航空蓄電池野外充放電車(chē)的設計與研制

摘要：航空蓄電池野外充放電車(chē)的設計與研制，采用電子集成化模塊和開(kāi)發(fā)電源技術(shù)，使航空蓄電池野外充放電車(chē)的功率大、體積小、穩態(tài)精度高。通過(guò)在航空兵部隊的使用，證明移動(dòng)式綜合充放電設備具重要的經(jīng)濟和軍事效益。

關(guān)鍵詞：電子集成化模塊 開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 野外充放電車(chē)

航空蓄電池是航空兵部隊和民航機場(chǎng)飛機的地面啟動(dòng)、通電檢查、機載備份化學(xué)電源，在航空領(lǐng)域點(diǎn)有十分重要的地位。為了確保野外作戰機動(dòng)性和飛行安全并延長(cháng)蓄電池的壽命，必須有野外充電車(chē)作保障。目前航空蓄電池的種類(lèi)和型號繁多，蓄電池的充放電設備大多為固定式的形式。隨著(zhù)航空裝備和開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，對充放電設備的性能、充電效率、可靠性和可維修性提出了更高的要求，因此研制新型的充電車(chē)是極為重要的。航空蓄電池野外充放電車(chē)是根據國軍標GJB3855-99及航標HB6448的要求，將NKR55GLFAJ型汽車(chē)二類(lèi)底盤(pán)強化改裝，以24GF交流工頻發(fā)電機組為供電電源，集12個(gè)充電模塊的充電系統、8個(gè)放電模塊的放電系統和一個(gè)放電電阻箱為一體的移動(dòng)綜合充放電設備。

1 充放電車(chē)的設計

1.1 充放電車(chē)的功能

（1）具有良好的機動(dòng)性和適應野外作戰能力；

（2）具有自發(fā)電功能；

（3）可對各種酸、堿性航空蓄電池進(jìn)行智能充放電；

（4）充電設備具有軟啟動(dòng)和各種保護功能。

1.2 性能指標

（1）發(fā)電機組供電電源為三相四線(xiàn)制，380（1±10%）V/50Hz的線(xiàn)電壓不平衡度不大于5%；

（2）滿(mǎn)足6路堿性蓄電池的4路酸性蓄電池自動(dòng)充電，40V≤電壓≤60V、電流≤20A；

（3）滿(mǎn)足6路堿性蓄電池和4路酸性蓄電池自動(dòng)充電，20V≤電壓≤60V、電流≤20A；

（4）具有短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)充電、過(guò)放電和反極性等保護功能。

1.3 方案的設計

1.3.1 汽車(chē)二類(lèi)底盤(pán)的選型

為了使該車(chē)具有良好的改裝性能、可靠性、動(dòng)力性和經(jīng)濟性以適應航空兵部隊的要求，采用NKR55GLFAJ型汽車(chē)二類(lèi)底盤(pán)。經(jīng)計算驗證，整車(chē)質(zhì)量符合原車(chē)改裝要求。

1.3.2 發(fā)電機組的選型

發(fā)電機組是放電裝置的動(dòng)力源，機組主要由發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機及電氣控制屏等三部分組成。為了保證發(fā)電功率有一定的裕度，可靠性指標應達到或接近國際同類(lèi)產(chǎn)品的要求，同時(shí)應具有良好的環(huán)境適應能力，決定選用濰坊柴油機有限公司生產(chǎn)的24GF交流工頻發(fā)電機組。此機組可靠性高（MTBF≥1000h），廣泛適應于民航和軍事領(lǐng)域。

1.3.3 充電模塊的設計

野外充電車(chē)的充電系統由12個(gè)模塊的充電機組成，充電系統的結構圖如圖1所示。充電模塊采用高頻開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)和現代控制技術(shù)，充電模塊采用高頻開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)和現代控制技術(shù)，充電模塊主電路由整流濾波電路、高頻開(kāi)關(guān)功率變換電路和濾波電路組成。高頻開(kāi)關(guān)功率變換拓撲電路形式很多，主要有半橋、推挽、全橋和正激等拓撲結構形式。本充電模塊主電路選用了雙正激變換拓撲電路結構，其工作脈沖頻率為50Hz；相位相差180°；高頻變壓器選用鐵氧體材料，以減小高頻損耗；變比設計為5：1；兩套整流輸出電路采取并聯(lián)輸出形式，可提高輸出方波電壓的工作頻率，為開(kāi)關(guān)管工作頻率的2倍，有利于減小輸出平波電感體積和輸出電流脈動(dòng)量，提高穩流精度?？紤]到整流輸出電壓高的特點(diǎn)，主開(kāi)關(guān)管選用了900V的高速I(mǎi)GBT開(kāi)關(guān)器件，輸出平波電感選用鐵粉芯電感器。

