新型机载蓄电池组充放电控制技术的研究

齐丛生+谢定祥+赖耀祖+王国法

摘 要：文中提出了一种新型直升机机载蓄电池组充放电控制技术。通过对蓄电池电压、充放电电流、温度等参数的监控，利用软件和现代开关电源技术，实现了机载蓄电池组充放电过程的自动控制，并具备系统BIT自检及与供电处理机通信功能，增加了蓄电池组容量和使用寿命，有效提高了全机人机功效。

关键词：蓄电池组；充放电控制；容量；人机功效

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

碱性蓄电池因具有使用寿命长，充放电循环次数多，自放电小，低温性能好以及相较于酸性电池对环境要求低等诸多优点而被广泛应用于各工业领域[1，2]。我国直升机所用应急蓄电池多为碱性电池。机载蓄电池作为直升机应急状态下的唯一能源，其重要性不言而喻。根据碱性蓄电池特性，制定合理的充电方式，对提高蓄电池容量、使用寿命具有重大意义。

传统的机载蓄电池工作时，直接与机上直流主电源并联工作，一直处于浮充状态。整个充放电过程缺乏对蓄电池组电压、电流等参数的监控，存在以下缺陷：

（1）蓄电池组长期处于浮充状态，容量只能达到满容量的80%左右，不能充分利用蓄电池组的额定容量；

（2）缺乏对蓄电池组电流、电压、温度等参数的检测和控制，对于蓄电池组在充放电过程中出现的过充、过流等情况缺乏有效控制手段，对蓄电池组伤害较大，影响其使用寿命和安全性；

（3）不具备容量检测功能，蓄电池组只能按规定的寿命2年/200次使用，不能采用视情监控的维护方式；

（4）不具备通信功能，无法显示蓄电池组容量、充放电电流、温度等参数，人机功效效果不好。

针对传统机载蓄电池组充放电技术的弊端，本文提出了全新的蓄电池组充放电控制技术，通过对蓄电池组参数全方位的检测、控制和与供电处理机的通信，提高蓄电池寿命及使用效率，提高人机功效。

1 充放电方案的确定

蓄电池在充电过程中对电流的接受能力是不断变化的。开始充电时，蓄电池大部分电流都转化为化学能储存起来[3]。充电后期，蓄电池对电流的接受能力减弱，接受的电流除部分转化为化学能外，还有一部分用来分解电解液中的水。美国科学家马斯曾提出著名的马斯曲线[4，5]，用来描述蓄电池充电过程中电流接受能力的变化。充电电流接受能力曲线如图1所示。

当前蓄电池主流充电方式有恒压充电、恒流充电、脉充充电等。综合考虑，本文制定了恒流限压+涓流充电的智能充电方式[1，6]。

在充电前期，蓄电池接受能力强，采用1 C大电流进行快速充电。当蓄电池组电压达到31 V后，改用小电流0.1 C涓流充电。该方式既避免了恒压充电初期对蓄电池本身的伤害和对电网的冲击，又避免了恒流充电后期因大量气体析出而导致蓄电池内部温度和压力的增加。

2 充放电控制原理

2.1 充放电控制原理

蓄电池组的充放电自动控制过程由充放电控制器完成。控制器主要包括充电组件、DC/DC模块、整流模块、滤波器等部分。充放电自动控制原理框图如图2所示。

由图可见，由2路供电电源组成双备份做为蓄电池充电输入。正常情况下由机上28 V直流电源经滤波后送入充电组件为蓄电池充电。当28 V直流电源出现故障无法正常工作时，监控模块检测到失电信息，向DC/DC降压模块发出工作指令。115 V/400 Hz单相交流电源经整流滤波后变为直流电源，经DC/DC模块降压到28 V后，再送入充电组件为蓄电池充电。

与传统机载蓄电池单路供电相比，双路供电极大地提高了应急电源的可靠性。

2.1.1 控制部分

监控模块是控制器的控制核心，内嵌51内核的831系列单片机作为微处理器，负责检测充放电系统参数，控制蓄电池组充放电过程，与供电处理机进行通信及发送告警控制信号。监控模块工作原理框图如图3所示。

控制器工作时，监控模块检测全电压、半电压、温度信号、充放电电流、蓄电池容量、机上轮载信号等参数以及充放电控制器自身的参数。微处理器对检测到的数据进行判断和处理，进而控制主电路工作，实现蓄电池组充放电过程的自动控制。

监控模块通过五线制RS-422A总线实现与供电处理机的数据交换。当供电处理机发送查询指令时，充放电控制传送蓄电池组的电池组容量、温度、充放电电流等参数。

为增强监控模块工作的可靠性，共设置三路电源为其供电：分别为机上28 V直流电源、115 V/400 Hz交流电源经转换后的直流电源和蓄电池组本身的直流电源。

2.1.2 充电组件

充电组件是控制器的主体部分，应选择体积小、质量轻、效率高的开关电源。输入端是机上28 V或由115 V交流变换后的直流电，根据监控模块指令进行DC/DC电压变换，输出恒流至蓄电池组。充电组件工作原理框图如图4所示。

开关电源内部同样分为主电路和控制电路。电源主电路是由开关管MOSFET为主体构建的DC/DC升压拓扑结构，根据控制电路输入的脉宽调节PWM波进行高速开关动作，对输入电流斩波。控制电路从监控模块接收取样电阻检测到的电流信号v1，送入电路内部的比较放大电路，与同样来自监控模块的基础信号v0做减法。将二者相减的结果送至电路内部的PWM波生成模块，控制PWM波占空比，从而调节MOSFET的開通和闭合时间，保证主电路输出为恒流。

