容错航空蓄电池电源及其均衡管理
2018-05-21王友仁黄薛耿星徐智童陈则王
王友仁,黄薛,耿星,徐智童,陈则王
南京航空航天大学 自动化学院,南京 211106
航空蓄电池电源用于飞机引擎起动、飞行控制、通讯导航类机载电子设备的空中应急供电,以及飞机地面维护时供电,是飞机电源系统的重要组成部分,对飞机安全飞行和飞行任务完成起至关重要的作用[1]。
由于电池单体标称电压较低,需将多个电池单体串联使用以满足不同电压需求[2]。因电池组在使用过程中随时间反复充电和放电,每个电池单体显示出不同退化特性,尤其是一个或多个性能指标较差的电池比其他电池更快完成充电或放电。因此,性能指标较差的电池会制约整个电池组的工作循环寿命,甚至引发起火爆炸等严重安全事故[3]。
近年来,研究热点多集中于能量转移的均衡方式来解决单体电池不一致性。目前大多数能量均衡电路旨在实现主动均衡即使用各种储能元件和DC-DC变换器来实现组内各单体间能量转移。文献[4-5]提出变压器型主动均衡拓扑结构,采用单体电池端电压作为均衡变量实现能量从电池单体到电池单体的转移。文献[6]设计基于准谐振LC转换器和升压变换器的均衡拓扑结构,通过检测单体电池端电压进行电池组能量均衡管理。文献[7]利用变压器作为能量储存单元,通过检测每节单体电池的端电压估算其开路电压(OCV),再用OCV与荷电状态(SOC)关系曲线(假定所有单体电池是相同的)来估计单体电池SOC,实现单对单电池能量均衡转移。文献[8]提出了级联双级型电池储能系统均衡控制策略,通过检测电池组工作电流,利用安时积分法获得4个电池组SOC,实现能量均衡管理。然而,现有的能量均衡电路存在缺点有:① 能量均衡速度较低:因均衡电流小,能量转移速度有限,无法满足大电流情况下均衡要求;② 能量转移效率低:在化学能、电能的转换与搬移过程中会损失一定的能量;③缺少电池单体故障隔离能力:某个电池单体的失效会引起整个电池组电源停止工作,甚至安全事故。
现有电池组均衡控制策略有电池端电压均衡和SOC均衡。单体电池端电压容易测量、精度高,作为均衡准则参量能防止电池过充电和过放电,通过端电压一致性实现电池组能量均衡[9]。然而,随着电池性能退化,不同容量的电池端电压高低与电池剩余电量之间不一定是单调下降关系,将对电池组均衡效果有一定影响;以SOC作为均衡准则参量理论上可以更好实现电池组各单体电池能量均衡,逐步得到研究人员关注。目前SOC估算方法主要有安时积分法[10]、开路电压法和卡尔曼滤波法[11]等,而现有算法的SOC估计精度不够(工程上5%左右)、算法也复杂,且原则上需要电流传感器检测每一节单体电池工作电流、体积重量大与价格较高,要以SOC均衡准则参量实现可行有效的电池组能量均衡管理还有很大困难。需要根据具体应用需求研究高效的电池组能量均衡管理控制策略。
对故障失效电池进行重构隔离能实现蓄电池容错,根据电池重构拓扑结构的不同,可重构电池拓扑结构可分为3类:①开关阵列型拓扑结构[11-13]:开关阵列型中每节电池使用复杂的开关阵列,通过改变开关阵列的闭合方式实现电池组动态容错,使电池组可以在串联、并联或串并联混合模式下工作。这种拓扑结构缺点是使用开关数量多,充放电过程中开关电阻会造成少量功耗;②开关旁路型拓扑结构[14-16]:通过开关旁路的方法将失效电池旁路而不影响其他电池充放电。这种结构优点是开关数量大大减少,缺点是单体电池阵列级重构灵活性不足;③ DC-DC变换器型拓扑结构[17-21]:每节单体电池并联一个DC-DC模块,通过相应开关管理重构电池组,由DC-DC变换器构成的串联电路给负载供电。这种结构难点是需要根据负载功率、输出电压、电流实时修正控制信号,使得输出电压稳定并满足负载功率需求。
飞机蓄电池电源通常有可靠性与容错要求,目前飞机蓄电池电源无故障隔离能力,采用系统冗余备份方案的缺点是体积重量大、容错能力不高。目前有关蓄电池容错技术研究很少,对航空蓄电池容错及其均衡管理技术研究具有重要工程应用价值。
针对蓄电池组故障隔离与电池不一致性问题,本文提出一种容错航空蓄电池电源体系结构与均衡管理方法,开发了容错航空蓄电池电源原理样机,实验结果证明了所研究技术方案的可行性与先进性。
1 容错航空蓄电池电源
