航空蓄電池野外充放電車的設(shè)計與研制

摘要：航空蓄電池野外充放電車的設(shè)計與研制，采用電子集成化模塊和開發(fā)電源技術(shù)，使航空蓄電池野外充放電車的功率大、體積小、穩(wěn)態(tài)精度高。通過在航空兵部隊的使用，證明移動式綜合充放電設(shè)備具重要的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。

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

航空蓄電池是航空兵部隊和民航機(jī)場飛機(jī)的地面啟動、通電檢查、機(jī)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(zhàn)機(jī)動性和飛行安全并延長蓄電池的壽命，必須有野外充電車作保障。目前航空蓄電池的種類和型號繁多，蓄電池的充放電設(shè)備大多為固定式的形式。隨著航空裝備和開關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，對充放電設(shè)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是極為重要的。航空蓄電池野外充放電車是根據(jù)國軍標(biāo)GJB3855-99及航標(biāo)HB6448的要求，將NKR55GLFAJ型汽車二類底盤強(qiáng)化改裝，以24GF交流工頻發(fā)電機(jī)組為供電電源，集12個充電模塊的充電系統(tǒng)、8個放電模塊的放電系統(tǒng)和一個放電電阻箱為一體的移動綜合充放電設(shè)備。

1 充放電車的設(shè)計

1.1 充放電車的功能

（1）具有良好的機(jī)動性和適應(yīng)野外作戰(zhàn)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(shè)備具有軟啟動和各種保護(hù)功能。

1.2 性能指標(biāo)

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

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

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

（4）具有短路、過流、過壓、過充電、過放電和反極性等保護(hù)功能。

1.3 方案的設(shè)計

1.3.1 汽車二類底盤的選型

為了使該車具有良好的改裝性能、可靠性、動力性和經(jīng)濟(jì)性以適應(yīng)航空兵部隊的要求，采用NKR55GLFAJ型汽車二類底盤。經(jīng)計算驗證，整車質(zhì)量符合原車改裝要求。

1.3.2 發(fā)電機(jī)組的選型

發(fā)電機(jī)組是放電裝置的動力源，機(jī)組主要由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)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(biāo)應(yīng)達(dá)到或接近國際同類產(chǎn)品的要求，同時應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，決定選用濰坊柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的24GF交流工頻發(fā)電機(jī)組。此機(jī)組可靠性高（MTBF≥1000h），廣泛適應(yīng)于民航和軍事領(lǐng)域。

1.3.3 充電模塊的設(shè)計

野外充電車的充電系統(tǒng)由12個模塊的充電機(jī)組成，充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。充電模塊采用高頻開關(guān)功率變換技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，充電模塊采用高頻開關(guān)功率變換技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，充電模塊主電路由整流濾波電路、高頻開關(guān)功率變換電路和濾波電路組成。高頻開關(guān)功率變換拓?fù)潆娐沸问胶芏啵饕邪霕?、推挽、全橋和正激等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。本充電模塊主電路選用了雙正激變換拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，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(shè)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量，提高穩(wěn)流精度。考慮到整流輸出電壓高的特點(diǎn)，主開關(guān)管選用了900V的高速IGBT開關(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(shè)計

放電系統(tǒng)由8個放電模塊和一個放電電阻箱組成，放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。配電系統(tǒng)與放電模塊提供單相控制電源，每個模塊可對一組蓄電池進(jìn)行放電，電流為0～20A任意設(shè)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(jī)的核心，其設(shè)計方案直接影響到整機(jī)性能。為提高控制精度和動態(tài)響應(yīng)速度以及進(jìn)一步提高系統(tǒng)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)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靜差調(diào)節(jié)。內(nèi)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(zhuǎn)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的單路脈沖信號轉(zhuǎn)換為與4支主開關(guān)管相對應(yīng)的4路脈沖驅(qū)動信號，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大以驅(qū)動主開關(guān)管。脈沖分配電路在形成4路脈沖驅(qū)動信號的同時，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(jù)變壓器伏秒特性要求，最大占空比Dmax應(yīng)大于50%，本設(shè)計中，Dmax=45%。

2.2 自動關(guān)機(jī)電路的實現(xiàn)

在蓄電池放電的后期階段，即當(dāng)蓄電池達(dá)到額定容量時，充電機(jī)能自動關(guān)機(jī)，以防止蓄電池過充電。關(guān)機(jī)控制電路由系統(tǒng)時鐘、分頻計時器、A/D變換器、dv/dt判斷電路、關(guān)機(jī)控制電路、基準(zhǔn)電路和關(guān)機(jī)執(zhí)行電路組成。其電路有兩種關(guān)機(jī)判斷依據(jù)，一種是檢測蓄電池端電壓的dv/dt變化量，另一種是定時關(guān)機(jī)。蓄電池端電壓的dv/dt變化量的檢測是通過對固定時間內(nèi)兩次A/D采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較獲得，若偏差小于恒定值，即認(rèn)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(shù)值和電壓變化率數(shù)值，確定最佳關(guān)機(jī)時機(jī)并實施關(guān)機(jī)。

2.3 系統(tǒng)抗干擾措施

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用了以下措施：

（1）驅(qū)動電路與IGBT柵射極接線長度小于1m,而且使用雙絞線，以提高抗干擾能力。IGBT驅(qū)動電路如圖4所示。

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

（3）外接的兩個47μF電容是用來吸收由電源接線阻抗變化引起的電源波動。

（4）對于外來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(qiáng)的抑制作用。

將開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于航空蓄電池野外充放電設(shè)備中，實驗結(jié)果表明：充放電模塊的魯棒性好，能適應(yīng)外界條件的變化，有一定的抗干擾能力。此設(shè)備采用的電源技術(shù)先進(jìn)，機(jī)動保障能力強(qiáng)，具有較高的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。