航空蓄电池电源容错与均衡技术研究

航空蓄电池电源容错与均衡技术研究

邓振明 姜晓龙

哈尔滨通用飞机工业有限责任公司 150066

摘要：航空蓄电池可用于起动飞机发动机和辅助动力装置（APU），在飞机供电系统发生故障时为飞机供电，保障飞机的安全飞行。航空蓄电池在实际使用过程中会出现电池性能衰退与退化速率不一致，电池组容量与使用寿命降低、电池单体失效等问题，甚至可能出现严重的安全事故，另外航空蓄电池电源通常有可靠性与容错要求，因此，对航空蓄电池电源容错及其均衡管理技术的研究具有重要的科学意义和工程应用价值。

关键词：航空蓄电池；电池失效；容错蓄电池电源；均衡管理

一、航空蓄电池容错技术的概念

航空蓄电池容错技术是指在航空器电源系统中，通过特定的设计和管理策略，确保在蓄电池或其组件出现故障时，系统能够继续正常运行，而不会对飞行安全造成影响的一种技术。

在航空领域，蓄电池作为关键的动力源之一，其可靠性和安全性至关重要。然而，由于航空环境的复杂性，蓄电池在使用过程中可能会遇到各种故障，如蓄电池内部短路、开路、过热或性能退化等。这些故障如果不被及时处理，可能会导致整个电源系统的失效，进而影响飞行器的正常运作。因此，航空蓄电池容错技术的概念应运而生。

二、航空蓄电池容错技术

1. 故障检测与诊断

通过先进的传感器和监测系统，实时监测蓄电池的电压、电流、温度等关键参数，以及电池单体的状态。当检测到异常数据时，系统能够迅速识别并诊断出具体的故障类型和故障位置。

2. 冗余设计

在蓄电池系统中采用冗余设计，即在关键部位使用备份电池单体或模块。当主电池单体或模块发生故障时，冗余的电池单体或模块可以立即接管工作，确保电源系统的连续供电。

3.故障隔离

一旦检测到故障，系统应能够迅速将故障电池单体或模块从电路中隔离，防

止故障扩散，同时保护剩余的健康电池单体或模块不受影响。

3. 动态重构

通过动态调整电池单体的连接方式，优化电池组的整体性能。例如，将性能较差的电池单体从主电路中移除，或将它们重新配置到次要的负载路径上。

4.均衡管理

由于电池单体在充放电过程中可能会出现不一致性，均衡管理技术被用来调整电池单体的充电状态，确保所有电池单体都能在最佳工作范围内运行，延长电池组的整体寿命。

5.控制系统优化

通过优化控制策略，提高电源系统的自适应能力和鲁棒性，使系统能够在多种故障模式下保持稳定运行。

航空蓄电池容错技术的实施，不仅提高了电源系统的可靠性和安全性，还延长了蓄电池的使用寿命，降低了维护成本，为航空器提供了更加稳定和高效的动力保障。

三、蓄电池组均衡技术研究现状

(一)蓄电池组不一致性

为满足实际使用需求，需将单体电池串联使用。电池组中各单体电池间会产生不一致现象，其主要分为两类：内因和外因[25]。内因主要由生产工艺水平的不同以及制造选用材料不同造成。

外因主要由环境温度、通风条件、自放电率、电解液密度等使用环境差异造成，并且随着使用次数的增多以及实际使用时对单体电池的过充和过放都将使得电池差异越来越明显。

1.不一致性表现

不一致性主要表现在各个单体电池的性能参数差异。

（1）端电压不一致性

电池端电压是最容易测量的电池性能参数，可直观反映单体电池的不一致性。电池端电压的不一致性会随着放电深度的增加而表现得更加明显。具体表现为在充电末期，电池组中容量较小的电池会先达到充电截止电压，而有些电池还未充满，相反，放电时，弱电池压降快，先达到放电截止电压，而有些单体还未放电结束。