容错航空蓄电池电源系统主要通过检测电池端电压、工作电流、温度等信息对电池组进行容错控制与均衡管理。
1.1 容错蓄电池电源系统结构
采用22节电池组成容错航空蓄电池电源系统,其中2节电池为冗余备份电池,电源系统由可重构电池组、控制系统、DC-DC变换器等组成。控制系统选用意法半导体(STMicroelectronics)公司的STM32103系列MCU控制器,芯片型号为STM32F103VET6。系统结构图如图1所示,系统通过监测各电池单体状态能实时动态重构电池组连接方式。
图1 航空蓄电池容错电源系统结构图Fig.1 Structure of fault-tolerant battery power supply for aircraft
1.2 可重构电池组
1)重构控制拓扑
本文设计如图2所示的开关旁路型可重构控制电路拓扑结构。其中,每节电池连接两个MOSFET功率开关管,通过两个开关管控制电池单元旁路或使电池单元接入电池组。选用的功率管为IRFP054N型功率MOSFET,VDSS=55 V,ID=81 A。
图2 可重构电池控制电路拓扑Fig.2 Topology of control circuit for reconfigurable batteries
2)重构控制方式
在MOSFET关断瞬态过程中,工作电流可通过MOSFET的并联二极管流向其他电池,电池系统仍正常工作。图3为充电时电池旁路操作过程。图中的电池2(B2)为需要旁路的电池,图3(a)为S2a(与电池串联MOSFET)断开、S2b(与电池并联MOSFET)未闭合时充电电流流向图,从图中可以看出,当S2b未闭合时,电流经过S2a的体二极管流向其他电池。图3(b)为S2b闭合时电流流向图。
图4为放电时电池旁路过程电流流向图,先断开MOS管S2a,再闭合MOS管S2b。图4(a)
图3 电池旁路:充电电流流向图Fig.3 Battery cell bypass: Charge current flow
图4 电池旁路:放电电流流向图Fig.4 Battery cell bypass: Discharge current flow
为MOS管S2a断开、S2b未闭合时电流流向图,此时电流通过S2b的体二极管流向其他电池,图4(b)为MOS管S2a断开、S2b闭合时电流流向图。图中箭头表示电流流向。
1.3 电池电源容错控制
当电源系统中有故障电池时,通过可重构控制电路,旁路故障电池,接入冗余电池使电源系统继续工作;当故障电池数超过2节,系统中无冗余电池时,接入升压变换器,使电源继续向负载供电。
1)电池失效判断
航空电池组中若有电池单体性能退化严重、电池单体断路或短路、温度过高等将引发电池组不能正常工作。设计电池失效判定方法为
① 当电池单体可用容量低于额定容量80%。
② 电池单体电流为0(判断是否断路)或者电池单体内阻值接近0(判断是否短路)。
③ 在电池单体过度放电过程中,若出现电池端电压变为负值,则表明电池正负极发生“颠倒”。
④ 当电池单体内部出现局部短路等故障时,电池温度快速升高(如超过40 ℃),则容易引发热失控。
当满足以上任意一个判定条件时,就判定相应的电池单体失效。
2)有冗余电池的容错控制
图5为有冗余电池单体的容错控制方法示意图。假定电池2为故障电池,先断开与电池2串联的开关S2a′,再闭合与电池2并联的开关S2b′;然后接入冗余电池1,先断开与冗余电池并联的开关S1b,再闭合与冗余电池串联的开关S1a。
3)无可用冗余电池时容错控制
当系统中无冗余电池可用时,接入升压变换器继续为负载供电,延长电池电源放电时间。本文所设计的电池组电源额定电压为+24 V,最大输出电流为30 A,在充满电时最高输出电压为30 V。设计采用boost型升压变换器,输入电压范围为10~30 V、输出电压为+24 V,最大输入电流为30 A,升压变换器输入端连接蓄电池组、输出端连接电池电源输出端。图6为无可用冗余电池时的容错控制方法。
图5 有冗余电池时的容错控制方法Fig.5 Fault-tolerant control method for battery with redundant cells
