基于有载分接开关协调的主动配电网电压控制研究

郑斌 袁文海 董小顺 马海军 徐雅新 李翔

摘 要：针对传统的通用飞机铅酸蓄电池测试方法精度低、工序繁杂等问题，提出了基于LabVIEW的通用飞机铅酸蓄电池测试系统设计方案。通过不同传感器多点采集蓄電池信息，利用独立式采集卡与工控机，实现对蓄电池充放电数据采集和处理。利用LabVIEW软件，完成模块驱动程序的设计，通过记录分析电压、电流等数据的变化，可以图形化直观展示蓄电池的工作状况，实现对蓄电池的自动精确测试，提高了测试效率和精度。

关键词：铅酸蓄电池;LabVIEW;测试系统

中图分类号：V271.4      文献标识码：A

近年来我国通用航空事业快速发展，铅酸蓄电池因其技术成熟、成本低、安全可靠等优点，被广泛应用于通航中小型飞机上作为应急电源使用，当飞机在飞行中出现主电源故障的情况下，由蓄电池向重要机载设备供电，因此蓄电池的供电质量将直接影响到飞行安全[1-2]。在传统的维护工作中，对蓄电池的测试是通过手动方式进行检测，人工读取仪表测试数据，依据维护手册人为判断蓄电池性能是否正常，传统测试方式存在以下几个问题：第一，测试工序复杂。单组蓄电池充放电长达数个小时，蓄电池测试过程中，机务维护人员需多次使用仪表监控蓄电池参数变化。第二，测量成本高。随着飞行训练量增大，蓄电池使用数量和次数增加，对多组蓄电池同时进行测量，需配备充足的仪器仪表和维护人员，进而蓄电池维护成本增加。第三，精确度差。利用传统仪表测量蓄电池不同时段的充放电数据，测试结果误差较大[3]。

基于虚拟仪器技术本研究设计了一种通用飞机铅酸蓄电池测试系统，利用LabVIEW软件设计所需要的仪器模块，自动采集所需参数对蓄电池进行测试，采用图形化的软面板替代传统的控制面板，控制部件替代功能等效的实际仪器，能够对铅酸蓄电池进行较高精度的测试，并提高测试效率。

1 蓄电池测试系统整体设计

通用飞机铅酸蓄电池测试系统的硬件部分利用电压、电流、温度等传感器采集输出电压、电流信号和电解液的温度信号，经信号调理模块和CompactDAQ数据采集卡对蓄电池充放电数据进行采集和处理，最后由工控机完成数据存储、分析。软件部分基于LabVIEW软件完成模块程序的设计，测试数据的变化，实现结果的输出。蓄电池测试系统结构框图如图1所示。

2 测试系统的硬件设计

蓄电池测试系统的硬件部分由传感器模块、信号调理模块、测控机模块等组成。

传感器模块由温度传感器、电压电流传感器等部分构成，实现了由温度及电压电流等模拟信号经调理模块处理后传递给采集卡的功能。其中，该测试系统选用铂电阻PT100型温度传感器，将其接线端与信号调理电路、计算机设备连接，易于操作且精确度高，可实现温度测试和数据输出一体化，提高系统抗干扰能力。

信号调理电路主要是将模拟信号经传感器组转换后，通过信号调理模块进行放大、滤波等处理，转换为数据采集卡可识别的信号量，可实现信号的隔离传输，具有抗干扰和保证系统稳定运行的特点。信号调理电路图如图2所示。

经电阻R7和R9分流，R4是可调变阻器，随着温度的变化其阻值发生变化，即输入信号的变化调节运算放大器的衰减程度，最终得到0-3 V的电压信号。传感器输出的信号有噪声信号，对随后的放大电路产生不利影响，调理电路内部设计的C1、C2、C3、C4、C5等电容实现滤波功能，提高信噪比，促使调幅信号趋于稳定。

该测试系统选择的接口是NI公司研发的CompactDAQ数据采集卡，该数据采集卡可提高计算机的数据处理能力，空间占有率小。依靠数据采集模块，利用通道索引采集相关信号，数据结果在虚拟仪表的前面板上显示，最后进行数据的存储。本设计方案选用3个采集通道，各采集通道信息参数如表1所示。

工控机作为测控计算机，控制着整个检测过程，是测试系统的核心。工控机通过数据采集卡对电流、电压信号进行获取，使用LabVIEW软件进行数据处理和结果分析，直观地表示出蓄电池的参数和性能指标。

3 测试系统的软件设计

该测试系统软件设计是采用LabVIEW软件作为开发平台编写[4-5]，将虚拟仪器运用到蓄电池测试中，利于系统修改，保证了测试精度，增强了测试系统的可维护性及可扩展性。本测试系统软件工作流程图如图3所示。

LabVIEW软件具有丰富的图形环境和强大的函数库，该测试系统的前面板设计了温度、电压电流和停止三类开关，用以采集温度、电压、电流的数据。除开关外，前面板还设置了温度计、温度报警灯、电压报警灯、电压波形图、电压采样频率等。根据机务维修手册，系统运行期间蓄电池的充放电温度不高于43.3 ℃;否则，蓄电池热量过高导致电解液中水分大量缺失，降低蓄电池寿命。夏季时，蓄电池应放于凉水中做降温处理。温度模块设计图如图4所示。

新建VI选项，进入编写程序界面，在程序框图中编写所需程序。程序框图的最外层是一个while循环，循环停止条件连接停止按键，循环次数不设置。while循环结构的内部，嵌套结构使用事件结构，共包含4个事件分支。其中，事件0是“超时事件”创建常量设置为“-1”，表示永不超时。事件1为“充电测量电压事件”，用于测量蓄电池的充电阶段。事件2为“放电测量电压事件”，测量蓄电池的放电阶段。事件3设置为“停止按钮事件”，测量结束后停止正在运行的VI程序。

