航空鋰電池地面維護系統(tǒng)設(shè)計

黃 偉，王保成，馬勝勇，劉珉琿，程伯松

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇 徐州 221000）

以往，飛機機載備份電源主要使用鎳鎘、鎳氫以及鋅銀蓄電池［1］。但是這些航空蓄電池有著明顯的缺點：體積和質(zhì)量比能量低、自放電快、工作電壓低等。而鋰電池是上個世紀90年代開發(fā)的新型高能電池，具有單體工作電壓高、自放電率低、比能量大、無記憶效應(yīng)、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點。鋰電池作為飛機機載備份電源，能夠為飛機提供安全可靠的機載應(yīng)急電源保障［2］。同時，鋰電池也存在著以下不足：一是鋰電池生產(chǎn)成本較高；二是鋰電池在充放電過程中有著苛刻的條件限制，過充、過放和過溫都將影響鋰電池的性能和壽命，嚴重時將引發(fā)安全事故［3］。因此，設(shè)計一套航空鋰電池地面維護系統(tǒng)有著重要意義。本文設(shè)計了一套航空鋰電池地面維護系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池的充電功能、放電功能、維護功能和計算機管理功能。

1 系統(tǒng)組成與總體設(shè)計

航空鋰電池地面維護系統(tǒng)可以同時對四塊鋰電池組進行維護，設(shè)備由計算機管理模塊、維護單元、放電單元三部分組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

計算機管理模塊為地面維護系統(tǒng)的信息收集和控制中樞，由工業(yè)計算機和監(jiān)控軟件組成，負責(zé)對系統(tǒng)的工作方式進行智能控制。通過計算機控制軟件能夠在線監(jiān)測鋰電池組充放電過程并實時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成圖

維護單元由本地監(jiān)控電路、充電電路、維護電路、配電電路四部分組成。充電電路由最大輸出為4.15 V／15 A的AC／DC電源模塊組成，充電模塊采用恒壓限流的輸出模式以保證對每一塊電池的充電電壓限定在4.15 V，當(dāng)電池電壓低于4.15 V時，充電模塊以12 A恒流方式進行充電；當(dāng)電池電壓上升到4.15 V時，充電模塊以4.15 V恒壓方式進行充電。配電電路負責(zé)對電池的輸入進行分配，控制鋰電池組充放電過程的切換；對四組電池與充放電模塊的連接進行分配，對交流輸入電源進行檢測；對電池組的端電壓、工作電流、電池溫度進行檢測，當(dāng)出現(xiàn)異常時進行報警和控制。并向本地監(jiān)控電路實時傳送電池組的工作信息數(shù)據(jù)。本地監(jiān)控電路根據(jù)檢測到的電池參數(shù)，控制充放電電路以對電池進行維護。并控制配電電路對鋰電池進行充放電切換。在維護過程中本地監(jiān)控電路能實時將監(jiān)測到的電池數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，并受計算機控制。

放電單元的放電電流為60 A，放電電壓為20 V～30 V。放電模塊在放電過程中實時將放電數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控電路，并受本地監(jiān)控的控制。

2 充電電路設(shè)計

鋰電池充電電路采用同步整流的電路拓撲形式，原理框圖如圖2所示，交流電源經(jīng)過整流后轉(zhuǎn)為310 V的直流電源，直流電源通過濾波器進入半橋整流電路，變壓器輸出后將高壓直流轉(zhuǎn)換為低壓直流，變壓器輸出的前級與次級經(jīng)過開關(guān)同步的四個MOS管驅(qū)動，以減小次級損耗。同步整流控制電路采用SC4910芯片進行控制，同步整流控制芯片通過源邊電流檢測和遠端電平補償控制MOS管的上下臂驅(qū)動電路。中心控制器采用ADUC812單片機，實時檢測電池電壓、充電電流，將工作參數(shù)運算后控制同步整流芯片。同時中心控制器還實時檢測充電電路的輸出電壓、電池溫度、內(nèi)部環(huán)境溫度以實時對電池和設(shè)備進行工作狀態(tài)判斷。中心控制器通過RS485通訊方式實現(xiàn)與本地控制電路的通訊，并將充電狀態(tài)實時傳送到本地控制電路，鋰電池充電開關(guān)受本地控制電路的控制。