图6 无可用冗余电池时的容错控制方法Fig.6 Fault-tolerant control method for battery without usable redundant cells
2 电池电源均衡管理
电池电源均衡管理分为充电均衡管理和放电均衡管理两种情况。电池均衡管理方法为:充电时旁路已达充电截止电压电池直至所有电池达到充电截止电压,使得每一节电池都能被充满电,提高电池组容量利用率;放电时依据“冒泡沉底”策略动态管理工作电池,将22节电池按照端电压数值从大到小排序,选取电池端电压排序靠前的20节电池给负载供电,排序最低2节电池作为冗余备份电池,避免性能较差电池出现过度放电情况,提高电池组能量利用率。
1)充电均衡管理
在充电过程中,实时检测22节电池单体的端电压,通过控制相应开关,旁路达到最大充电截止电压的电池单体而不影响其他电池单体的充电进程,直至所有电池单体达到充电截止电压。
2)放电均衡
在放电过程中,采用“冒泡沉底”动态均衡管理策略,对22节电池单体按照端电压大小进行冒泡排序,选取端电压相对最高的20节电池单体对负载供电,旁路电压相对最小的两节电池。实时监测电池电源状态,不断对全部电池单体的端电压进行排序,若出现新的最小电压电池单体,则旁路新的最小电压电池单体,再接入可用的冗余电池单体,使系统保持有20节电池工作。
当系统中没有可用的冗余电池单体时,若出现某电池单体达到最小放电截止电压时,暂时隔离该电池单体,可接入升压变换器维持系统继续工作。
3 容错电池电源系统开发
镍镉蓄电池具有抗震、寿命长、使用温度范围宽、性能稳定等优点,在航空领域应用广泛。本系统使用22节镍镉碱性蓄电池单体串联组成镍镉蓄电池组,开发了容错航空蓄电池电源系统原理样机。图7为容错航空电池电源实验平台结构图。
MCU控制器的功能是实时采集单体电池的电压、温度、充放电电流以及进行数据通信等,并根据电池组状态进行容错控制和均衡管理。图8为控制器组成结构图,其中SPI为串行外设接口,TIM为定时器,PWM为脉冲宽度调制,ADC为模拟/数字转换器,GPIO为通用输入输出接口,CAN为控制器区域网络,USART为通用同步/异步收发器,SWD表示串行单线调试口。图9为容错航空蓄电池电源及实验平台实物图。
图7 容错航空蓄电池电源实验平台结构图Fig.7 Structure of experimental platform for fault-tolerant aviation battery
图8 控制器组成结构图Fig.8 Diagram of structure of control module
图9 容错航空蓄电池电源及实验平台实物图Fig.9 Picture of real fault-tolerant aviation battery and its experiment platform
4 实验结果分析
实验对象为22节GNZ30镍镉电池组成的串联电池组,实验用22节电池中有6节电池是已使用两年的旧电池,有16节电池是已使用一年的旧电池,各个电池单体之间有很大的不一致性。
本实验分为两部分:① 电池电源容错实验,通过模拟电池短路和断路、电池组中串联容量小于80%的失效电池,验证系统容错能力;② 电池电源均衡管理实验,包括充电均衡实验和放电均衡实验。充电均衡实验时用标准0.2 C(即6 A)电流对电池组进行充电;放电均衡实验分别用恒流6 A和恒流5 A对电池组进行放电。通过均衡实验,分析动态均衡管理对电池组性能的影响,如电压极差、充放电时间、充入电量以及放出电量。
4.1 电池电源容错实验
容错实验包括:充电时单体电池容错实验、放电时单体电池容错实验。电池组中第14号电池为容量小于额定容量80%的使用3年的失效电池,第3号电池模拟电池短路,第7号电池模拟电池断路。
1) 充电时单体电池容错实验
如图10(a)所示,在第180 s,系统检测到第14号电池容量小于额定容量的80%,则隔离第14号电池;在第1 784 s时,第3号电池外部短路,隔离第3号电池;在第2 214 s时,第7号电池断路,为使电池断路时电池组有容错策略与电池组无容错策略实验现象进行对比,断路实验持续60 s。图10(b)为电池失效时,电池组充电电流变化曲线图。从图10(b)可看出,电池组中单体电池断路时,整个电池组断路,在第2 274 s时,断路电池被旁路,其他电池重新连接,电池组继续充电。