前期用1 C大电流充电，当检测蓄电池组电压达到31 V后，改用小电流0.1 C涓流充电。若监控模块检测到充放电系统有故障时，向控制电路发出指令，控制主电路停止充电。充电流程图如图5所示。

2.2 接口设计

监控模块将检测和计算得到的蓄电池组和控制器自身参数信息传送给供电处理机，使得供电处理机可以实时监测控制器和蓄电池组。飞行员通过综显或供电处理机能够及时获得蓄电池组的工作状态，从而提高了人机功效。

通信接口电路采样422转换芯片，以实现微处理器TTL电平与RS-422A电平的转换。考虑到飞机内部电磁环境恶劣，通信电路利用光耦进行，防止隔离微处理器收到线路上的干扰。

2.3 容量计算及告警

控制器具备容量计算功能。监控模块根据检测到的蓄电池组参数进行容量计算，结果传送到供电处理机进行显示，且能够在飞行和地面检查时发出容量低和放飞告警信号。

2.3.1 容量计算

当前主流蓄电池容量检测方案有标准电池法和容量评估法2种。标准电池法由硬件电路实现，虽能够比较准确地判断蓄电池组的容量，但存在感测电池易坏、不易进行BIT自检、不能与供电处理机通讯等缺陷[2，7]。

本文充分利用监控模块的软件设计功能，采用容量评估法来计算蓄电池容量Q。设计的基本思路为：采用初始容量Q0+动态容量△Q来确定蓄电池容量。方案中，蓄电池组中所有单体电池均为标准电池，内部装有温度传感器、电流取样电阻等检测模块。控制器上电后，监控模块根据检测到的蓄电池组负载、温度、电压等信息来确定初始容量Q0。在充放电过程中，监控模块将采样电阻传来的充放电电流进行积分，从而得出动态容量△Q。于是得到蓄电池组的即时容量：

Q= Q0+△Q

为了进一步提高所测容量的准确性，监控模块在蓄电池组充满电的情况下对容量进行再次修正。

2.3.2 容量告警

为保证飞行安全，控制器在工作时能够提供以下告警控制信号：

（1）当蓄电池组容量低于40%时，监控模块分别向供电处理机和告警灯盒输出容量低告警信号；

（2）控制器具有蓄电池供电控制信号，其定义为“28 V/开路”。在地面工作时，当蓄电池组容量小于35%时，输出“开路”信号，断开机上放电接触器，保证预留足够的应急电。

2.4 温度检测及告警、控制

为了防止蓄电池组在充电过程中发生热失控，系统设计有超温报警系统。温度信号通过蓄电池组中的温度传感器获得后送入监控模块。当温度超过71±3℃时，监控模块在向供电处理机和告警系统送出告警信号的同时，切断充放电控制器工作，停止充电。

2.5 BIT自检测

传统机载蓄电池组在使用过程中，每个月都要进行一次地面检查，若电池容量不足，要进行深度充放电以恢复容量。

本文所设计的充放电系统利用微处理器检测蓄电池组和控制器自身的各项参数，可以对控制器进行完善的BIT自检，并通过通信将有关参数和故障情况报告给供电处理机。这样，供电处理机可以实时监测控制器和蓄电池组的工作状态，增加了系统可靠性，减轻了地面维护人员的工作量。

3 试验验证

3.1 充放电

（1）将蓄电池组在充放电设备上按1 C放电至终止电压20 V；

（2）按1 C充电直至蓄电池组电压为31 V，按0.1 C充电所需时间为4 h；

（3）在充放电设备将蓄电组按1 C放电至终点电压，记录放电时间为80 min（蓄电池组实际容量略大于要求容量。）

主開关管电流实际波形如图6（a）所示，充电器输出电流波形如图6（b）所示。

3.2 告警功能验证

（1） 当蓄电池组容量低于40%时， 观察供电处理机故障画面应显示蓄电池组容量低、蓄电池组故障警告灯燃亮；

（2） 当蓄电池组容量低于35%时，蓄电池组应该自动退网（地面）。

（3） 将蓄电池组温度传感器加温至71±3 ℃时，监控模块向供电处理机送出告警信号，并切断充放电控制器工作，停止充电。

4 结 语

本文所提出的充放电技术可使蓄电池容量保持在95%以上，远高于传统机载蓄电池在浮充状态下80%左右容量。大大提高了蓄电池组的效率，减轻了蓄电池组重量，从而优化了全机重量。此外，该充放电控制器具有充放电智能控制、容量检测、BIT自检、与供电处理机通信等功能，可有效提高机载蓄电池组的使用寿命，提高产品的可维护性和可靠性，减轻系统重量，并提高全机的人机功效。

参考文献

[1]侯聪玲，吴捷，李金鹏，等.蓄电池充电方法的研究[J].电源技术应用，2004，7（2）：118-121.

[2] 梁克斌，王福顺，陈景彪.蓄电池智能充电装置[C].全国测控、计量、仪器仪表学术年会，2006.

[3]E. M. Valeriote，T. G.Chang，D. M. Jochim.Fast Charging of Lead-Acid Batteries[J]. Journal of Power Sources， 1994， 46（s 2–3）：375–381.

[4]Atsuo Kawamura，Takahiro Yanagih.State of Charge Estimation of Sealed Lead-Acid Batteries Used for Electric Vehicles[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference， 1998.

[5]何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2001.

[6]王库，冯义.快速充电技术的探讨[J].中国农业大学学报，2001，6 （2）：62-67.

[7] 李永艺，虞红星，杨振山.碱性蓄电池即时容量测量新方法研究[C].中国航空学会直升机专业分会全国直升机年会， 2004.

[8]杨军.新型飞机机载蓄电池智能充电器研究[D].西安：西北工业大学，2005.