航空蓄電池在線檢測技術研究

1 引言

現(xiàn)代飛機由常規(guī)配電、遙控配電發(fā)展到自動配電，由飛機電氣負載管理系統(tǒng)（ELMS-Electric Load Management System）對飛機電源匯流條、負載匯流條、配電裝置等進行檢測、控制、管理和故障診斷。ELMS由多個電氣負載管理中心（ELMC-Electric Load Management Center）通過總線（主要有ARINC429、ARINC629、MIL-STD-1553B等）組成網絡，具有完善的機內自測試（BIT： Built In Test）功能。
1553B總線是在70年代末為適應飛機的發(fā)展由美國提出的飛機內部電子系統(tǒng)聯(lián)網的標準，由于它的高可靠性和靈活性而得到了廣泛的應用，它是一種強調實時性和可靠性的計算機局域網絡系統(tǒng)。[1]
為某型飛機研制的ELMS系統(tǒng)主機為兩臺互為備份的電源系統(tǒng)處理機（PSP- Power　Source Processor）,另有6臺計算機作為節(jié)點，分別編號為ELMC1~ELMC6，采用1553B總線。[2]
該飛機上用25AH鎘鎳航空蓄電池組作為應急電源和起動電源。該蓄電池組由20個鎘鎳全燒結式堿性蓄電池用鍍鎳銅質跨接板串聯(lián)組合在鋼制組合箱內構成，在環(huán)境溫度為25±10℃范圍內，按規(guī)定充電制充電后，可在高空18000米、-10℃~+50℃環(huán)境溫度下使用。
對全機電氣系統(tǒng)分析、研究表明，該蓄電池在機上有以下三種狀態(tài)：
1） 浮充狀態(tài)：由于在備用狀態(tài)下有自放電特性，蓄電池接在飛機匯流條上必然會有幾十毫安的充電電流流入，使得蓄電池始終處于充滿電的狀態(tài)。但長期浮充會產生記憶效應，使容量下降。
2）放電：蓄電池向外供電，供電電流取決于負載的大小，放電狀態(tài)下蓄電池的電壓、電壓下降率、安時數(shù)和溫升是表征蓄電池性能狀態(tài)的主要參數(shù)。在起動發(fā)動機時，蓄電池以10~20倍率（每倍率為25安培）放電，放電終止電壓為16--14V，放電時間不超過3分鐘；應急電源用電時，可以以2--5倍率的電流放電，放電終止電壓為20V，放電時間不超過25分鐘。
3） 均充狀態(tài)：均衡充電也叫過充電。在長期浮充或放電之后，蓄電池應按一定的充電曲線進行充電。均充電壓、電壓上升率和安時數(shù)都是衡量蓄電池性能指標的重要參數(shù)。
蓄電池在機上是直接與直流應急匯流條相連，蓄電池的好壞，直接影響到飛機的起動、應急供電，因此對蓄電池的監(jiān)測必不可少。民用的蓄電池的檢測有很多研究，[3]航空蓄電池檢測在線檢測的研究比較少。自動配電系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)和遙控配電系統(tǒng)之處在于它由計算機進行檢測、管理，因此也有條件對蓄電池進行在線檢測和管理。[4][5]

2 硬件電路結構

該型飛機直流供電系統(tǒng)由左、右兩個通道組成，以下僅以左通道為例。該通道中蓄電池、變壓整流器、直流應急匯流條的連接如圖1所示，由3號電氣負載管理中心ELMC3進行管理。ELMC3由內部電源板、輸入輸出接口板、微機板、 1553B總線板、母板共5塊印刷線路板組成。

圖1蓄電池連接主電路
蓄電池連接接觸器（BTC1：Battery Tie Contactor No.1）閉合時蓄電池向直流應急匯流條供電，因此對BTC1的控制應能滿足起動和工作的要求，即：初始起動時，手動控制BTC1閉合，使蓄電池向直流應急匯流條供電，讓（ELMC3）得到直流電工作；正常運行時，ELMC3可以控制BTC1；關機時，可以手動斷開BTC1使蓄電池脫離電網。為了滿足這幾個要求，BTC1的控制電路應設計為圖2所示。

