王 鑫，张西虎（南京航空航天大学无人机研究院，江苏南京，210016）

通用型航空蓄电池充放电综合测试柜设计

王 鑫，张西虎
（南京航空航天大学无人机研究院，江苏南京，210016）

普通充放电器仅能对蓄电池整体进行充放电，无法实时监测蓄电池每节单体电压。本文设计了一种通用型航空蓄电池充放电综合测试柜，兼顾充放电管理和电池性能测试两项功能，不仅可以对蓄电池进行恒流充放电，而且可以监测蓄电池的每节单体电压，对异常单体进行均衡控制，并且通过实验验证

航空蓄电池；充放电；测试柜

0 引言

目前装备飞机的航空蓄电池主要有锌银电池、镉镍电池和锂电池这三种类型。传统的蓄电池充电器采用可控硅整流器，利用其可逆运行特性实现电池的充放电，但其体积重量大，动态响应特性差。现在一般采用高频开关型整流器为蓄电池充电，普通的开关型整流器不能可逆运行，需要另外的放电器，同时充电器仅能对蓄电池整体进行充电，无法实时监测蓄电池每节单体电压。为满足各型飞机蓄电池地面维护要求，作者研制了一种通用型航空蓄电池充放电综合测试柜。该测试柜具有充放电管理和电池性能测试两项功能，充放电管理是根据用户的设定对电池进行恒流充电或恒流放电，适用于电池日常工作；电池性能监测是指对电池组进行充电或放电时每节单体电压性能曲线的测试，并根据电池个体差异进行维护，适用于电池检修和维护工作。

1 系统组成

充放电综合测试柜主要由以下部分组成：辅助电源、充放电模块、显示控制模块、电池监测与电压均衡管理模块、电池接口线缆和蓄电池固定装置。系统采用19英寸标准机架，其结构示意图如图1所示。

图1　系统结构示意图

（1）顶层为系统的指示灯层，显示系统的工作状态；

（2）第二层为液晶屏幕层，并且内部放置充放电模块，其功能为根据用户的设定对电池进行充放电；

（3）第三层为主机控制器层；

（4）第四层为抽屉式键盘鼠标层，放置键盘、鼠标；

（5）第五层为开关控制与电池接口层，并且内部放置辅助电源、电池监测与电压均衡管理模块；

（6）第六层为线缆安放层；

（7）第七层为蓄电池组放置层，可将需进行检测或充放电的电池安放于该装置上。

2 工作原理

如图2所示，用户可以通过显示控制模块对系统进行控制。充放电工作时，由显示控制模块将指令发送给充放电模块来控制蓄电池的充放电工作，同时充放电模块将充放电的工作参数发送给显示控制模块进行显示；性能测试工作时，由显示控制模块发送指令给蓄电池性能监测单元，监测蓄电池充放电时各节单体参数并发送给显示控制模块进行容量计算，测试结束后显示各节单体电池特性曲线；当蓄电池单体发生异常时，由显示控制模块发送指令给均衡管理模块进行控制。充放电数据和性能测试数据以报表的形式保存，可供查询和输出。

图2　系统控制框图

2.1充放电模块

充放电模块的功能是根据设定的充放电电压电流参数对蓄电池组进行充放电工作，其结构如图3所示，可分为功率电路和控制器两部分，其中功率电路由电源变换部分、充放电功率变换部分和能耗部分组成。

图3　充放电器结构框图

电源变换部分主要作用是将单相220V/50Hz交流电转换为直流电压，为蓄电池充电提供能量，采用Boost PFC +Half Bridge电路；充放电功率变换部分采用Buck/Boost电路，能量可双向流动，充电时工作于Buck模式，蓄电池放电时工作于Boost模式；能量消耗部分即放电电阻，其主要作用是在蓄电池放电时将充放电功率变换电路的输出电能消耗掉，将电能转换为热能发散。控制器的主要作用是接收显示控制模块的指令进行充放电控制。

2.2电池性能监测与均衡管理模块

电池性能监测主要功能是完成对所有单节电池的电压采样并且发送给显示控制模块进行保存与分析；电池均衡管理的主要功能是当蓄电池单体电压异常时，对过高或过低的单体电池进行调节，以保证各单体电压均衡，防止个别单体过充或过放。

电池性能监测与均衡管理模块的结构框图如图4所示，控制器通过电池采样单元检测单节电池电压，经过计算、比较后输出控制信号对单体进行充放电以保持蓄电池各单体之间的电压均衡，同时通过CAN总线与显示控制模块进行通信。

图5　锂电池组采样模块框图

图4　电池性能监测与均衡管理模块结构框图

由于三种类型电池的节数和电压范围不同，因此对三种电池组的电压采样采用三个独立模块。电池均衡的原理是采用单体充放电形式，即对超过标准范围的单体电池进行放电，对低于标准范围的单体电池进行充电。