1.3.4 放電模塊的設計

放電系統由8個(gè)放電模塊和一個(gè)放電電阻箱組成，放電系統的結構如圖2所示。配電系統與放電模塊提供單相控制電源，每個(gè)模塊可對一組蓄電池進(jìn)行放電，電流為0～20A任意設定值，所有的放電模塊輸出均接至放電電阻箱。

2 關(guān)鍵技術(shù)的解決

2.1 充電模塊中控制單元的雙環(huán)控制方式

控制單元是充電機的核心，其設計方案直接影響到整機性能。為提高控制精度和動(dòng)態(tài)響應速度以及進(jìn)一步提高系統的可靠性，控制單元采取了整有逐脈沖比較控制的雙閉環(huán)控制方式，其控制結構圖如圖3所示。在雙閉環(huán)控制系統中，外環(huán)的電流控制器采用了PID控制方式，以保證輸出電流的無(wú)靜差調節。內環(huán)的脈沖比較控制器完成將電流控制器的輸出直流信號轉換為脈沖寬度信號，并將該脈沖信號送至脈沖分配電路。脈沖分配電路將脈沖比較控制器送來(lái)的單路脈沖信號轉換為與4支主開(kāi)關(guān)管相對應的4路脈沖驅動(dòng)信號，經(jīng)驅動(dòng)電路隔離放大以驅動(dòng)主開(kāi)關(guān)管。脈沖分配電路在形成4路脈沖驅動(dòng)信號的同時(shí)，對最大脈沖占空比進(jìn)行限制。由于采用的是正激變換，根據變壓器伏秒特性要求，最大占空比Dmax應大于50%，本設計中，Dmax=45%。

2.2 自動(dòng)關(guān)機電路的實(shí)現

在蓄電池放電的后期階段，即當蓄電池達到額定容量時(shí)，充電機能自動(dòng)關(guān)機，以防止蓄電池過(guò)充電。關(guān)機控制電路由系統時(shí)鐘、分頻計時(shí)器、A/D變換器、dv/dt判斷電路、關(guān)機控制電路、基準電路和關(guān)機執行電路組成。其電路有兩種關(guān)機判斷依據，一種是檢測蓄電池端電壓的dv/dt變化量，另一種是定時(shí)關(guān)機。蓄電池端電壓的dv/dt變化量的檢測是通過(guò)對固定時(shí)間內兩次A/D采集到的數據進(jìn)行比較獲得，若偏差小于恒定值，即認蓄電池端電壓的dv/dt變化量不再變化。其目的是檢測蓄電池充電電壓數值和電壓變化率數值，確定最佳關(guān)機時(shí)機并實(shí)施關(guān)機。

2.3 系統抗干擾措施

為了提高系統的抗干擾能力，采用了以下措施：

（1）驅動(dòng)電路與IGBT柵射極接線(xiàn)長(cháng)度小于1m,而且使用雙絞線(xiàn)，以提高抗干擾能力。IGBT驅動(dòng)電路如圖4所示。

（2）為防止柵控信號振蕩及減小IGBT集電極電壓類(lèi)脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG的阻值。

（3）外接的兩個(gè)47μF電容是用來(lái)吸收由電源接線(xiàn)阻抗變化引起的電源波動(dòng)。

（4）對于外來(lái)空間的電磁干擾的抑制，采用了IGBT模塊和接口電路用封增長(cháng)金屬罩等位屏蔽層接地技術(shù)，對共模干擾、電磁或靜電干擾有較強的抑制作用。

將開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和現代控制技術(shù)應用于航空蓄電池野外充放電設備中，實(shí)驗結果表明：充放電模塊的魯棒性好，能適應外界條件的變化，有一定的抗干擾能力。此設備采用的電源技術(shù)先進(jìn)，機動(dòng)保障能力強，具有較高的軍事效益和經(jīng)濟效益。