图10 充电时电池组容错实验Fig.10 Fault-tolerance experiment of battery during charging
2) 放电时单体电池容错实验
使用第11号、第12号电池为冗余备份电池。如图11(a)所示,在第180 s时,系统检测到第14号电池容量小于额定容量80%,则旁路第14号电池,系统接入第11号冗余备份电池;在第3 324 s时,第3号电池短路,则旁路第3号电池,接入第22号冗余备份电池;在第4 079 s时,第7号电池断路,旁路第7号电池,此时系统中无冗余备份电池,则系统接入升压变换器。
图11(b)为接入升压变换器后电池组单体电池端电压变化曲线图,接入升压变换器后各电池端电压下降速度加快。图11(c)为接入升压变换器前后的电池组放电电流变化曲线图。可以看出系统在接入升压变换器之前,电池放电电流为恒流6 A。由于冗余电池已经用完,在第4 079 s时7号电池单体失效系统容错重构接入升压变换器,维持电池电源的输出电压与输出电流不变,则电池组放电电流增加。
总之,当电池单体失效时系统能够接入冗余电池,当无冗余电池时接入升压变换器使得系统维持输出电压连续供电,系统具有故障隔离能力。
图11 放电时电池组容错实验Fig.11 Fault-tolerance experiment of battery during discharging
4.2 电池电源均衡管理实验
1) 充电均衡管理
电池电源充电均衡实验包括:22节电池组的无均衡管理实验、单次均衡管理实验和循环均衡管理实验。实验结果如图12所示。
由图12可知,电池组未均衡管理充电结束时,各电池单体的最大电压极差是196 mV,充电时间为3 060 s,电池组充入电量112.2 A·h。各电池单体间不一致性大,蓄电池组能量利用率低;第一次充电均衡管理结束时,各电池电压极差为10 mV,充电时间为5 480 s,电池组充入总电量161.764 A·h,第8次充电循环均衡管理结束时,各电池电压极差为10 mV,充电时间为6 335 s,电池组充入总电量为189.444 A·h。第8次循环均衡相较于未均衡管理时电池组多充入电量77.244 A·h。
图12 充电均衡管理时单体电池端电压变化图Fig.12 Diagram of voltages of battery cells in charging equalization management
图13为有无充电均衡管理时各电池单体充入电量对比图。由图13可知,随着循环均衡管理次数的增加,电池组整体存储电量增加。
图13 有无充电均衡管理时电池单体充入电量对比图Fig.13 Comparison of electric quantity of battery cells with and without charging equalization management methods
2) 放电均衡管理
电池组充电后使电池静置2 h再进行放电均衡管理实验。电池电源放电均衡管理实验包括3种情况:无均衡管理、放电截止电压均衡管理(指电池组中某节弱电池达到放电截止电压时进行均衡管理)、动态均衡管理。分析比较3种情况下放电时间、电池组端电压变化情况。图14(a)为无均衡管理的单体电池放电电压变化曲线图,图14(b)为放电截止电压均衡管理的单体电池放电电压变化曲线图,图14(c)为动态均衡管理的电梯电池端电压变化曲线图。
图14 放电均衡管理时电池单体端电压变化图Fig.14 Diagram of battery cells voltages in discharge equalization management
