通用型航空蓄電池充放電綜合測試柜設計

王 鑫，張西虎（南京航空航天大學無人機研究院，江蘇南京，210016）

通用型航空蓄電池充放電綜合測試柜設計

王 鑫，張西虎
（南京航空航天大學無人機研究院，江蘇南京，210016）

普通充放電器僅能對蓄電池整體進行充放電，無法實時監測蓄電池每節單體電壓。本文設計了一種通用型航空蓄電池充放電綜合測試柜，兼顧充放電管理和電池性能測試兩項功能，不僅可以對蓄電池進行恒流充放電，而且可以監測蓄電池的每節單體電壓，對異常單體進行均衡控制，并且通過實驗驗證

航空蓄電池；充放電；測試柜

0 引言

目前裝備飛機的航空蓄電池主要有鋅銀電池、鎘鎳電池和鋰電池這三種類型。傳統的蓄電池充電器采用可控硅整流器，利用其可逆運行特性實現電池的充放電，但其體積重量大，動態響應特性差。現在一般采用高頻開關型整流器為蓄電池充電，普通的開關型整流器不能可逆運行，需要另外的放電器，同時充電器僅能對蓄電池整體進行充電，無法實時監測蓄電池每節單體電壓。為滿足各型飛機蓄電池地面維護要求，作者研制了一種通用型航空蓄電池充放電綜合測試柜。該測試柜具有充放電管理和電池性能測試兩項功能，充放電管理是根據用戶的設定對電池進行恒流充電或恒流放電，適用于電池日常工作；電池性能監測是指對電池組進行充電或放電時每節單體電壓性能曲線的測試，并根據電池個體差異進行維護，適用于電池檢修和維護工作。

1 系統組成

充放電綜合測試柜主要由以下部分組成：輔助電源、充放電模塊、顯示控制模塊、電池監測與電壓均衡管理模塊、電池接口線纜和蓄電池固定裝置。系統采用19英寸標準機架，其結構示意圖如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖

（1）頂層為系統的指示燈層，顯示系統的工作狀態；

（2）第二層為液晶屏幕層，并且內部放置充放電模塊，其功能為根據用戶的設定對電池進行充放電；

（3）第三層為主機控制器層；

（4）第四層為抽屜式鍵盤鼠標層，放置鍵盤、鼠標；

（5）第五層為開關控制與電池接口層，并且內部放置輔助電源、電池監測與電壓均衡管理模塊；

（6）第六層為線纜安放層；

（7）第七層為蓄電池組放置層，可將需進行檢測或充放電的電池安放于該裝置上。

2 工作原理

如圖2所示，用戶可以通過顯示控制模塊對系統進行控制。充放電工作時，由顯示控制模塊將指令發送給充放電模塊來控制蓄電池的充放電工作，同時充放電模塊將充放電的工作參數發送給顯示控制模塊進行顯示；性能測試工作時，由顯示控制模塊發送指令給蓄電池性能監測單元，監測蓄電池充放電時各節單體參數并發送給顯示控制模塊進行容量計算，測試結束后顯示各節單體電池特性曲線；當蓄電池單體發生異常時，由顯示控制模塊發送指令給均衡管理模塊進行控制。充放電數據和性能測試數據以報表的形式保存，可供查詢和輸出。

圖2　系統控制框圖

2.1充放電模塊

充放電模塊的功能是根據設定的充放電電壓電流參數對蓄電池組進行充放電工作，其結構如圖3所示，可分為功率電路和控制器兩部分，其中功率電路由電源變換部分、充放電功率變換部分和能耗部分組成。

圖3　充放電器結構框圖

電源變換部分主要作用是將單相220V/50Hz交流電轉換為直流電壓，為蓄電池充電提供能量，采用Boost PFC +Half Bridge電路；充放電功率變換部分采用Buck/Boost電路，能量可雙向流動，充電時工作于Buck模式，蓄電池放電時工作于Boost模式；能量消耗部分即放電電阻，其主要作用是在蓄電池放電時將充放電功率變換電路的輸出電能消耗掉，將電能轉換為熱能發散。控制器的主要作用是接收顯示控制模塊的指令進行充放電控制。

2.2電池性能監測與均衡管理模塊

電池性能監測主要功能是完成對所有單節電池的電壓采樣并且發送給顯示控制模塊進行保存與分析；電池均衡管理的主要功能是當蓄電池單體電壓異常時，對過高或過低的單體電池進行調節，以保證各單體電壓均衡，防止個別單體過充或過放。

電池性能監測與均衡管理模塊的結構框圖如圖4所示，控制器通過電池采樣單元檢測單節電池電壓，經過計算、比較后輸出控制信號對單體進行充放電以保持蓄電池各單體之間的電壓均衡，同時通過CAN總線與顯示控制模塊進行通信。

圖5　鋰電池組采樣模塊框圖

圖4　電池性能監測與均衡管理模塊結構框圖

由于三種類型電池的節數和電壓范圍不同，因此對三種電池組的電壓采樣采用三個獨立模塊。電池均衡的原理是采用單體充放電形式，即對超過標準范圍的單體電池進行放電，對低于標準范圍的單體電池進行充電。

