基于雙向DC/DC的民用飛機(jī)蓄電池控制系統(tǒng)

程國(guó)華　孫鑒非　劉湛

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機(jī)蓄電池、以及蓄電池系統(tǒng)控制的研究現(xiàn)狀，然后結(jié)合新型鋰離子蓄電池的特殊控制需求，結(jié)合雙向DC/DC的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了一套基于雙向DC/DC的民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)，并對(duì)其控制原理進(jìn)行了基本分析。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；蓄電池系統(tǒng)；雙向DC/DC

0 引言

蓄電池系統(tǒng)是民用飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，為全機(jī)重要負(fù)載提供應(yīng)急電源，同時(shí)也可以保證直流重要負(fù)載，在飛機(jī)電源轉(zhuǎn)換時(shí)，匯流條的不間斷供電[1]。作為民用飛機(jī)的關(guān)鍵備用電源系統(tǒng)，蓄電池系統(tǒng)的重要性不言而喻。國(guó)外早在B737時(shí)代，就已經(jīng)開始對(duì)蓄電池系統(tǒng)控制進(jìn)行深入研究，而我國(guó)開展民用飛機(jī)研究相對(duì)較晚，技術(shù)積累相對(duì)薄弱，因此研究高效穩(wěn)定的民用飛機(jī)蓄電池控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)民用飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外主流機(jī)型的蓄電池系統(tǒng)方案調(diào)研見表1。根據(jù)輸入電源類型劃分，主要分為以波音777為代表的115V交流輸入系統(tǒng)，以及A320為代表的28V直流輸入系統(tǒng)。其中，直流輸入系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，蓄電池系統(tǒng)采用單獨(dú)的交直流電源變換器B TRU，易于實(shí)現(xiàn)蓄電池系統(tǒng)的獨(dú)立控制，但獨(dú)立的B TRU會(huì)額外增加整個(gè)飛機(jī)電源系統(tǒng)體積重量，并且額外增加的電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)會(huì)一定程度降低整個(gè)飛機(jī)電源系統(tǒng)可靠性。交流輸入系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，蓄電池與飛機(jī)直流負(fù)載公用TRU，減小了整個(gè)飛機(jī)電源系統(tǒng)的體積以及相關(guān)的線路敷設(shè)等空間需求，但該方案會(huì)增加公用TRU的負(fù)載壓力，提高了公用TRU的設(shè)計(jì)難度。綜上所述，兩種輸入方案各有其優(yōu)勢(shì)，也各自存在缺陷，沒有明顯的優(yōu)劣之分。因此現(xiàn)役機(jī)型中，兩種方案均得到了廣泛的應(yīng)用，并且有著相當(dāng)成熟的試航取證經(jīng)驗(yàn)。

在早年的民用飛機(jī)型號(hào)中，蓄電池通常直接與蓄電池匯流條（BATT BUS）掛接，由接觸器實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電管理，其充放電控制過程精確度較低。而蓄電池的工作電壓會(huì)隨著容量、溫度和放電強(qiáng)度等參數(shù)實(shí)時(shí)變化，并且BATT BUS的電壓則會(huì)隨著其所連接直流負(fù)載需求而發(fā)生變化。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)更加精確的蓄電池充電控制，越來越多的機(jī)型開始采用單向DC/DC變換器[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電過程的管理。而以波音787為代表的鋰離子電池系統(tǒng)，由于鋰離子材料特殊的電化學(xué)特性，則對(duì)蓄電池放電過程提出的新的控制需求。因此，以雙向DC/DC為核心的，基于充、放電雙向控制的蓄電池系統(tǒng)，是民用飛機(jī)未來的主流發(fā)展方向。

2 一種基于雙向DC/DC的民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)

綜上所述，基于民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)控制需求的進(jìn)化，本文提出一種如圖1所示的，基于雙向DC/DC拓?fù)涞拿裼蔑w機(jī)蓄電池系統(tǒng)控制構(gòu)架。

根據(jù)蓄電池系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)主要運(yùn)行模式以下2類。其中1類為系統(tǒng)正常運(yùn)行模式，2類為系統(tǒng)備份運(yùn)行模式。在1類正常運(yùn)行模式中，控制器通過雙向DC/DC，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電過程的管理，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度、電壓、容量等參數(shù)，精確控制蓄電池充放電電流，實(shí)現(xiàn)蓄電池的優(yōu)化管理。在2類備份運(yùn)行模式中，雙向DC/DC失效，系統(tǒng)控制雙向DC/DC端接觸器，斷開其與BATT BUS的連接，接通備份線路，在該模式下，蓄電池電壓電流無法實(shí)現(xiàn)精確控制，只是作為雙向DC/DC失效模式下的備份，提高系統(tǒng)運(yùn)行余度。

系統(tǒng)的控制邏輯框圖如圖2所示，在本文提出的蓄電池系統(tǒng)中，1類正常運(yùn)行模式涉及雙向DC/DC高頻電子回路控制，其主要控制邏輯如下：主控制回路是外環(huán)多路選擇閉環(huán)、內(nèi)環(huán)電流（蓄電池）的雙閉環(huán)。其中電流（蓄電池）閉環(huán)，同時(shí)也是雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)控制原理為：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池沖、放電電流（充電為正、放電為負(fù)），將監(jiān)測(cè)電流數(shù)值反饋到輸入端與給定電流數(shù)值進(jìn)行比較，再經(jīng)過PID控制器運(yùn)算，最后經(jīng)過PWM發(fā)生器，擬合成雙向DC/DC拓?fù)渲懈髀稭OS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過調(diào)節(jié)雙向DC/DC的占空比變化，即可實(shí)現(xiàn)蓄電池實(shí)際充、放電電流對(duì)系統(tǒng)給定數(shù)值的動(dòng)態(tài)跟蹤。

外環(huán)多路選擇控制閉環(huán)邏輯如下：其主要由放電調(diào)壓計(jì)算模塊以及充電計(jì)算模塊兩個(gè)子系統(tǒng)組合而成。本系統(tǒng)的外環(huán)控制目標(biāo)為：根據(jù)飛機(jī)電源系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行指標(biāo)，綜合判斷、計(jì)算，并得出系統(tǒng)需求的蓄電池充、放電電流大小。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行蓄電池容量計(jì)算。在得到容量數(shù)據(jù)之后，根據(jù)所選用蓄電池電流的電化學(xué)特性，充電計(jì)算模塊與放電調(diào)壓計(jì)算模塊即可各自運(yùn)行，分別得出蓄電池可接受的最大充電電流數(shù)值，以及BATT BUS可調(diào)節(jié)的電壓數(shù)值和蓄電池可接受的最大放電電流數(shù)值。

3 結(jié)語

本文在介紹了民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀后，以行業(yè)最新的鋰離子電池為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套基于雙向DC/DC的民用飛機(jī)蓄電池控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可以兼顧蓄電池充、放電電流與BATT BUS電壓的高效控制。后續(xù)可以在雙向DC/DC的軟開關(guān)控制，以及系統(tǒng)控制效率方面，作進(jìn)一步針對(duì)性研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]謝少軍，陳勇.一種通用型航空蓄電池充電器研制[S].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（1）：96-100.

[2]民用航空器輕硫酸鋰蓄電池最低性能要求[J].北京：中國(guó)航空工業(yè)總公司，1997，1.1.