2.2.1电压监测模块设计

本系统采用BQ76PL536芯片来进行单节电池电压监测，BQ76PL536是TI公司生产的用于3~6个串联电池电压监测及保护的芯片，拥有高精度的模数转换器；具有过压、欠压、过温保护功能，可编程保护阈值和延迟时间；扩展性强，芯片垂直堆叠，芯片间不需要任何隔离措施，通过高速的SPI总线进行可靠的通信。

图6　开关矩阵接线图

锌银电池分别有15、16和17节单体形式，采用3组BQ76PL536芯片；镉镍电池为20节单体形式，采用4组BQ76PL536芯片；锂电池为7节单体形式，采用2组BQ76PL536芯片。锂电池组的采样模块框图如图5所示，第一片BQ76PL536采样底层4节锂电池，第二片BQ76PL536采样上层3节锂电池。镉镍电池与银锌电池的接法类似。

2.2.2开关矩阵设计

开关矩阵的接线图如图6所示。当某节单体电压过高（或某节单体电压过低），均衡控制器将该单体连接的继电器闭合，同时将连接均衡电路的继电器闭合，并控制均衡电路对该单体进行放电（充电）。镉镍电池与银锌电池的接法类似。

2.2.3均衡管理模块设计

均衡电路采用Buck/Boost电路，如图7所示，当采样出的单节电池电压小于设定范围值，均衡电路工作Buck模式，输入接直流电源，输出接单节电池，进行充电；当采样出的单节电池电压超出设定范围值，均衡电路工作Boost模式，输入接单节电池，输出接放电电阻，进行放电。

图7　Buck/Boost主电路图

均衡控制采用多放少补的原则，以7节锂电池为例，均衡电路开始工作时，锂电池组总电压28.0V，每节锂电池电压应为4.00V，设定单节电池在平均电压±5%的范围内为正常电压，检测各单体电池电压并判断是否在正常电压范围内，对超出范围的电压进行调整。如图8所示，则需对第2、6节电池进行放电，对第5节电池进行充电，直到各节电池都处于正常电压范围内。

图8　单体电池电压范围

3 系统控制软件

系统控制软件采用模块化结构，由充放电主控模块、人机交互模块、通信模块、数据存储与查询模块等部分组成：

（1）充放电主控模块是根据用户设定的工作模式和参数对充放电器进行控制，并实时根据蓄电池的状态调整充放电参数，在系统发生故障时产生保护动作同时发出声光提示；

（2）人机交互模块具有工作模式与参数设定、充放电数据显示、电池性能曲线显示等功能，便于用户对系统的操作；

（3）通信模块的功能是控制主机与充放电器、电池性能测试器之间的指令与数据的传输；

（4）数据存储与查询模块是将充放电工作模式与数据，电池性能测试数据等存储于系统中，便于用户根据需要随时查询历史工作数据。

4 实验

利用充放电综合测试柜对蓄电池进行测试，完成了充电测试、放电测试、电池组性能测试和均衡管理测试，如图9所示。

图9　蓄电池充放电测试照片

测试界面主要分为3个部分，进入界面时首先需根据所连接的电池和工作需求在下拉框中选择电池类型和工作模式，如图10所示。第一个模块为充放电管理模块，模块左侧为设定区域，右侧为显示区域。第二个模块为均衡管理模块，模块左侧为设定区域，下方为显示区域，可手动选择单体节数。第三个模块为性能测试模块，模块左侧为设定区域，中间为显示区域，右侧为充放电曲线。

图10　蓄电池测试界面

测试期间，对飞机常用的17XYG10和15XYG45锌银蓄电池组进行了多次试验，可实时显示蓄电池组电压、充放电电流、充放电容量、单体电池电压和工作时间，操作方便、直观清晰。

5 结论

本文针对各型飞机蓄电池地面维护要求，研制了一种通用型航空蓄电池充放电综合测试柜。该测试柜兼顾充放电管理和电池性能测试两项功能，解决了过去试验中人工检测强度大、试验数据量少的问题，对蓄电池日常维护和检修工作起到积极作用。

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Design of general aviation battery charging and discharging test cabinet

Wang Xin，Zhang Xihu
（Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016，Jiangsu Province，China）

Common appliances of battery charging and discharging can only be performed on the battery charge and discharge the whole，unable to real-time monitor each cell battery voltage.This paper designs a general aviation battery charging and discharging test cabinet.It has the management of charging and discharging and battery test two functions.It can not only charge and discharge the battery，but also monitor each cell battery voltage， balanced control abnormal cell，and through experimental verification.

aviation battery；charge and discharge；test cabinet

A

王鑫（1984—），男，助理研究员，硕士，研究方向：航空电气设计；

张西虎（1967—），男，副研究员，硕士，研究方向：航空电气设计。