圖2 鋰電池充電原理框圖

3 鋰電池放電電路設(shè)計

鋰電池放電的最高電壓為28 V，放電電流為60 A，最大放電功率為1 680 W。鋰電池放電電路如圖3所示。圖中MOS管V3～V13為功率開關(guān)管；R31～R42為功率電阻；R4～R14和三極管V14～V25為限流控制網(wǎng)絡(luò)；三極管V26和V35為放電開關(guān)。當(dāng)放電開關(guān)信號FDQ為高時，驅(qū)動功率開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)功率開關(guān)管輸出電流超過2 A時，限流控制網(wǎng)絡(luò)控制功率開關(guān)的開關(guān)量減小，實現(xiàn)每只開關(guān)管以2 A的恒流方式放電。圖中電路可以實現(xiàn)20 A的恒流放電，三組相同的電路可以實現(xiàn)60 A的放電電流。

4 本地監(jiān)控電路設(shè)計

本地監(jiān)控電路負責(zé)對系統(tǒng)內(nèi)部的充電電路、放電電路、維護電路進行管理，讀取電池的參數(shù)信息，并將計算機管理模塊發(fā)送的命令進行整理和分配。電路由單片機C8051F040及其外圍芯片組成。RS485通訊是主控單元對充、放電單元的信息傳輸電路，主要是將電池維護的命令傳輸?shù)戒囯姵氐某洹⒎烹妴卧某洹⒎烹妴卧杉姵氐墓ぷ餍畔ⅰAN通訊是計算機管理模塊與本地監(jiān)控單元的通訊電路，本地監(jiān)控單元使用的單片機內(nèi)嵌有CAN通訊功能，CAN通訊的接口芯片采用TJA1050。通訊與控制部分采用隔離電源供電，以提高系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性。計算機管理模塊將控制命令通過CAN通訊方式傳送到本地監(jiān)控單元。本地監(jiān)控單元接收到計算機命令后，對命令進行分析，然后將命令分配到各個充、放電單元，同時將本機各路電池的工作狀態(tài)傳送到中央計算機。按鍵顯示電路由單片機的IO口直接控制，單片機將本系統(tǒng)各路電池的工作狀態(tài)通過液晶進行顯示，同時采集按鍵信息。當(dāng)按鍵按下時，根據(jù)按鍵的位置控制液晶顯示信息的變化。系統(tǒng)供電是控制單元的供電部分，供電電路采用AC／DC電源模塊的形式，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。

圖3 鋰電池放電原理圖

5 計算機管理模塊設(shè)計

計算機管理模塊負責(zé)電池工作的集中監(jiān)控和電池檔案管理。多臺維護設(shè)備共用一臺工業(yè)計算機，計算機內(nèi)安裝集中監(jiān)控軟件。計算機配置要求CPU奔騰Ⅲ以上；內(nèi)存128 Mbit以上；顯示分辯率要求1024×768；具有USB輸出接口。計算機與維護設(shè)備之間采用CAN通訊方式，將USB／CAN轉(zhuǎn)換器連接到計算機USB接口，即可以實現(xiàn)維護設(shè)備與計算機的聯(lián)網(wǎng)需求。

6 結(jié)束語

鋰電池不同于傳統(tǒng)航空化學(xué)電源，在其充放電過程中有著較為嚴格的限制條件，過充、過放和過溫都將縮短電池使用壽命，甚至可能引發(fā)安全事故。本文設(shè)計的航空鋰電池地面維護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰電池充放電過程的參數(shù)監(jiān)測和智能控制，在實際應(yīng)用中有著重要意義。

［1］ 胡恒生，王 慧.航空化學(xué)電源［M］.徐州：藍天出版社：2010.

［2］ 張 亮，莫岳平，江東流.智能型鋰電池組管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.電工電氣，2012，（5）：24－26.

［3］ 陳立劍，蔣 煒，陳方亮.智能化鋰電池充電系統(tǒng)研究［J］.船電技術(shù)，2011，（2）：17－20.