航空蓄電池野外充放電車的設計與研制
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
摘要：航空蓄電池野外充放電車的設計與研制，采用電子集成化模塊和開發(fā)電源技術，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備具重要的經(jīng)濟和軍事效益。
關鍵詞：電子集成化模塊 開關電源技術 野外充放電車
航空蓄電池是航空兵部隊和民航機場飛機的地面啟動、通電檢查、機載備份化學電源，在航空領域點有十分重要的地位。為了確保野外作戰(zhàn)機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，蓄電池的充放電設備大多為固定式的形式。隨著航空裝備和開關電源技術的飛速發(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是極為重要的。航空蓄電池野外充放電車是根據(jù)國軍標GJB3855-99及航標HB6448的要求，將NKR55GLFAJ型汽車二類底盤強化改裝，以24GF交流工頻發(fā)電機組為供電電源，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備。
1 充放電車的設計
1.1 充放電車的功能
（1）具有良好的機動性和適應野外作戰(zhàn)能力；
（2）具有自發(fā)電功能；
（3）可對各種酸、堿性航空蓄電池進行智能充放電；
（4）充電設備具有軟啟動和各種保護功能。
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功能。
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)濟性以適應航空兵部隊的要求，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)電機組的選型
發(fā)電機組是放電裝置的動力源，機組主要由發(fā)動機、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產(chǎn)品的要求，同時應具有良好的環(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域。
1.3.3 充電模塊的設計
野外充電車的充電系統(tǒng)由12個模塊的充電機組成，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功率變換技術和現(xiàn)代控制技術，充電模塊采用高頻開關功率變換技術和現(xiàn)代控制技術，充電模塊主電路由整流濾波電路、高頻開關功率變換電路和濾波電路組成。高頻開關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(jié)構(gòu)形式。本充電模塊主電路選用了雙正激變換拓撲電路結(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?？紤]到整流輸出電壓高的特點，主開關管選用了900V的高速IGBT開關器件，輸出平波電感選用鐵粉芯電感器。
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 關鍵技術的解決
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態(tài)響應速度以及進一步提高系統(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支主開關管相對應的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應大于50%，本設計中，Dmax=45%。
2.2 自動關機電路的實現(xiàn)
在蓄電池放電的后期階段，即當蓄電池達到額定容量時，充電機能自動關機，以防止蓄電池過充電。關機控制電路由系統(tǒng)時鐘、分頻計時器、A/D變換器、dv/dt判斷電路、關機控制電路、基準電路和關機執(zhí)行電路組成。其電路有兩種關機判斷依據(jù)，一種是檢測蓄電池端電壓的dv/dt變化量，另一種是定時關機。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(shù)值和電壓變化率數(shù)值，確定最佳關機時機并實施關機。
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，對共模干擾、電磁或靜電干擾有較強的抑制作用。
將開關電源技術和現(xiàn)代控制技術應用于航空蓄電池野外充放電設備中，實驗結(jié)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先進，機動保障能力強，具有較高的軍事效益和經(jīng)濟效益。
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