计算求和的方式予以实现，计算过程如公式5所示。

式中：Q为总容量；In为第n个积分区间的电流值；tn为第n个积分曲线的积分时间长；N为放电完成时总的积分区间的个数。

在进行容量合格性判决过程中，通过阈值的方式进行合格与否的判断，如果QQT，则蓄电池容量检测合格。

在进行容量估算的过程中，阈值的设定过程，针对蓄电池状态分为两种情况进行讨论，一种情况为新启封状态，则容量阈值为QT=CN（式中，CN为额定容量），另一种情况为使用后的旧电池，即为从飞机上拆卸下来进行维护的蓄电池，则容量阈值为QT=CN×80%。

整体维护过程中，因为蓄电池在飞机上具有不同的应用状态 （一直处于充电饱和过程未进行放电、进行了应急供电且放电降低、循环充放电使用多次使得蓄电池处于虚满状态），蓄电池本身的电量特征不同，针对处于不同状态的蓄电池，设定估算过程如图2所示。

图2 蓄电池SOC估算过程

在估算过程中，首先对蓄电池放电维护并计算剩余容量计算以进行荷电状态估算。如果估算满足蓄电池合格要求，则说明蓄电池状况良好，直接进行后续的充电过程。

如果直接放电容量计算不合格，则说明蓄电池有可能为本身不合格、放电导致剩余容量减少或蓄电池处于“虚满”状态等状态。针对这种情况，蓄电池放电完成后，进行充电和放电循环维护，对充满电后蓄电池进行放电操作，合格时退出循环并进行最后充电维护，循环三次后仍不合格，则判定蓄电池不合格，进行报废回收处理。

维护过程中对蓄电池温度、可燃气体浓度、电压、电流进行设定采样周期的实时采样检测，连续三次超出设定阈值则对蓄电池进行不合格判决。

2 系统设计

2.1 硬件设计

针对蓄电池健康状态检测机维护目标，设计系统的整体结构如图3所示。

系统自上而下第一部分位于维护系统顶部为闸式电源总开关以及设备急停按钮，用于控制系统整体的电源供电以及对异常情况的急停操作。

第二部分装载有显示器、工控机、键盘抽，是系统控制的核心处理器，在工控机部分设计研发一套监控软件，实现对整个电控柜的采样与工控操作。

第三部分是四组电源负载组合，用于实现对蓄电池的充电、放电操作，通过定义的循环操作实现对蓄电池的维护和健康状态评价。

第四部分是航空接头以及各个参量的测试端口，实现独立测试以及在维护过程中的在线标准外接一起的测量验证，保证系统的采样精度，验证系统的可靠性。

图3 维护系统结构

2.2 软件设计

图4 维护系统软件

根据系统的健康状态评价以及维护目标，设计并实现了对蓄电池进行维护的工控软件，主要包括对蓄电池的自动检测和手动检测、对蓄电池管理系统的自动检测和手动检测、充放电维护、数据管理、设备计量等功能，研制软件如图4所示。

通过对蓄电池的各参量检测与维护过程，能够对蓄电池的状态进行评估和分析，进而对蓄电池所处的状态进行评价，实现对蓄电池的健康状态进行评价，得出蓄电池是否合格的结论。

3 实验结果与分析

3.1 准确性验证

设计实验过程，针对系统的准确性进行验证，通过对新启封蓄电池、正在使用蓄电池以及报废蓄电池进行实验，判断系统判决结果的准确性，实验结果如表2所示。

在2013年4月至2013年9月现场维护检测应用过程中，通过对同一检测样本的不定期的其他设备验证，证明系统对蓄电池健康状态评价的方法的准确性。

表2 准确性验证实验结果

表3 维护过程中实时自检结果表

3.2 可靠性验证

通过从2013年1月至2013年3月的同一测试样本固定时间间隔（7d）的多次重复测试，以及2013年4月至2013年8月间隔较长时间（约1月）的重复测试，验证系统稳定可靠性，实验样本统一为准确性验证的样本，实验结果如表3所示。

表3 中，2013年3月22日及以后有一个临界样本由合格转为不合格，已经过其他设备检测验证。

4 结论

本文基于放电试验法对机载蓄电池荷电状态（SOC）和健康状态进行估计方法研究，根据健康状态参量评价过程的分析研究，结合机载蓄电池的维护的需求，设计并实现了机载蓄电池地面维护设备，实验结果表明，该方法实现对蓄电池的健康状态评价具有较好的稳定性，能够准确判断蓄电池是否合格，有效保证了机载蓄电池运行过程中的安全性和提高蓄电池的利用率，降低对环境的污染程度。

[1]孙丙香，王丽芳，廖承林.混合动力车镍氢电池管理系统关键问题分析[J].电力电子技术，2008,42(10)：45-47.

[2]李昌，罗国阳.结合支持向量机的卡尔曼预测算法在VRLA蓄电池状态监测中的应用[J].电工技术学报，2011,26(11)：168-174.

[3]李震，史丽萍，戴广剑.矿井移动救生舱中蓄电池健康度预测模型[J].煤矿安全，2012,43(8)：113-115.

[4]姚何飞，郑益.基于SVR算法的VRLA蓄电池专家诊断模型的实现[J].通信电源技术，2010,27(3)：71-73.

[5]徐艳辉.铅酸蓄电池荷电状态的判定方法解析[J].蓄电池，2011,48(6)：279-282.