航空电气系统储能技术控制策略综述

王国儒，梁云浩，徐晗，孙成国，熊博

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

航空电气系统保障飞机动力、电传操纵、装置调节等一系列设备安全稳定运行，作为航空机载设备的辅助备用电源，对储能系统的充电技术研究具有重要意义。随着电池的发明及广泛应用以来，市场上出现各式各样用于不同场合的功能型电池，同时不断提出在保证电池寿命的情况下的高速高效充电控制策略，生产出体积小、可靠性高、受干扰时系统响应速度快的充放电装置。飞机的发电机正常工作时，所有的设备都是由主电源供电[1]；当主电源无法供电时，蓄电池能大电流进行放电，瞬时启动发电机。在主电源恢复正常情况前，为飞机主要的负载供电，维持正常的通讯，保障飞行人员的安全；飞机飞行中在切换大负载时，依靠放电控制系统能维持直流母线电压稳定。考虑航空系统的孤立性和特殊性，相比于地面系统具有更大的困难与挑战，储能系统的体积、成本、续航能力以及寿命问题更加限制关键技术和成熟产品的使用[2]。目前国内的充电方式需要10小时以上充满蓄电池；PosiCharge公司生产的快速高效的大功率大电流充电机仅需2小时就能充满蓄电池，因此为打破垄断禁锢核心技术，研究高效率快速充电技术对推动我国电力行业发展具有重要意义。

1 储能系统拓扑结构

双向DC-DC功率变换器可以实现功率之间的转变，具有开关器件数目相对较少、占用空间小、传输能量密度低以及传输能量高等优越条件。非隔离型变换器开关器件的电流和电压应力相对较大，体积小重量轻、电路损耗较小、效率较高但调压范围小，功率较低，电气隔离差。非隔离型双向DC-DC变换器拓扑如图1所示。

图1 双向非隔离拓扑结构

隔离型双向DC-DC电路拓扑如图2所示。

图2 双向隔离拓扑结构

航空储能系统拓扑结构选择隔离型全桥CLLC谐振结构如图3所示。从右向左为充电模式，从左向右为放电模式，低压侧经双向全桥CLLC谐振变换器升压为高压航空直流设备供电，高压侧经变换器控制开关管4～8QQ对蓄电池组充电，控制Q0实现短时间大电流反向放电，提高充电可接受电流。

图3 航空储能系统拓扑结构

2 约束条件

2.1 马斯曲线

在恒压恒流充电模式下，蓄电池充电量不断增加，产生析气充电效率越来越低，并作用在极板发热影响蓄电池循环使用寿命。上世纪中期马斯[3](J.A.Mas)通过实验测试得出蓄电池初期可接受充电电流比较大，蓄电池充入电量较快，中后期电阻增大可接受电流减小，呈指数下降可实现产生最少析气高效率快速充电，称为马斯曲线

图4 马斯曲线

2.2 马斯三定律

马斯三定律[4]是在马斯曲线理论上拓展的约束条件，依照此理论实现最小析气的快速充电在充电过程中进行周期性停充和反向脉冲放电，以消除欧姆、电化学和浓度差极化，提高可接受充电电流。马斯三定律分别为

3 蓄电池SOC估算

对蓄电池估算SOC[5]能够得知当前电池的实际使用容量，从而防止了使用中的蓄电池产生过放现象；同时也能够得知充满时蓄电池容量的变化趋势，从而避免蓄电池过充，同时提高了电池在充放电过程中电流电压以及化学反应的稳定性，提高系统安全性。通过估算蓄电池SOC，就可以测定蓄电池的总容量，从而合理设定直升机的运行里程数，既适当使用蓄电池的储备电能量，又可基本保持在直升机行驶中的稳定性。同时通过估计电池SOC，还可以对电池的充放电量实行平衡管理，使复合单体电池之间性能更加平衡。

蓄电池SOC估算方法直接影响蓄电池SOC估算的精度，目前主流的估算方法有很多，最精确最广泛使用的估算方法是卡尔曼滤波法(Kalman Filter，KF)，KF适用于复杂的动态线性系统，需要对系统建立模型，该方法使用迭代循环的方法来消除系统随机误差，估算值准确度高。扩展卡尔曼滤波(Extend Kalman Filter，EKF)运用递推算法对非线性系统状态的最小方差上的最佳估计。

h(xj,uj)为非线性状态转移函数；g(xj,uj)为非观测函数，假设一个非线性离散系统的状态方程和输出方程为：

状态方程和输出方程记为：

4 充电控制策略

随着自动控制理论的完善以及智能化的迅速发展，目前国内外众多学者广泛研究蓄电池充电控制策略并取得很大进展，根据不同环境和经济性要求选择合适的充电方法。

恒压充电和恒流充电是最传统的充电方法，以单一形式进行充电。恒压限流充电在蓄电池上串联限流电阻，但串联电阻易产生滞后的缺点，而且对析气产生没有有效的控制措施。阶段恒流阶段性降低充电电流，节约电能提高充电的速度。恒流-恒压充电是在充电初期以恒定电流充电，后期通过恒定电压充电，使充电后电流更贴近马斯曲线。恒流-恒压-恒流充电控制策略弥补后期电流小的弊端更加贴近马斯曲线。

变电流间歇充电初期采用大电流充电，停充一段时间消除极化现象形成的物质，提高电池可接受电流，再降低电流充电一段时间后停充，如此周期性间歇充电，可缩短充电时间。变电压间歇充电间歇以恒定电压充电，随着电量增加逐渐降低充电电压，其充电电流呈曲线下降趋势接近马斯曲线。

单向脉冲充电运用脉冲方法进行充电，停充阶段消除极板附近的产物，提高下一脉冲充电效率。慢脉冲充电先采用恒定脉冲电流充电，再采用恒定脉冲电压充电以接近马斯曲线，减小析气产生，在停充过程中保持小电流以促进分子弥散，提高充电效率。

正负脉冲间单次停充和两次停充如图5所示，在加入电流负脉冲用来消除极化现象产生的物质，用以提高下一次充电效率，两次停充防止直接负脉冲对极板的冲击，严重时会产生极板弯曲，使得充电过程更加顺畅。

图5 正负脉冲充电

正负零脉冲的三阶段充电控制策略如图6a所示，第一阶段为电流正脉冲，在第二阶段每个周期逐渐减小电流脉冲幅值，同时减小负脉冲幅值，提高电池可接受电流，第三阶段用小电流直至充满。变电压正负脉冲多阶段充电控制策略如图6b所示，在不同阶段逐渐减小电压脉冲宽度，有效控制电池可接受电流，消除极化现象，减少充电时间，延长使用寿命。

图6 阶段充电

带负脉冲多阶段快速充电控制策略如图7所示，经停充消除两极板极化和负脉冲放电消除浓度极化，提高充电可接受电流，由马斯第三定律得知可接受电流相加提高下一阶段充电可接受电流，计算得出新的马斯曲线，在相同充电时间内比原马斯曲线多充入蓄电池的有效电量，根据马斯定律进行理论推导，表明该充电控制策略可以大幅提高充电效率和速度，经大量实验对比证明，降低蓄电池衰老，延长循环使用寿命。

图7 带负脉冲多阶段充电

5 结语

随着航空领域智能化的发展，对其电气系统的安全性和技术性提出更高的要求，本文针对航空储能系统充电控制策略进行综合分析，设计蓄电池SOC的估算方法，在此基础上提出一种新型充电控制策略，通过每个阶段周期性降低充电电流时间以及停充和负脉冲以提高充电可接受电流，节约电能，提高充电效率和速度，延长蓄电池循环使用寿命。