蓄电池充电阶段分为两个阶段。首先构建事件结构，观察充电器的电压是否达到33 V，采用2 A的恒定电流进行充电，充电电压升至33 V，充电电压灯亮起后持续充电一小时，充电第一阶段完成。

第二阶段采用恒为1 A的电流对蓄电池进行充电，若输出电压的数值连续3小时保持恒定不变，表明比重数连续三小时稳定在同一数值，蓄电池视为充电完成。充电阶段局部程序图如图5所示。

蓄电池的放电测试需遵循“先充后放”的原则。放电测试根据电池的新旧情况进行不同时间段的测量。装机未超过一年的蓄电池，需进行每3个月一次復充，每6个月一次放电测试;使用超过一年的蓄电池，则进行每3个月一次放电测试，保证蓄电池容量稳定在80%以上[6]。

蓄电池放电采用恒流放电方式，放电电压设置不低于20 V，若放电时间大于48分钟，表明该电瓶容量大于80%，电瓶正常。若放电时间小于48分钟，则进行第二次测量。若连续两次测得蓄电池放电时间均小于48 min，该蓄电池不可再装机使用，应进行报废处理。放电阶段局部程序图如图6所示。

4 实验测试及结果分析

本系统将硬件测试部分与电源、测控机连接，通过设计蓄电池测试系统交互界面，进行数据采集，并实时显示测试结果。与传统人工测试方式相比，可对蓄电池的充放电过程进行自动测试，提高测试精度和效率。

4.1 充电过程与结果分析

充电阶段进行前，检查电解液的液面高度，满足其高于极板顶部方可操作，保持充电环境在通风良好的状态下进行。

接通充电模块开关和温度测量开关，若测得蓄电池温度不高于43.3 ℃，自动跳转至下一步事件;若测得蓄电池温度高于43.3 ℃，则前面板上温度报警灯亮起，关闭测试系统。待到蓄电池温度降至可测量的范围值，再对蓄电池进行测量。蓄电池充电参数变化图如图7所示。

通过各项测试可直观看出，随着测试时间的增加，温度在初始阶段上升趋势明显，后期变化较为缓和，充电过程中温度最高升至37.7 ℃，较初始温度增加12.7 ℃，充电初始电压21 V，电解液不断发生化学反应，最终测得充电后期电压为31.2 V。若出现每个电池均能释放气泡，则充电阶段完成，充电时间总耗时约7小时。

依据上述参数变化，当蓄电池的温度达到26.6 ℃时，蓄电池处于充足电量状态。若蓄电池的温度为21.2 ℃时，电解液比重值为1.275-0.003=1.272。若温度为32.3 ℃时，电解液比重值为1.275+0.003=1.278。温度和比重补偿转化表如表2所示[5]。

将充满电的蓄电池静置4小时，测试其开路电压。若该蓄电池的开路电压大于26.3 V，表明蓄电池充电完成;若不大于26.3 V，重复上述步骤对蓄电池进行重新充电，充电测试阶段前面板图如图8所示。

由图8可看出，本次充电测试系统检测的温度变化未超出正常控制范围，电流、电压等测试参数的变化值可直观展示在前面板上。

4.2 放电过程与结果分析

接通温度和放电测量电压开关，放电电流以8 A恒流放电，同时触发定时器计时。蓄电池电压降至20 V，此时放电电压灯亮起，若放电时间灯亮起，表明该电瓶正常。放电测试阶段局部前面板图如图9所示。

由蓄电池放电测试可知，随着测试时间的增加，放电电压在初始阶段下降趋势明显，后期下降较为缓慢，放电过程中温度降至22.3 ℃，放电初始电压26.5 V，电解液不断发生化学反应，最终测得放电后期电压为20.0 V。

通过上述蓄电池充、放电阶段测试过程可知，利用该通用飞机铅酸蓄电池测试系统可以安全、高精度、高效率的测出蓄电池的性能，同时将测试参数保存为Excel格式，记录蓄电池测试的结果，最终生成测试报告。

5 结 论

针对铅酸蓄电池的充、放电测试工作等问题，利用虚拟仪器的优势，解决了传统测量方式的弊端，增强了测试系统的精度和效率，并对需要检测的蓄电池（G-241电瓶）进行大量的采集取样和验证，实现了系统的设计功能。通过测试实验表明，利用虚拟仪器技术可以代替大量的传统测试仪器，减少成本，提高测试的精确性，直观地显示蓄电池参数性能，提高了机务工作效率，该测试系统在机务维护工作中优于传统人工测试方式。

参考文献

[1] 王友仁，梁嘉羿，黄薛，等.航空蓄电池能量均衡技术研究[J].航空学报，2017，38（5）：216-225.

[2] 张端阳，郭树满.铅酸蓄电池在线检测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2019（6）：29-32.

[3] 刘险峰. 蓄电池容量在线检测的研究[J]. 蓄电池， 2009（3）：45-49.

[4] 徐仁庆，殷晨波，何茂先.基于虚拟技术的氢气传感器检测系统[J].仪表技术与传感器，2009（5）：35-36.

[5] 朱墨，吴国清.基于LabVIEW同步控制的数据采集监控仿真平台[J].计算机仿真，2006（2）：176-179.

[6] Q01-1120，Gill Dry-charged Lead-acid Aircraft Battery Service Manual[S].Redlands California： Teledune Company，2013.