（中國(guó)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(dòng)機(jī)突發(fā)空中停車時(shí)提供應(yīng)急啟動(dòng)的動(dòng)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(cè)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(huì)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(duì)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(wú)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(wèn)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(shí)不考慮航空鋰電池。

2．1 性能需求

本文對(duì)試飛階段常見的45種各型號(hào)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)控制充放電時(shí)間，同時(shí)具有應(yīng)急快速充放電功能；②在串聯(lián)充放電時(shí)，可循環(huán)檢測(cè)蓄電池組電壓，也可循環(huán)檢測(cè)蓄電池的單體電壓；③每個(gè)組件可以單獨(dú)操作，也可通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）保護(hù)需求：①過(guò)壓和欠壓保護(hù)：當(dāng)蓄電池組超過(guò)設(shè)定保護(hù)值時(shí)，檢測(cè)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(guò)設(shè)定保護(hù)值（上、下限保護(hù)值）時(shí)，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(shí)保護(hù)：當(dāng)蓄電池組在維護(hù)過(guò)程中，工作時(shí)間超過(guò)設(shè)定保護(hù)時(shí)間時(shí)，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(cè)維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)短路故障時(shí)，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(duì)濕度：≤85%（23±5℃）。

其他：?jiǎn)谓M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(duì)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(cè)試要求；（4）保護(hù)設(shè)計(jì)：采用高精度檢測(cè)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(gè)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(duì)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?？刂粕喜捎秒p環(huán)路控制模式，以電流為內(nèi)環(huán)，以電壓為外環(huán)，通過(guò)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(cè)，然后通過(guò)T6650D隔離變送器上傳到工控機(jī)，由工控機(jī)來(lái)檢測(cè)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(dòng)大屏幕液晶屏、指令接收與發(fā)送、單體電壓檢測(cè)、與上位機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)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(cè)采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(bào)警及切斷輸出動(dòng)作。與上位機(jī)實(shí)時(shí)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(guò)壓、輸出過(guò)流、輸出過(guò)載、輸出短路、反極性、過(guò)熱等一系列保護(hù)。

輸入電壓、輸入欠壓、輸入缺相的檢測(cè)通過(guò)置于輸入端的三相檢測(cè)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(shí)單片機(jī)發(fā)出電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報(bào)警，以達(dá)到輸入保護(hù)的目的。

輸出過(guò)壓、反極性的檢測(cè)通過(guò)采集輸出端的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(shí)單片機(jī)發(fā)出電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報(bào)警，以達(dá)到輸出保護(hù)的目的。輸出過(guò)流、輸出過(guò)載、輸出短路的檢測(cè)通過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(shí)單片機(jī)發(fā)出電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離，切斷輸出繼電器，并且聲光報(bào)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(duì)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(guò)程中的電壓自動(dòng)采集記錄與維護(hù)時(shí)間控制，避免了維護(hù)人員時(shí)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(shí)，滿足了航空地面保障設(shè)備統(tǒng)行需求。