基于雙向DC/DC的民用飛機蓄電池控制系統

程國華　孫鑒非　劉湛

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機蓄電池、以及蓄電池系統控制的研究現狀，然后結合新型鋰離子蓄電池的特殊控制需求，結合雙向DC/DC的運行特性，設計了一套基于雙向DC/DC的民用飛機蓄電池系統，并對其控制原理進行了基本分析。

【關鍵詞】民用飛機；蓄電池系統；雙向DC/DC

0 引言

蓄電池系統是民用飛機電源系統的重要子系統之一，為全機重要負載提供應急電源，同時也可以保證直流重要負載，在飛機電源轉換時，匯流條的不間斷供電[1]。作為民用飛機的關鍵備用電源系統，蓄電池系統的重要性不言而喻。國外早在B737時代，就已經開始對蓄電池系統控制進行深入研究，而我國開展民用飛機研究相對較晚，技術積累相對薄弱，因此研究高效穩定的民用飛機蓄電池控制系統，對我國民用飛機技術的發展具有十分重要的戰略意義。

1 民用飛機蓄電池系統研究現狀

目前，國外主流機型的蓄電池系統方案調研見表1。根據輸入電源類型劃分，主要分為以波音777為代表的115V交流輸入系統，以及A320為代表的28V直流輸入系統。其中，直流輸入系統的優勢在于，蓄電池系統采用單獨的交直流電源變換器B TRU，易于實現蓄電池系統的獨立控制，但獨立的B TRU會額外增加整個飛機電源系統體積重量，并且額外增加的電源轉換環節會一定程度降低整個飛機電源系統可靠性。交流輸入系統的優勢在于，蓄電池與飛機直流負載公用TRU，減小了整個飛機電源系統的體積以及相關的線路敷設等空間需求，但該方案會增加公用TRU的負載壓力，提高了公用TRU的設計難度。綜上所述，兩種輸入方案各有其優勢，也各自存在缺陷，沒有明顯的優劣之分。因此現役機型中，兩種方案均得到了廣泛的應用，并且有著相當成熟的試航取證經驗。

在早年的民用飛機型號中，蓄電池通常直接與蓄電池匯流條（BATT BUS）掛接，由接觸器實現蓄電池充放電管理，其充放電控制過程精確度較低。而蓄電池的工作電壓會隨著容量、溫度和放電強度等參數實時變化，并且BATT BUS的電壓則會隨著其所連接直流負載需求而發生變化。隨著電力電子技術的飛速發展，為了實現更加精確的蓄電池充電控制，越來越多的機型開始采用單向DC/DC變換器[2]，實現對蓄電池充電過程的管理。而以波音787為代表的鋰離子電池系統，由于鋰離子材料特殊的電化學特性，則對蓄電池放電過程提出的新的控制需求。因此，以雙向DC/DC為核心的，基于充、放電雙向控制的蓄電池系統，是民用飛機未來的主流發展方向。

2 一種基于雙向DC/DC的民用飛機蓄電池系統

綜上所述，基于民用飛機蓄電池系統控制需求的進化，本文提出一種如圖1所示的，基于雙向DC/DC拓撲的民用飛機蓄電池系統控制構架。

根據蓄電池系統不同運行狀態，系統主要運行模式以下2類。其中1類為系統正常運行模式，2類為系統備份運行模式。在1類正常運行模式中，控制器通過雙向DC/DC，實現對蓄電池充放電過程的管理，根據實時監測的溫度、電壓、容量等參數，精確控制蓄電池充放電電流，實現蓄電池的優化管理。在2類備份運行模式中，雙向DC/DC失效，系統控制雙向DC/DC端接觸器，斷開其與BATT BUS的連接，接通備份線路，在該模式下，蓄電池電壓電流無法實現精確控制，只是作為雙向DC/DC失效模式下的備份，提高系統運行余度。

系統的控制邏輯框圖如圖2所示，在本文提出的蓄電池系統中，1類正常運行模式涉及雙向DC/DC高頻電子回路控制，其主要控制邏輯如下：主控制回路是外環多路選擇閉環、內環電流（蓄電池）的雙閉環。其中電流（蓄電池）閉環，同時也是雙閉環的內環控制原理為：實時監測蓄電池沖、放電電流（充電為正、放電為負），將監測電流數值反饋到輸入端與給定電流數值進行比較，再經過PID控制器運算，最后經過PWM發生器，擬合成雙向DC/DC拓撲中各路MOS管的驅動信號，通過調節雙向DC/DC的占空比變化，即可實現蓄電池實際充、放電電流對系統給定數值的動態跟蹤。

外環多路選擇控制閉環邏輯如下：其主要由放電調壓計算模塊以及充電計算模塊兩個子系統組合而成。本系統的外環控制目標為：根據飛機電源系統的各個運行指標，綜合判斷、計算，并得出系統需求的蓄電池充、放電電流大小。系統會根據監測到的蓄電池運行數據，實時進行蓄電池容量計算。在得到容量數據之后，根據所選用蓄電池電流的電化學特性，充電計算模塊與放電調壓計算模塊即可各自運行，分別得出蓄電池可接受的最大充電電流數值，以及BATT BUS可調節的電壓數值和蓄電池可接受的最大放電電流數值。

3 結語

本文在介紹了民用飛機蓄電池系統控制的發展現狀后，以行業最新的鋰離子電池為控制對象，設計了一套基于雙向DC/DC的民用飛機蓄電池控制系統。該系統架構簡單，運行可靠，可以兼顧蓄電池充、放電電流與BATT BUS電壓的高效控制。后續可以在雙向DC/DC的軟開關控制，以及系統控制效率方面，作進一步針對性研究。

【參考文獻】

[1]謝少軍，陳勇.一種通用型航空蓄電池充電器研制[S].南京航空航天大學學報，2003，35（1）：96-100.

[2]民用航空器輕硫酸鋰蓄電池最低性能要求[J].北京：中國航空工業總公司，1997，1.1.