一種通用型航空蓄電池充放電設(shè)備研制實(shí)踐

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

1 研究背景

航空蓄電池屬于飛機(jī)電源系統(tǒng)，為飛機(jī)的二次電源，可在飛機(jī)主電源系統(tǒng)故障的情況下向機(jī)載系統(tǒng)提供28V的應(yīng)急供電，或在飛機(jī)發(fā)動機(jī)突發(fā)空中停車時提供應(yīng)急啟動的動力?，F(xiàn)階段的航空蓄電池根據(jù)使用功能可分為主蓄電池、飛控電池以及測試電池；根據(jù)蓄電池內(nèi)電解液的特點(diǎn)又可分為堿性電池（如鉻鎳電池、鋅銀電池），鉛酸電池以及鋰電池，在充電維護(hù)方式上，堿性電池、鉛酸電池以二階段的恒流充電為主，而鋰電池采用的則為更有利于單體電壓均衡的恒壓限流充電方式。

試飛階段飛機(jī)所裝載的航空蓄電池，多屬于試驗(yàn)件，其狀態(tài)、性能等會隨著飛行試驗(yàn)的推進(jìn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如維護(hù)電流的大小、維護(hù)精度、連接插頭形式等，這都對維護(hù)設(shè)備的應(yīng)變性提出了較高的要求。早期的蓄電池設(shè)備以硅整流設(shè)備為主，設(shè)備本身性能可調(diào)控性、兼容性有限，這意味著在蓄電池狀態(tài)發(fā)生一定的變化后，原有設(shè)備可能無法滿足當(dāng)前的維護(hù)需求，因而通用化、智能化的維護(hù)需求逐漸成為當(dāng)下航空蓄電池充放電設(shè)備急需解決的問題。

2 需求分析

因充放電形式以及控制方法等差異性較大，文中通用性的需求分析及方案設(shè)計(jì)暫時不考慮航空鋰電池。

2．1 性能需求

本文對試飛階段常見的45種各型號鎘鎳、鉛酸以及鋅銀電池的周期性充放電維護(hù)需求進(jìn)行了分析，對設(shè)備的性能需求分析如下。

（1）輸入需求：電壓：三相五線制AC380V±15%，50Hz±5Hz；

（2）輸出需求：①電壓范圍：兩檔，（0～35）V可調(diào)，（35～70）V可調(diào)；設(shè)定最小步進(jìn)單位0.1V；②電流范圍：（0～60）A可調(diào)；設(shè)定最小步進(jìn)單位0.1A；③紋波：電流波紋≤1%，電壓波紋≤1%；④可連續(xù)工作時間：≥48h。

2．2 功能需求

基于實(shí)際使用需求，從工作方式、保護(hù)等方面對設(shè)備的功能需求分析如下。

（1）工作方式：①采用恒流限壓工作方式，定時控制充放電時間，同時具有應(yīng)急快速充放電功能；②在串聯(lián)充放電時，可循環(huán)檢測蓄電池組電壓，也可循環(huán)檢測蓄電池的單體電壓；③每個組件可以單獨(dú)操作，也可通過工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）保護(hù)需求：①過壓和欠壓保護(hù)：當(dāng)蓄電池組超過設(shè)定保護(hù)值時，檢測維護(hù)設(shè)備切斷充放電功率回路實(shí)施保護(hù)，并故障告警；②電流異常保護(hù)：當(dāng)充放電電流超過設(shè)定保護(hù)值（上、下限保護(hù)值）時，維護(hù)設(shè)備切斷充放電功率回路實(shí)施保護(hù)，并故障告警；③超時保護(hù)：當(dāng)蓄電池組在維護(hù)過程中，工作時間超過設(shè)定保護(hù)時間時，維護(hù)設(shè)備切斷充放電功率回路實(shí)施保護(hù)，并故障告警；④短路保護(hù)：當(dāng)電池組在檢測維護(hù)過程中出現(xiàn)短路故障時，應(yīng)能快速進(jìn)行保護(hù)；⑤設(shè)備自診斷：設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有設(shè)備自我故障診斷功能。

（3）使用環(huán)境需求：環(huán)境溫度：－20～＋50℃；相對濕度：≤85%（23±5℃）。

其他：單組模塊自重≤25kg，滿足外出攜帶需求。

3 設(shè)計(jì)方案

3．1 技術(shù)需求分析

結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)需求，對其技術(shù)需求分析如下。

（1）輸入電壓設(shè)計(jì)：選擇寬范圍器件，滿足輸入范圍要求；（2）輸出電壓、電流范圍設(shè)計(jì)：采用高精度基準(zhǔn)，單片機(jī)控制調(diào)節(jié)，以滿足調(diào)節(jié)范圍要求；（3）輸出紋波設(shè)計(jì)：采用高精度濾波器件，及高精度儀表，滿足測試要求；（4）保護(hù)設(shè)計(jì)：采用高精度檢測器件及高速單機(jī)控制，滿足保護(hù)功能要求；（5）其他設(shè)計(jì)：采用符合要求的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。