由图14可知,在无均衡管理时,系统停止放电时各电池单体电压极差为265 mV,系统放电时间为3 529 s,放出总电量为117.63 A·h;放电截止电压均衡管理时,系统放电时间为4 079 s,各电池单体电压极差为242 mV(不含冗余电池),系统放出电量为136.8 A·h;动态均衡管理时,系统停止放电时各电池单体电压极差为200 mV,系统放电时间为5 239 s,系统放出电量为177.448 2 A·h;加入升压变换器后,系统停止放电时各电池单体电压极差为108 mV,系统放电时间为5 274 s,系统放出电量为177.556 2 A·h。因此,有均衡管理电池系统与无均衡管理电池系统相比,放电时间延长1 745 s,可用容量提高50.94%;与放电截止电压均衡管理管理电池系统相比,放电时间延长1 170 s,可用容量提高29.79%。
图15为第19节电池单体未均衡和均衡管理的端电压变化图。由图可知,当第19号电池电压达到1 200 mV时放电速度加快,在采用主动均衡管理后,当第19号电池电压在电池组中电压最小时,重构旁路第19号电池,使之暂时不工作,以延长第三节电池的寿命,并使系统放电时间延长1 665 s,系统放出电量增长47.18%。
图15 有无均衡管理时第19号电池端电压变化对比Fig.15 Comparison of battery cell No.19 with and without equalization management
3) 5 A恒流放电均衡
为了比较不同放电电流下电池电源均衡管理效果,本次实验再选用5 A电流对电池组放电,图16为5 A电流放电时各电池单体端电压变化曲线。图17为在不同状态下单体电池放出电量对比图。在5 A放电时采用均衡管理的电池组放出总电量为177.556 2 A·h,在6 A放电时均衡管理电池组放出总电量为176.700 6 A·h。在5 A和6 A放电时,各电池单体放出电量差不多,6 A单体电池放电量比5 A多 0.855 6 A·h,则均衡控制策略可适用于不同放电电流。
图16 采用均衡管理的5 A恒流放电时各电池单体电压变化图Fig.16 Voltage variation curves of battery cells in the case of 5 A constant current discharge with equalization management
图17 在6 A放电未均衡管理、5 A与6 A放电均衡管理时电池单体放出电量对比图Fig.17 Comparison of discharged electric quantity of battery cells in discharge of 6 A without equalization management, and discharge of 5 A and 6 A with equalization management
5 结 论
1)提出一种容错航空电池电源系统方案
针对航空电池电源故障隔离问题,提出基于动态重构控制的航空蓄电池电源容错系统方案,以提高电池电源可靠性、安全性与容错能力,系统容错次数与增加的冗余电池数量相等,容错重构控制时间小于0.1 μs。新系统方案也为实施新型电池电源均衡管理提供了支撑。
2)提出一种新型电池电源均衡管理方法
针对现有的蓄电池能量均衡管理的缺点,为了解决电池组中电池单体之间不一致性难题,采用一种基于动态重构的主动电池均衡管理方法。
① 通过充电均衡管理实验可知,对于有很大不一致性的电池组,可以使每节电池单体达到充电截止电压,电池组充电截止时,各个电池单体之间的最大端电压极差为10 mV,相较于未均衡前减少了94.9%,充入电量提高79.1%。通过循环均衡实验可知,随着电池循环充放电均衡管理次数的增加,电池组整体存储电量增加。
② 由放电时动态均衡管理实验可知,系统停止放电时各电池端电压极差为108 mV,放电时间为5 274 s。相较于未均衡管理前,各电池单体电压极差减少59.25%,可用容量提高50.94%。
若要求放电均衡管理时各个电池单体的端电压差越小(对应电池动态重构控制电压阈值设置小),则电池单体动态重构就越频繁。
③ 基于动态重构的电池电源均衡管理方法适用于充放电工作大电流情况下的蓄电池快速均衡管理,无均衡能量损失,无需额外的均衡电路,能延长电池单体与蓄电池组的使用寿命。
参 考 文 献
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