航空锂电池地面维护系统设计

2015-07-25王保成马胜勇刘珉珲程伯松

通信电源技术 2015年5期

黄伟，王保成，马胜勇，刘珉珲，程伯松

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州 221000）

以往，飞机机载备份电源主要使用镍镉、镍氢以及锌银蓄电池［1］。但是这些航空蓄电池有着明显的缺点：体积和质量比能量低、自放电快、工作电压低等。而锂电池是上个世纪90年代开发的新型高能电池，具有单体工作电压高、自放电率低、比能量大、无记忆效应、循环使用寿命长等优点。锂电池作为飞机机载备份电源，能够为飞机提供安全可靠的机载应急电源保障［2］。同时，锂电池也存在着以下不足：一是锂电池生产成本较高；二是锂电池在充放电过程中有着苛刻的条件限制，过充、过放和过温都将影响锂电池的性能和寿命，严重时将引发安全事故［3］。因此，设计一套航空锂电池地面维护系统有着重要意义。本文设计了一套航空锂电池地面维护系统，能够实现锂电池的充电功能、放电功能、维护功能和计算机管理功能。

1 系统组成与总体设计

航空锂电池地面维护系统可以同时对四块锂电池组进行维护，设备由计算机管理模块、维护单元、放电单元三部分组成。系统组成如图1所示。

计算机管理模块为地面维护系统的信息收集和控制中枢，由工业计算机和监控软件组成，负责对系统的工作方式进行智能控制。通过计算机控制软件能够在线监测锂电池组充放电过程并实时记录相关数据。

图1 系统组成图

维护单元由本地监控电路、充电电路、维护电路、配电电路四部分组成。充电电路由最大输出为4.15 V／15 A的AC／DC电源模块组成，充电模块采用恒压限流的输出模式以保证对每一块电池的充电电压限定在4.15 V，当电池电压低于4.15 V时，充电模块以12 A恒流方式进行充电；当电池电压上升到4.15 V时，充电模块以4.15 V恒压方式进行充电。配电电路负责对电池的输入进行分配，控制锂电池组充放电过程的切换；对四组电池与充放电模块的连接进行分配，对交流输入电源进行检测；对电池组的端电压、工作电流、电池温度进行检测，当出现异常时进行报警和控制。并向本地监控电路实时传送电池组的工作信息数据。本地监控电路根据检测到的电池参数，控制充放电电路以对电池进行维护。并控制配电电路对锂电池进行充放电切换。在维护过程中本地监控电路能实时将监测到的电池数据传输到计算机，并受计算机控制。

放电单元的放电电流为60 A，放电电压为20 V～30 V。放电模块在放电过程中实时将放电数据传输到本地监控电路，并受本地监控的控制。

2 充电电路设计

锂电池充电电路采用同步整流的电路拓扑形式，原理框图如图2所示，交流电源经过整流后转为310 V的直流电源，直流电源通过滤波器进入半桥整流电路，变压器输出后将高压直流转换为低压直流，变压器输出的前级与次级经过开关同步的四个MOS管驱动，以减小次级损耗。同步整流控制电路采用SC4910芯片进行控制，同步整流控制芯片通过源边电流检测和远端电平补偿控制MOS管的上下臂驱动电路。中心控制器采用ADUC812单片机，实时检测电池电压、充电电流，将工作参数运算后控制同步整流芯片。同时中心控制器还实时检测充电电路的输出电压、电池温度、内部环境温度以实时对电池和设备进行工作状态判断。中心控制器通过RS485通讯方式实现与本地控制电路的通讯，并将充电状态实时传送到本地控制电路，锂电池充电开关受本地控制电路的控制。

图2 锂电池充电原理框图

3 锂电池放电电路设计

锂电池放电的最高电压为28 V，放电电流为60 A，最大放电功率为1 680 W。锂电池放电电路如图3所示。图中MOS管V3～V13为功率开关管；R31～R42为功率电阻；R4～R14和三极管V14～V25为限流控制网络；三极管V26和V35为放电开关。当放电开关信号FDQ为高时，驱动功率开关管导通。当功率开关管输出电流超过2 A时，限流控制网络控制功率开关的开关量减小，实现每只开关管以2 A的恒流方式放电。图中电路可以实现20 A的恒流放电，三组相同的电路可以实现60 A的放电电流。

4 本地监控电路设计

本地监控电路负责对系统内部的充电电路、放电电路、维护电路进行管理，读取电池的参数信息，并将计算机管理模块发送的命令进行整理和分配。电路由单片机C8051F040及其外围芯片组成。RS485通讯是主控单元对充、放电单元的信息传输电路，主要是将电池维护的命令传输到锂电池的充、放电单元，并从充、放电单元采集电池的工作信息。CAN通讯是计算机管理模块与本地监控单元的通讯电路，本地监控单元使用的单片机内嵌有CAN通讯功能，CAN通讯的接口芯片采用TJA1050。通讯与控制部分采用隔离电源供电，以提高系统通讯的稳定性。计算机管理模块将控制命令通过CAN通讯方式传送到本地监控单元。本地监控单元接收到计算机命令后，对命令进行分析，然后将命令分配到各个充、放电单元，同时将本机各路电池的工作状态传送到中央计算机。按键显示电路由单片机的IO口直接控制，单片机将本系统各路电池的工作状态通过液晶进行显示，同时采集按键信息。当按键按下时，根据按键的位置控制液晶显示信息的变化。系统供电是控制单元的供电部分，供电电路采用AC／DC电源模块的形式，以提高系统工作的可靠性。

图3 锂电池放电原理图

5 计算机管理模块设计

计算机管理模块负责电池工作的集中监控和电池档案管理。多台维护设备共用一台工业计算机，计算机内安装集中监控软件。计算机配置要求CPU奔腾Ⅲ以上；内存128 Mbit以上；显示分辩率要求1024×768；具有USB输出接口。计算机与维护设备之间采用CAN通讯方式，将USB／CAN转换器连接到计算机USB接口，即可以实现维护设备与计算机的联网需求。