3．2 系統(tǒng)組件原理設(shè)計(jì)

整個設(shè)備由充放電組件、工控機(jī)、控制程序、通信系統(tǒng)以及其他的一些附件組成，現(xiàn)對其硬件、程控兩大部分的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行介紹。

（1）硬件部分。每組充放電組件的充電工作由工頻變壓器隔離降壓，采用三相全橋可控硅整流和逆變的方法進(jìn)行蓄電池的充放電。控制上采用雙環(huán)路控制模式，以電流為內(nèi)環(huán)，以電壓為外環(huán)，通過改變占空比達(dá)到恒流限壓的目的。

每組充放電組件的放電是將電能向充放電組件和電網(wǎng)進(jìn)行反饋電，并加上功率因數(shù)補(bǔ)償電路，可實(shí)現(xiàn)電能的循環(huán)利用和節(jié)能。

用CS050B霍爾傳感器進(jìn)行電壓、電流檢測，然后通過T6650D隔離變送器上傳到工控機(jī)，由工控機(jī)來檢測顯示。

（2）程控部分。該充放電組件程控部分采用高速單片機(jī)。具備驅(qū)動大屏幕液晶屏、指令接收與發(fā)送、單體電壓檢測、與上位機(jī)實(shí)時通訊及保護(hù)等功能。液晶屏顯示當(dāng)前工作模式、輸出電壓、輸出電流、工作時間、結(jié)束條件、容量等內(nèi)容。指令由前面板鍵盤輸入或通過RS485接收上位機(jī)發(fā)出之指令，菜單為全中文顯示。單體電壓、電流檢測采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機(jī)實(shí)時監(jiān)測輸出電壓和輸出電流，超出設(shè)定的保護(hù)值，執(zhí)行相應(yīng)的聲光報警及切斷輸出動作。與上位機(jī)實(shí)時通訊采用串口RS485，支持上位機(jī)指令發(fā)送和上位機(jī)充放電數(shù)據(jù)調(diào)集。

保護(hù)包括輸入電壓、輸入欠壓、輸入缺相、輸出過壓、輸出過流、輸出過載、輸出短路、反極性、過熱等一系列保護(hù)。

輸入電壓、輸入欠壓、輸入缺相的檢測通過置于輸入端的三相檢測變壓器將采集的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓，再經(jīng)整流濾波、高精度A/D轉(zhuǎn)換器，送入單片機(jī)，與設(shè)定的電壓值比較，判斷是否存在相應(yīng)的故障。故障時單片機(jī)發(fā)出電平信號，經(jīng)過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警，以達(dá)到輸入保護(hù)的目的。

輸出過壓、反極性的檢測通過采集輸出端的電壓信號，經(jīng)過分壓處理，送至隔離變送器，再到單片機(jī)與設(shè)定值比較，判斷是否存在相應(yīng)的故障。故障時單片機(jī)發(fā)出電平信號，經(jīng)過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警，以達(dá)到輸出保護(hù)的目的。輸出過流、輸出過載、輸出短路的檢測通過采集串聯(lián)在輸出線負(fù)端的高精度電流型霍爾傳感器CSM050A的電壓信號，經(jīng)過隔離單片機(jī)與設(shè)定值比較，判斷是否存在相應(yīng)的故障。故障時單片機(jī)發(fā)出電平信號，經(jīng)過隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報警以達(dá)到輸出保護(hù)的目的。

圖1

圖2

圖1、圖2分別為設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理框圖、內(nèi)置工控機(jī)程序框圖。

4 使用效果

設(shè)備實(shí)際電流輸出范圍為（0.2～60）A可調(diào)，輸出電壓為（0～35）V、（35～70）V兩檔可調(diào)，內(nèi)置的充放電程序可根據(jù)維護(hù)對象進(jìn)行設(shè)置，可完成當(dāng)前6種飛控電池以及39種主蓄電池的維護(hù)，維護(hù)范圍廣；此外，維護(hù)過程中的電壓自動采集記錄與維護(hù)時間控制，避免了維護(hù)人員時刻職守檢查記錄的局面，實(shí)現(xiàn)了航空蓄電池維護(hù)的智能化發(fā)展。

綜上，該型航空蓄電池充放電設(shè)備的軟件、硬件設(shè)計(jì)都符合航空蓄電池充放電設(shè)備通用化、智能化發(fā)展要求，同時，滿足了航空地面保障設(shè)備統(tǒng)行需求。