基于有載分接開關(guān)協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)電壓控制研究

鄭斌 袁文海 董小順 馬海軍 徐雅新 李翔

摘 要：針對傳統(tǒng)的通用飛機鉛酸蓄電池測試方法精度低、工序繁雜等問題，提出了基于LabVIEW的通用飛機鉛酸蓄電池測試系統(tǒng)設(shè)計方案。通過不同傳感器多點采集蓄電池信息，利用獨立式采集卡與工控機，實現(xiàn)對蓄電池充放電數(shù)據(jù)采集和處理。利用LabVIEW軟件，完成模塊驅(qū)動程序的設(shè)計，通過記錄分析電壓、電流等數(shù)據(jù)的變化，可以圖形化直觀展示蓄電池的工作狀況，實現(xiàn)對蓄電池的自動精確測試，提高了測試效率和精度。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池;LabVIEW;測試系統(tǒng)

中圖分類號：V271.4 ? ? ?文獻標識碼：A

近年來我國通用航空事業(yè)快速發(fā)展，鉛酸蓄電池因其技術(shù)成熟、成本低、安全可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于通航中小型飛機上作為應急電源使用，當飛機在飛行中出現(xiàn)主電源故障的情況下，由蓄電池向重要機載設(shè)備供電，因此蓄電池的供電質(zhì)量將直接影響到飛行安全[1-2]。在傳統(tǒng)的維護工作中，對蓄電池的測試是通過手動方式進行檢測，人工讀取儀表測試數(shù)據(jù)，依據(jù)維護手冊人為判斷蓄電池性能是否正常，傳統(tǒng)測試方式存在以下幾個問題：第一，測試工序復雜。單組蓄電池充放電長達數(shù)個小時，蓄電池測試過程中，機務維護人員需多次使用儀表監(jiān)控蓄電池參數(shù)變化。第二，測量成本高。隨著飛行訓練量增大，蓄電池使用數(shù)量和次數(shù)增加，對多組蓄電池同時進行測量，需配備充足的儀器儀表和維護人員，進而蓄電池維護成本增加。第三，精確度差。利用傳統(tǒng)儀表測量蓄電池不同時段的充放電數(shù)據(jù)，測試結(jié)果誤差較大[3]。

基于虛擬儀器技術(shù)本研究設(shè)計了一種通用飛機鉛酸蓄電池測試系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件設(shè)計所需要的儀器模塊，自動采集所需參數(shù)對蓄電池進行測試，采用圖形化的軟面板替代傳統(tǒng)的控制面板，控制部件替代功能等效的實際儀器，能夠?qū)︺U酸蓄電池進行較高精度的測試，并提高測試效率。

1 蓄電池測試系統(tǒng)整體設(shè)計

通用飛機鉛酸蓄電池測試系統(tǒng)的硬件部分利用電壓、電流、溫度等傳感器采集輸出電壓、電流信號和電解液的溫度信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊和CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡對蓄電池充放電數(shù)據(jù)進行采集和處理，最后由工控機完成數(shù)據(jù)存儲、分析。軟件部分基于LabVIEW軟件完成模塊程序的設(shè)計，測試數(shù)據(jù)的變化，實現(xiàn)結(jié)果的輸出。蓄電池測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

蓄電池測試系統(tǒng)的硬件部分由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、測控機模塊等組成。

傳感器模塊由溫度傳感器、電壓電流傳感器等部分構(gòu)成，實現(xiàn)了由溫度及電壓電流等模擬信號經(jīng)調(diào)理模塊處理后傳遞給采集卡的功能。其中，該測試系統(tǒng)選用鉑電阻PT100型溫度傳感器，將其接線端與信號調(diào)理電路、計算機設(shè)備連接，易于操作且精確度高，可實現(xiàn)溫度測試和數(shù)據(jù)輸出一體化，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

信號調(diào)理電路主要是將模擬信號經(jīng)傳感器組轉(zhuǎn)換后，通過信號調(diào)理模塊進行放大、濾波等處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可識別的信號量，可實現(xiàn)信號的隔離傳輸，具有抗干擾和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的特點。信號調(diào)理電路圖如圖2所示。

經(jīng)電阻R7和R9分流，R4是可調(diào)變阻器，隨著溫度的變化其阻值發(fā)生變化，即輸入信號的變化調(diào)節(jié)運算放大器的衰減程度，最終得到0-3 V的電壓信號。傳感器輸出的信號有噪聲信號，對隨后的放大電路產(chǎn)生不利影響，調(diào)理電路內(nèi)部設(shè)計的C1、C2、C3、C4、C5等電容實現(xiàn)濾波功能，提高信噪比，促使調(diào)幅信號趨于穩(wěn)定。

