航空電氣系統儲能技術控制策略綜述

王國儒，梁云浩，徐晗，孫成國，熊博

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

航空電氣系統保障飛機動力、電傳操縱、裝置調節等一系列設備安全穩定運行，作為航空機載設備的輔助備用電源，對儲能系統的充電技術研究具有重要意義。隨著電池的發明及廣泛應用以來，市場上出現各式各樣用于不同場合的功能型電池，同時不斷提出在保證電池壽命的情況下的高速高效充電控制策略，生產出體積小、可靠性高、受干擾時系統響應速度快的充放電裝置。飛機的發電機正常工作時，所有的設備都是由主電源供電[1]；當主電源無法供電時，蓄電池能大電流進行放電，瞬時啟動發電機。在主電源恢復正常情況前，為飛機主要的負載供電，維持正常的通訊，保障飛行人員的安全；飛機飛行中在切換大負載時，依靠放電控制系統能維持直流母線電壓穩定。考慮航空系統的孤立性和特殊性，相比于地面系統具有更大的困難與挑戰，儲能系統的體積、成本、續航能力以及壽命問題更加限制關鍵技術和成熟產品的使用[2]。目前國內的充電方式需要10小時以上充滿蓄電池；PosiCharge公司生產的快速高效的大功率大電流充電機僅需2小時就能充滿蓄電池，因此為打破壟斷禁錮核心技術，研究高效率快速充電技術對推動我國電力行業發展具有重要意義。

1 儲能系統拓撲結構

雙向DC-DC功率變換器可以實現功率之間的轉變，具有開關器件數目相對較少、占用空間小、傳輸能量密度低以及傳輸能量高等優越條件。非隔離型變換器開關器件的電流和電壓應力相對較大，體積小重量輕、電路損耗較小、效率較高但調壓范圍小，功率較低，電氣隔離差。非隔離型雙向DC-DC變換器拓撲如圖1所示。

圖1 雙向非隔離拓撲結構

隔離型雙向DC-DC電路拓撲如圖2所示。

圖2 雙向隔離拓撲結構

航空儲能系統拓撲結構選擇隔離型全橋CLLC諧振結構如圖3所示。從右向左為充電模式，從左向右為放電模式，低壓側經雙向全橋CLLC諧振變換器升壓為高壓航空直流設備供電，高壓側經變換器控制開關管4～8QQ對蓄電池組充電，控制Q0實現短時間大電流反向放電，提高充電可接受電流。

圖3 航空儲能系統拓撲結構

2 約束條件

2.1 馬斯曲線

在恒壓恒流充電模式下，蓄電池充電量不斷增加，產生析氣充電效率越來越低，并作用在極板發熱影響蓄電池循環使用壽命。上世紀中期馬斯[3](J.A.Mas)通過實驗測試得出蓄電池初期可接受充電電流比較大，蓄電池充入電量較快，中后期電阻增大可接受電流減小，呈指數下降可實現產生最少析氣高效率快速充電，稱為馬斯曲線

圖4 馬斯曲線

2.2 馬斯三定律

馬斯三定律[4]是在馬斯曲線理論上拓展的約束條件，依照此理論實現最小析氣的快速充電在充電過程中進行周期性停充和反向脈沖放電，以消除歐姆、電化學和濃度差極化，提高可接受充電電流。馬斯三定律分別為

3 蓄電池SOC估算

對蓄電池估算SOC[5]能夠得知當前電池的實際使用容量，從而防止了使用中的蓄電池產生過放現象；同時也能夠得知充滿時蓄電池容量的變化趨勢，從而避免蓄電池過充，同時提高了電池在充放電過程中電流電壓以及化學反應的穩定性，提高系統安全性。通過估算蓄電池SOC，就可以測定蓄電池的總容量，從而合理設定直升機的運行里程數，既適當使用蓄電池的儲備電能量，又可基本保持在直升機行駛中的穩定性。同時通過估計電池SOC，還可以對電池的充放電量實行平衡管理，使復合單體電池之間性能更加平衡。