圖2BTC1的控制電路
BTK1為動力控制板上的蓄電池控制開關，不能自鎖；中間繼電器KA1在ELMC3內的接口電路板上，它的常開觸點與BTK1并聯(lián)。系統(tǒng)工作前，直流應急匯流條沒電，ELMC3沒有工作，操作人員接通BTK1，則蓄電池的+端、BTC1線圈、BTK1構成通路，BTC1接觸器線圈通電，其常開觸點1-2 閉合，蓄電池向直流應急匯流條供電，ELMC3得電工作。
ELMC3對蓄電池的參數(shù)進行檢測，檢測內容和方法有：
蓄電池電壓檢測：檢測蓄電池輸出端對地的電壓；檢測中心點即十個單體的對地電壓；
蓄電池輸出電流的檢測：利用電流采樣電阻R1將電流信號變換成電壓信號。放電時該信號為正，充電時該信號為負，ELMC3中的A/D轉換輸入電壓范圍為0—+5V，因此信號變換電路應起到整流的作用，且能讓ELMC3識別電流的方向。信號變換電路如圖3所示。運放U2:A將反映電流大小的電壓信號進行放大得到Ibat1-2，輸出到微機的P0.1口,U2:B將Ibat1-2 反向得到Ibat1-1輸出到P0.0口,P0.0、P0.1口輸入都接有高、低電平鉗位二極管。參數(shù)選取：R3=R4=10KΩ，C1=0.1μF, Z1取5.1V的穩(wěn)壓管。
圖3　電流信號變換電路
蓄電池的溫度檢測：在蓄電池箱內埋設一個溫度傳感器，其信號直接輸出到ELMC3中；
蓄電池的輸入、輸出容量的檢測：蓄電池的容量的單位為安時，在不同的溫度、不同的充放電電流下，蓄電池可以充入或放出的能量是不一樣的。蓄電池在上機之前必須充滿電到25AH，正常工作以后充入或放出的能量可以通過電流對時間的積分得到，但是由于蓄電池通過不同的電流放電其能放出的能量是不一樣的，只能近似計算出蓄電池還剩多少容量。蓄電池剩余的容量：

圖4微機電路
蓄電池放電狀態(tài)的判別：通過蓄電池在不同的放電電流下的放電終止電壓來判別蓄電池放電是否應該結束。
微機系統(tǒng)（如圖4）是以80C196KB單片機為CPU ，該單片機運行速度快，內部集成度高，片內帶有8路11位A/D轉換器（P0.0~P0.7口），有高速輸入、高速輸出口。數(shù)據驅動、地址鎖存電路分別采用54LS245、54LS373芯片完成，由54LS138進行地址譯碼。
需要檢測的量經過信號調理電路變換后成為微機可以接受的模擬量，有的輸送到多路開關進行選通后輸入到CPU的A/D轉換器內,有的直接輸入到CPU的A/D轉換器內。

3　軟件設計

蓄電池的性能可分為正常、異常和故障。軟件中根據檢測到的數(shù)據對這些狀態(tài)進行判別。
異常運行特征：應急時蓄電池放電容量過大，剩余容量過??；溫度過高；使用容量下降；
故障狀態(tài)特征：蓄電池端電壓Ubat≠Uhalf；在一定的放電電流情況下放電終止電壓過低；放電電壓下降率過大。
ELMC3還對其本身、變壓整流器、BTC1、MLC1進行監(jiān)測和故障診斷，將檢測到的數(shù)據存儲起來，并向PSP1發(fā)送這些數(shù)據。
軟件采用8096匯編語言編寫，模塊化結構設計。主要流程如圖5。

圖5主要流程圖
4 結語

系統(tǒng)聯(lián)試結果表明，對蓄電池的檢測、控制和系統(tǒng)通訊功能正確，能符合要求。在電流檢測中，當以大電流放電（如作起動電源時）作為滿量程考慮時，小電流浮充時檢測誤差相對較大?？梢钥紤]用兩套檢測電路解決這一問題，本文不再對此進行討論。
參考文獻

[1] Aircraft Internal Time Division Command/Response Multiplex Data Bus,MIL-STD-1553B USAF,1986
[2] 傅大豐,楊善水等，先進飛機自動配電管理系統(tǒng)電氣負載管理技術的研究，南京航空航天大學學報，2002。NO1；
[3] 張志剛等.高速蓄電池自動測速系統(tǒng)的研究.電源世界.2000年4月.23-25。
[4] Yang Shanshui，A NOVEL AERONAUTICAL ELECTRICAL POWER DISTRIBUTION SYSTEM BASED ON THE DISTRIBUTED COMPUTER SYSTEM，Trans. Of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Vol.18 No.2;
[5] 嚴仰光等.民航飛機供電系統(tǒng).航空工業(yè)出版社.1998年1月.15-21。