該測試系統(tǒng)選擇的接口是NI公司研發(fā)的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡可提高計算機的數(shù)據(jù)處理能力，空間占有率小。依靠數(shù)據(jù)采集模塊，利用通道索引采集相關(guān)信號，數(shù)據(jù)結(jié)果在虛擬儀表的前面板上顯示，最后進行數(shù)據(jù)的存儲。本設(shè)計方案選用3個采集通道，各采集通道信息參數(shù)如表1所示。

工控機作為測控計算機，控制著整個檢測過程，是測試系統(tǒng)的核心。工控機通過數(shù)據(jù)采集卡對電流、電壓信號進行獲取，使用LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，直觀地表示出蓄電池的參數(shù)和性能指標。

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該測試系統(tǒng)軟件設(shè)計是采用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺編寫[4-5]，將虛擬儀器運用到蓄電池測試中，利于系統(tǒng)修改，保證了測試精度，增強了測試系統(tǒng)的可維護性及可擴展性。本測試系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3所示。

LabVIEW軟件具有豐富的圖形環(huán)境和強大的函數(shù)庫，該測試系統(tǒng)的前面板設(shè)計了溫度、電壓電流和停止三類開關(guān)，用以采集溫度、電壓、電流的數(shù)據(jù)。除開關(guān)外，前面板還設(shè)置了溫度計、溫度報警燈、電壓報警燈、電壓波形圖、電壓采樣頻率等。根據(jù)機務維修手冊，系統(tǒng)運行期間蓄電池的充放電溫度不高于43.3 ℃;否則，蓄電池熱量過高導致電解液中水分大量缺失，降低蓄電池壽命。夏季時，蓄電池應放于涼水中做降溫處理。溫度模塊設(shè)計圖如圖4所示。

新建VI選項，進入編寫程序界面，在程序框圖中編寫所需程序。程序框圖的最外層是一個while循環(huán)，循環(huán)停止條件連接停止按鍵，循環(huán)次數(shù)不設(shè)置。while循環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，嵌套結(jié)構(gòu)使用事件結(jié)構(gòu)，共包含4個事件分支。其中，事件0是“超時事件”創(chuàng)建常量設(shè)置為“-1”，表示永不超時。事件1為“充電測量電壓事件”，用于測量蓄電池的充電階段。事件2為“放電測量電壓事件”，測量蓄電池的放電階段。事件3設(shè)置為“停止按鈕事件”，測量結(jié)束后停止正在運行的VI程序。

蓄電池充電階段分為兩個階段。首先構(gòu)建事件結(jié)構(gòu)，觀察充電器的電壓是否達到33 V，采用2 A的恒定電流進行充電，充電電壓升至33 V，充電電壓燈亮起后持續(xù)充電一小時，充電第一階段完成。

第二階段采用恒為1 A的電流對蓄電池進行充電，若輸出電壓的數(shù)值連續(xù)3小時保持恒定不變，表明比重數(shù)連續(xù)三小時穩(wěn)定在同一數(shù)值，蓄電池視為充電完成。充電階段局部程序圖如圖5所示。

蓄電池的放電測試需遵循“先充后放”的原則。放電測試根據(jù)電池的新舊情況進行不同時間段的測量。裝機未超過一年的蓄電池，需進行每3個月一次復充，每6個月一次放電測試;使用超過一年的蓄電池，則進行每3個月一次放電測試，保證蓄電池容量穩(wěn)定在80%以上[6]。

蓄電池放電采用恒流放電方式，放電電壓設(shè)置不低于20 V，若放電時間大于48分鐘，表明該電瓶容量大于80%，電瓶正常。若放電時間小于48分鐘，則進行第二次測量。若連續(xù)兩次測得蓄電池放電時間均小于48 min，該蓄電池不可再裝機使用，應進行報廢處理。放電階段局部程序圖如圖6所示。

4 實驗測試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)將硬件測試部分與電源、測控機連接，通過設(shè)計蓄電池測試系統(tǒng)交互界面，進行數(shù)據(jù)采集，并實時顯示測試結(jié)果。與傳統(tǒng)人工測試方式相比，可對蓄電池的充放電過程進行自動測試，提高測試精度和效率。