蓄電池SOC估算方法直接影響蓄電池SOC估算的精度，目前主流的估算方法有很多，最精確最廣泛使用的估算方法是卡爾曼濾波法(Kalman Filter，KF)，KF適用于復雜的動態線性系統，需要對系統建立模型，該方法使用迭代循環的方法來消除系統隨機誤差，估算值準確度高。擴展卡爾曼濾波(Extend Kalman Filter，EKF)運用遞推算法對非線性系統狀態的最小方差上的最佳估計。

h(xj,uj)為非線性狀態轉移函數；g(xj,uj)為非觀測函數，假設一個非線性離散系統的狀態方程和輸出方程為：

狀態方程和輸出方程記為：

4 充電控制策略

隨著自動控制理論的完善以及智能化的迅速發展，目前國內外眾多學者廣泛研究蓄電池充電控制策略并取得很大進展，根據不同環境和經濟性要求選擇合適的充電方法。

恒壓充電和恒流充電是最傳統的充電方法，以單一形式進行充電。恒壓限流充電在蓄電池上串聯限流電阻，但串聯電阻易產生滯后的缺點，而且對析氣產生沒有有效的控制措施。階段恒流階段性降低充電電流，節約電能提高充電的速度。恒流-恒壓充電是在充電初期以恒定電流充電，后期通過恒定電壓充電，使充電后電流更貼近馬斯曲線。恒流-恒壓-恒流充電控制策略彌補后期電流小的弊端更加貼近馬斯曲線。

變電流間歇充電初期采用大電流充電，停充一段時間消除極化現象形成的物質，提高電池可接受電流，再降低電流充電一段時間后停充，如此周期性間歇充電，可縮短充電時間。變電壓間歇充電間歇以恒定電壓充電，隨著電量增加逐漸降低充電電壓，其充電電流呈曲線下降趨勢接近馬斯曲線。

單向脈沖充電運用脈沖方法進行充電，停充階段消除極板附近的產物，提高下一脈沖充電效率。慢脈沖充電先采用恒定脈沖電流充電，再采用恒定脈沖電壓充電以接近馬斯曲線，減小析氣產生，在停充過程中保持小電流以促進分子彌散，提高充電效率。

正負脈沖間單次停充和兩次停充如圖5所示，在加入電流負脈沖用來消除極化現象產生的物質，用以提高下一次充電效率，兩次停充防止直接負脈沖對極板的沖擊，嚴重時會產生極板彎曲，使得充電過程更加順暢。

圖5 正負脈沖充電

正負零脈沖的三階段充電控制策略如圖6a所示，第一階段為電流正脈沖，在第二階段每個周期逐漸減小電流脈沖幅值，同時減小負脈沖幅值，提高電池可接受電流，第三階段用小電流直至充滿。變電壓正負脈沖多階段充電控制策略如圖6b所示，在不同階段逐漸減小電壓脈沖寬度，有效控制電池可接受電流，消除極化現象，減少充電時間，延長使用壽命。

圖6 階段充電

帶負脈沖多階段快速充電控制策略如圖7所示，經停充消除兩極板極化和負脈沖放電消除濃度極化，提高充電可接受電流，由馬斯第三定律得知可接受電流相加提高下一階段充電可接受電流，計算得出新的馬斯曲線，在相同充電時間內比原馬斯曲線多充入蓄電池的有效電量，根據馬斯定律進行理論推導，表明該充電控制策略可以大幅提高充電效率和速度，經大量實驗對比證明，降低蓄電池衰老，延長循環使用壽命。

圖7 帶負脈沖多階段充電

5 結語

隨著航空領域智能化的發展，對其電氣系統的安全性和技術性提出更高的要求，本文針對航空儲能系統充電控制策略進行綜合分析，設計蓄電池SOC的估算方法，在此基礎上提出一種新型充電控制策略，通過每個階段周期性降低充電電流時間以及停充和負脈沖以提高充電可接受電流，節約電能，提高充電效率和速度，延長蓄電池循環使用壽命。