2.2.1電壓監測模塊設計

本系統采用BQ76PL536芯片來進行單節電池電壓監測，BQ76PL536是TI公司生產的用于3~6個串聯電池電壓監測及保護的芯片，擁有高精度的模數轉換器；具有過壓、欠壓、過溫保護功能，可編程保護閾值和延遲時間；擴展性強，芯片垂直堆疊，芯片間不需要任何隔離措施，通過高速的SPI總線進行可靠的通信。

圖6　開關矩陣接線圖

鋅銀電池分別有15、16和17節單體形式，采用3組BQ76PL536芯片；鎘鎳電池為20節單體形式，采用4組BQ76PL536芯片；鋰電池為7節單體形式，采用2組BQ76PL536芯片。鋰電池組的采樣模塊框圖如圖5所示，第一片BQ76PL536采樣底層4節鋰電池，第二片BQ76PL536采樣上層3節鋰電池。鎘鎳電池與銀鋅電池的接法類似。

2.2.2開關矩陣設計

開關矩陣的接線圖如圖6所示。當某節單體電壓過高（或某節單體電壓過低），均衡控制器將該單體連接的繼電器閉合，同時將連接均衡電路的繼電器閉合，并控制均衡電路對該單體進行放電（充電）。鎘鎳電池與銀鋅電池的接法類似。

2.2.3均衡管理模塊設計

均衡電路采用Buck/Boost電路，如圖7所示，當采樣出的單節電池電壓小于設定范圍值，均衡電路工作Buck模式，輸入接直流電源，輸出接單節電池，進行充電；當采樣出的單節電池電壓超出設定范圍值，均衡電路工作Boost模式，輸入接單節電池，輸出接放電電阻，進行放電。

圖7　Buck/Boost主電路圖

均衡控制采用多放少補的原則，以7節鋰電池為例，均衡電路開始工作時，鋰電池組總電壓28.0V，每節鋰電池電壓應為4.00V，設定單節電池在平均電壓±5%的范圍內為正常電壓，檢測各單體電池電壓并判斷是否在正常電壓范圍內，對超出范圍的電壓進行調整。如圖8所示，則需對第2、6節電池進行放電，對第5節電池進行充電，直到各節電池都處于正常電壓范圍內。

圖8　單體電池電壓范圍

3 系統控制軟件

系統控制軟件采用模塊化結構，由充放電主控模塊、人機交互模塊、通信模塊、數據存儲與查詢模塊等部分組成：

（1）充放電主控模塊是根據用戶設定的工作模式和參數對充放電器進行控制，并實時根據蓄電池的狀態調整充放電參數，在系統發生故障時產生保護動作同時發出聲光提示；

（2）人機交互模塊具有工作模式與參數設定、充放電數據顯示、電池性能曲線顯示等功能，便于用戶對系統的操作；

（3）通信模塊的功能是控制主機與充放電器、電池性能測試器之間的指令與數據的傳輸；

（4）數據存儲與查詢模塊是將充放電工作模式與數據，電池性能測試數據等存儲于系統中，便于用戶根據需要隨時查詢歷史工作數據。

4 實驗

利用充放電綜合測試柜對蓄電池進行測試，完成了充電測試、放電測試、電池組性能測試和均衡管理測試，如圖9所示。

圖9　蓄電池充放電測試照片

測試界面主要分為3個部分，進入界面時首先需根據所連接的電池和工作需求在下拉框中選擇電池類型和工作模式，如圖10所示。第一個模塊為充放電管理模塊，模塊左側為設定區域，右側為顯示區域。第二個模塊為均衡管理模塊，模塊左側為設定區域，下方為顯示區域，可手動選擇單體節數。第三個模塊為性能測試模塊，模塊左側為設定區域，中間為顯示區域，右側為充放電曲線。

圖10　蓄電池測試界面

測試期間，對飛機常用的17XYG10和15XYG45鋅銀蓄電池組進行了多次試驗，可實時顯示蓄電池組電壓、充放電電流、充放電容量、單體電池電壓和工作時間，操作方便、直觀清晰。

5 結論

本文針對各型飛機蓄電池地面維護要求，研制了一種通用型航空蓄電池充放電綜合測試柜。該測試柜兼顧充放電管理和電池性能測試兩項功能，解決了過去試驗中人工檢測強度大、試驗數據量少的問題，對蓄電池日常維護和檢修工作起到積極作用。

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Design of general aviation battery charging and discharging test cabinet

Wang Xin，Zhang Xihu
（Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016，Jiangsu Province，China）

Common appliances of battery charging and discharging can only be performed on the battery charge and discharge the whole，unable to real-time monitor each cell battery voltage.This paper designs a general aviation battery charging and discharging test cabinet.It has the management of charging and discharging and battery test two functions.It can not only charge and discharge the battery，but also monitor each cell battery voltage， balanced control abnormal cell，and through experimental verification.

aviation battery；charge and discharge；test cabinet

A

王鑫（1984—），男，助理研究員，碩士，研究方向：航空電氣設計；

張西虎（1967—），男，副研究員，碩士，研究方向：航空電氣設計。