航空蓄电池野外充放电车的设计与研制

    摘要：航空蓄电池野外充放电车的设计与研制，采用电子集成化模块和开发电源技术，使航空蓄电池野外充放电车的功率大、体积小、稳态精度高。通过在航空兵部队的使用，证明移动式综合充放电设备具重要的经济和军事效益。

    关键词：电子集成化模块 开关电源技术 野外充放电车

航空蓄电池是航空兵部队和民航机场飞机的地面启动、通电检查、机载备份化学电源，在航空领域点有十分重要的地位。为了确保野外作战机动性和飞行安全并延长蓄电池的寿命，必须有野外充电车作保障。目前航空蓄电池的种类和型号繁多，蓄电池的充放电设备大多为固定式的形式。随着航空装备和开关电源技术的飞速发展，对充放电设备的性能、充电效率、可靠性和可维修性提出了更高的要求，因此研制新型的充电车是极为重要的。航空蓄电池野外充放电车是根据国军标GJB3855-99及航标HB6448的要求，将NKR55GLFAJ型汽车二类底盘强化改装，以24GF交流工频发电机组为供电电源，集12个充电模块的充电系统、8个放电模块的放电系统和一个放电电阻箱为一体的移动综合充放电设备。

1 充放电车的设计

1.1 充放电车的功能

（1）具有良好的机动性和适应野外作战能力；

（2）具有自发电功能；

（3）可对各种酸、碱性航空蓄电池进行智能充放电；

（4）充电设备具有软启动和各种保护功能。

1.2 性能指标

（1）发电机组供电电源为三相四线制，380（1±10%）V/50Hz的线电压不平衡度不大于5%；

（2）满足6路碱性蓄电池的4路酸性蓄电池自动充电，40V≤电压≤60V、电流≤20A；

（3）满足6路碱性蓄电池和4路酸性蓄电池自动充电，20V≤电压≤60V、电流≤20A；

（4）具有短路、过流、过压、过充电、过放电和反极性等保护功能。

    1.3 方案的设计

1.3.1 汽车二类底盘的选型

为了使该车具有良好的改装性能、可靠性、动力性和经济性以适应航空兵部队的要求，采用NKR55GLFAJ型汽车二类底盘。经计算验证，整车质量符合原车改装要求。

1.3.2 发电机组的选型

发电机组是放电装置的动力源，机组主要由发动机、发电机及电气控制屏等三部分组成。为了保证发电功率有一定的裕度，可靠性指标应达到或接近国际同类产品的要求，同时应具有良好的环境适应能力，决定选用潍坊柴油机有限公司生产的24GF交流工频发电机组。此机组可靠性高（MTBF≥1000h），广泛适应于民航和军事领域。

1.3.3 充电模块的设计

野外充电车的充电系统由12个模块的充电机组成，充电系统的结构图如图1所示。充电模块采用高频开关功率变换技术和现代控制技术，充电模块采用高频开关功率变换技术和现代控制技术，充电模块主电路由整流滤波电路、高频开关功率变换电路和滤波电路组成。高频开关功率变换拓扑电路形式很多，主要有半桥、推挽、全桥和正激等拓扑结构形式。本充电模块主电路选用了双正激变换拓扑电路结构，其工作脉冲频率为50Hz；相位相差180°；高频变压器选用铁氧体材料，以减小高频损耗；变比设计为5：1；两套整流输出电路采取并联输出形式，可提高输出方波电压的工作频率，为开关管工作频率的2倍，有利于减小输出平波电感体积和输出电流脉动量，提高稳流精度。考虑到整流输出电压高的特点，主开关管选用了900V的高速IGBT开关器件，输出平波电感选用铁粉芯电感器。

    1.3.4 放电模块的设计

放电系统由8个放电模块和一个放电电阻箱组成，放电系统的结构如图2所示。配电系统与放电模块提供单相控制电源，每个模块可对一组蓄电池进行放电，电流为0～20A任意设定值，所有的放电模块输出均接至放电电阻箱。

2 关键技术的解决

2.1 充电模块中控制单元的双环控制方式

控制单元是充电机的核心，其设计方案直接影响到整机性能。为提高控制精度和动态响应速度以及进一步提高系统的可靠性，控制单元采取了整有逐脉冲比较控制的双闭环控制方式，其控制结构图如图3所示。在双闭环控制系统中，外环的电流控制器采用了PID控制方式，以保证输出电流的无静差调节。内环的脉冲比较控制器完成将电流控制器的输出直流信号转换为脉冲宽度信号，并将该脉冲信号送至脉冲分配电路。脉冲分配电路将脉冲比较控制器送来的单路脉冲信号转换为与4支主开关管相对应的4路脉冲驱动信号，经驱动电路隔离放大以驱动主开关管。脉冲分配电路在形成4路脉冲驱动信号的同时，对最大脉冲占空比进行限制。由于采用的是正激变换，根据变压器伏秒特性要求，最大占空比Dmax应大于50%，本设计中，Dmax=45%。

2.2 自动关机电路的实现

在蓄电池放电的后期阶段，即当蓄电池达到额定容量时，充电机能自动关机，以防止蓄电池过充电。关机控制电路由系统时钟、分频计时器、A/D变换器、dv/dt判断电路、关机控制电路、基准电路和关机执行电路组成。其电路有两种关机判断依据，一种是检测蓄电池端电压的dv/dt变化量，另一种是定时关机。蓄电池端电压的dv/dt变化量的检测是通过对固定时间内两次A/D采集到的数据进行比较获得，若偏差小于恒定值，即认蓄电池端电压的dv/dt变化量不再变化。其目的是检测蓄电池充电电压数值和电压变化率数值，确定最佳关机时机并实施关机。

    2.3 系统抗干扰措施

为了提高系统的抗干扰能力，采用了以下措施：

（1）驱动电路与IGBT栅射极接线长度小于1m,而且使用双绞线，以提高抗干扰能力。IGBT驱动电路如图4所示。

（2）为防止栅控信号振荡及减小IGBT集电极电压类脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG的阻值。

（3）外接的两个47μF电容是用来吸收由电源接线阻抗变化引起的电源波动。

（4）对于外来空间的电磁干扰的抑制，采用了IGBT模块和接口电路用封增长金属罩等位屏蔽层接地技术，对共模干扰、电磁或静电干扰有较强的抑制作用。

将开关电源技术和现代控制技术应用于航空蓄电池野外充放电设备中，实验结果表明：充放电模块的鲁棒性好，能适应外界条件的变化，有一定的抗干扰能力。此设备采用的电源技术先进，机动保障能力强，具有较高的军事效益和经济效益。