基于双向DC/DC的民用飞机蓄电池控制系统

程国华　孙鉴非　刘湛

【摘 要】本文首先介绍了民用飞机蓄电池、以及蓄电池系统控制的研究现状，然后结合新型锂离子蓄电池的特殊控制需求，结合双向DC/DC的运行特性，设计了一套基于双向DC/DC的民用飞机蓄电池系统，并对其控制原理进行了基本分析。

【关键词】民用飞机；蓄电池系统；双向DC/DC

0 引言

蓄电池系统是民用飞机电源系统的重要子系统之一，为全机重要负载提供应急电源，同时也可以保证直流重要负载，在飞机电源转换时，汇流条的不间断供电[1]。作为民用飞机的关键备用电源系统，蓄电池系统的重要性不言而喻。国外早在B737时代，就已经开始对蓄电池系统控制进行深入研究，而我国开展民用飞机研究相对较晚，技术积累相对薄弱，因此研究高效稳定的民用飞机蓄电池控制系统，对我国民用飞机技术的发展具有十分重要的战略意义。

1 民用飞机蓄电池系统研究现状

目前，国外主流机型的蓄电池系统方案调研见表1。根据输入电源类型划分，主要分为以波音777为代表的115V交流输入系统，以及A320为代表的28V直流输入系统。其中，直流输入系统的优势在于，蓄电池系统采用单独的交直流电源变换器B TRU，易于实现蓄电池系统的独立控制，但独立的B TRU会额外增加整个飞机电源系统体积重量，并且额外增加的电源转换环节会一定程度降低整个飞机电源系统可靠性。交流输入系统的优势在于，蓄电池与飞机直流负载公用TRU，减小了整个飞机电源系统的体积以及相关的线路敷设等空间需求，但该方案会增加公用TRU的负载压力，提高了公用TRU的设计难度。综上所述，两种输入方案各有其优势，也各自存在缺陷，没有明显的优劣之分。因此现役机型中，两种方案均得到了广泛的应用，并且有着相当成熟的试航取证经验。

在早年的民用飞机型号中，蓄电池通常直接与蓄电池汇流条（BATT BUS）挂接，由接触器实现蓄电池充放电管理，其充放电控制过程精确度较低。而蓄电池的工作电压会随着容量、温度和放电强度等参数实时变化，并且BATT BUS的电压则会随着其所连接直流负载需求而发生变化。随着电力电子技术的飞速发展，为了实现更加精确的蓄电池充电控制，越来越多的机型开始采用单向DC/DC变换器[2]，实现对蓄电池充电过程的管理。而以波音787为代表的锂离子电池系统，由于锂离子材料特殊的电化学特性，则对蓄电池放电过程提出的新的控制需求。因此，以双向DC/DC为核心的，基于充、放电双向控制的蓄电池系统，是民用飞机未来的主流发展方向。

2 一种基于双向DC/DC的民用飞机蓄电池系统

综上所述，基于民用飞机蓄电池系统控制需求的进化，本文提出一种如图1所示的，基于双向DC/DC拓扑的民用飞机蓄电池系统控制构架。

根据蓄电池系统不同运行状态，系统主要运行模式以下2类。其中1类为系统正常运行模式，2类为系统备份运行模式。在1类正常运行模式中，控制器通过双向DC/DC，实现对蓄电池充放电过程的管理，根据实时监测的温度、电压、容量等参数，精确控制蓄电池充放电电流，实现蓄电池的优化管理。在2类备份运行模式中，双向DC/DC失效，系统控制双向DC/DC端接触器，断开其与BATT BUS的连接，接通备份线路，在该模式下，蓄电池电压电流无法实现精确控制，只是作为双向DC/DC失效模式下的备份，提高系统运行余度。

系统的控制逻辑框图如图2所示，在本文提出的蓄电池系统中，1类正常运行模式涉及双向DC/DC高频电子回路控制，其主要控制逻辑如下：主控制回路是外环多路选择闭环、内环电流（蓄电池）的双闭环。其中电流（蓄电池）闭环，同时也是双闭环的内环控制原理为：实时监测蓄电池冲、放电电流（充电为正、放电为负），将监测电流数值反馈到输入端与给定电流数值进行比较，再经过PID控制器运算，最后经过PWM发生器，拟合成双向DC/DC拓扑中各路MOS管的驱动信号，通过调节双向DC/DC的占空比变化，即可实现蓄电池实际充、放电电流对系统给定数值的动态跟踪。

外环多路选择控制闭环逻辑如下：其主要由放电调压计算模块以及充电计算模块两个子系统组合而成。本系统的外环控制目标为：根据飞机电源系统的各个运行指标，综合判断、计算，并得出系统需求的蓄电池充、放电电流大小。系统会根据监测到的蓄电池运行数据，实时进行蓄电池容量计算。在得到容量数据之后，根据所选用蓄电池电流的电化学特性，充电计算模块与放电调压计算模块即可各自运行，分别得出蓄电池可接受的最大充电电流数值，以及BATT BUS可调节的电压数值和蓄电池可接受的最大放电电流数值。

3 结语

本文在介绍了民用飞机蓄电池系统控制的发展现状后，以行业最新的锂离子电池为控制对象，设计了一套基于双向DC/DC的民用飞机蓄电池控制系统。该系统架构简单，运行可靠，可以兼顾蓄电池充、放电电流与BATT BUS电压的高效控制。后续可以在双向DC/DC的软开关控制，以及系统控制效率方面，作进一步针对性研究。

【参考文献】

[1]谢少军，陈勇.一种通用型航空蓄电池充电器研制[S].南京航空航天大学学报，2003，35（1）：96-100.

[2]民用航空器轻硫酸锂蓄电池最低性能要求[J].北京：中国航空工业总公司，1997，1.1.