4.1 充電過程與結(jié)果分析

充電階段進行前，檢查電解液的液面高度，滿足其高于極板頂部方可操作，保持充電環(huán)境在通風良好的狀態(tài)下進行。

接通充電模塊開關(guān)和溫度測量開關(guān)，若測得蓄電池溫度不高于43.3 ℃，自動跳轉(zhuǎn)至下一步事件;若測得蓄電池溫度高于43.3 ℃，則前面板上溫度報警燈亮起，關(guān)閉測試系統(tǒng)。待到蓄電池溫度降至可測量的范圍值，再對蓄電池進行測量。蓄電池充電參數(shù)變化圖如圖7所示。

通過各項測試可直觀看出，隨著測試時間的增加，溫度在初始階段上升趨勢明顯，后期變化較為緩和，充電過程中溫度最高升至37.7 ℃，較初始溫度增加12.7 ℃，充電初始電壓21 V，電解液不斷發(fā)生化學反應，最終測得充電后期電壓為31.2 V。若出現(xiàn)每個電池均能釋放氣泡，則充電階段完成，充電時間總耗時約7小時。

依據(jù)上述參數(shù)變化，當蓄電池的溫度達到26.6 ℃時，蓄電池處于充足電量狀態(tài)。若蓄電池的溫度為21.2 ℃時，電解液比重值為1.275-0.003=1.272。若溫度為32.3 ℃時，電解液比重值為1.275+0.003=1.278。溫度和比重補償轉(zhuǎn)化表如表2所示[5]。

將充滿電的蓄電池靜置4小時，測試其開路電壓。若該蓄電池的開路電壓大于26.3 V，表明蓄電池充電完成;若不大于26.3 V，重復上述步驟對蓄電池進行重新充電，充電測試階段前面板圖如圖8所示。

由圖8可看出，本次充電測試系統(tǒng)檢測的溫度變化未超出正?？刂品秶?，電流、電壓等測試參數(shù)的變化值可直觀展示在前面板上。

4.2 放電過程與結(jié)果分析

接通溫度和放電測量電壓開關(guān)，放電電流以8 A恒流放電，同時觸發(fā)定時器計時。蓄電池電壓降至20 V，此時放電電壓燈亮起，若放電時間燈亮起，表明該電瓶正常。放電測試階段局部前面板圖如圖9所示。

由蓄電池放電測試可知，隨著測試時間的增加，放電電壓在初始階段下降趨勢明顯，后期下降較為緩慢，放電過程中溫度降至22.3 ℃，放電初始電壓26.5 V，電解液不斷發(fā)生化學反應，最終測得放電后期電壓為20.0 V。

通過上述蓄電池充、放電階段測試過程可知，利用該通用飛機鉛酸蓄電池測試系統(tǒng)可以安全、高精度、高效率的測出蓄電池的性能，同時將測試參數(shù)保存為Excel格式，記錄蓄電池測試的結(jié)果，最終生成測試報告。

5 結(jié) 論

針對鉛酸蓄電池的充、放電測試工作等問題，利用虛擬儀器的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)測量方式的弊端，增強了測試系統(tǒng)的精度和效率，并對需要檢測的蓄電池（G-241電瓶）進行大量的采集取樣和驗證，實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計功能。通過測試實驗表明，利用虛擬儀器技術(shù)可以代替大量的傳統(tǒng)測試儀器，減少成本，提高測試的精確性，直觀地顯示蓄電池參數(shù)性能，提高了機務工作效率，該測試系統(tǒng)在機務維護工作中優(yōu)于傳統(tǒng)人工測試方式。

參考文獻

[1] 王友仁，梁嘉羿，黃薛，等.航空蓄電池能量均衡技術(shù)研究[J].航空學報，2017，38（5）：216-225.

[2] 張端陽，郭樹滿.鉛酸蓄電池在線檢測儀的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（6）：29-32.

[3] 劉險峰. 蓄電池容量在線檢測的研究[J]. 蓄電池， 2009（3）：45-49.

[4] 徐仁慶，殷晨波，何茂先.基于虛擬技術(shù)的氫氣傳感器檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（5）：35-36.

[5] 朱墨，吳國清.基于LabVIEW同步控制的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控仿真平臺[J].計算機仿真，2006（2）：176-179.

[6] Q01-1120，Gill Dry-charged Lead-acid Aircraft Battery Service Manual[S].Redlands California： Teledune Company，2013.