（2）电池荷电状态（SOC）不一致性

在电池的制造过程中，因为工艺和误差，各个电池的初始容量就有一定差异；

在电池实际使用过程中，电池性能的差异会导致电池间放电速率的不一致性，表现在剩余电量的差异。

电池电荷状态（SOC）表示电池当前所剩容量的相对大小，大多数文献定义为当前电池剩余容量与电池充满电时能够存储的最大容量的比值。

（3）容量不一致性

由于制造工艺和生产材料的不同以及环境温度等因素的影响，使得电池的初始实际容量不同；在循环使用过程中，由于每节电池的退化速度不一样，使得电池容量的不一致性更明显。

（二）不一致性危害

电池的不一致性将会导致电池组可用容量减少，降低电池组功率能力，并且使得电池性能参数估算困难以及电池组寿命缩短等影响，电池组的充放电循环次数增加，电池间的差异会逐渐扩大，电池组的不一致性会表现的越来越明显。

不一致性对于蓄电池的使用会产生一定的危害，表现在如下三个方面：

1.电池组可使用容量降低

依据电池充放电截止电压来控制电池组的充放电进程，由于电池组中各单体电池性能不同，使得电池组中某单体率先达到充电和放电截止电压，整个电池组需停止充放电。在充电时，其余电池还没有充满，这减小了电池组的可充入电量。在放电时，其余电池还没有放完电，从而浪费电池组的可使用容量。

2.电池组寿命减小

犹如“木桶效应”，随着电池组的循环使用次数增加，使得弱电池的退化速率加速，相较于其他电池率先停止充放电，从而减小电池组使用寿命。

3.电池过充电、过放电

由于电池组不一致性，容易导致率先达到充放电截止电压电池过充电或过放电，从而造成电池组内单体电池不一致性扩大，电池长时间过充电和过放电可能导致严重的安全事故。

（三）不一致性控制方法

为减小电池组间的不一致性，可以在生产制造和使用过程中进行维护。

1.提高电池工艺制造水平，使得电池在制造过程中具有很好的一致性；电池组在出厂前针对电池组的一致性进行筛选特别是电池的容量、内阻等指标的一致性，以此来提高电池组使用寿命及产品合格率。

2.在电池工作时，运用均衡管理系统，目前大多数均衡系统是基于能量转移的方式平衡各单体电池内的电量，延长电池组的使用寿命。

3.定期维护检查需要严格执行，注意电池表面异常痕迹及现象。

4.在电池工作时，使用容错控制管理系统，基于电池当前状态，实时动态重新配置电池单元拓扑结构，监测单体电池性能，防止电池过充和过放，使得单体电池都达到充电截止电压，隔离故障电池而不影响整个电池组工作。

四、蓄电池均衡控制策略

（一）电池剩余容量均衡控制策略

以电池剩余容量作为均衡控制变量可以最大化电池组的实际可用容量，由于受电解液浓度以及环境温度等众多因素的影响使得剩余容量估计的精度不高，且很难在线测量。

（二）电池端电压均衡控制策略

电池的充放电进程中，依据电池是否达到充放电截至电压结束充放电进程，因此，可依据电池端电压这一重要参数衡量电池当前状态[46]。实时测量单体电池端电压，通过均衡控制系统使得电池组中单体电池端电压具有良好的一致性，利用端电压作为均衡变量可避免电池过充电和过放电。电池的性能参数中，电压的测量方式简单且准确。但当电池使用次数过多，电池电解液浓度、内阻等其他内部形状发生改变，这时通过电压判断均衡容易造成较大误差。

（三）电池荷电状态（SOC）均衡控制策略

对电池的SOC进行均衡，特别是在线动态估测单体SOC值能够比较理想解决电池不一致性。现有SOC估计方法主要有安时积分法、OCV-SOC开路电压法、卡尔曼滤波法、粒子滤波法等。采用开路电压法，利用OCV-SOC关系进行SOC估计，但该方法不能实现SOC在线动态估算。设计多电池组SOC均衡控制策略，测得每个电池组的电流，可利用安时积分法模拟计算蓄电池组SOC，但该文只进行了实验仿真。

五、结语

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，因此，应对航空蓄电池进行严格的关注和监测，减少故障率的发生。

参考文献

[1]王友仁，梁嘉弈，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]李建辉,王彩申,林心笑.基于Buck-Boost锂离子电池组均衡电路设计[J].自动化与信息工程,2017,38(1):13-17.

[3]李俊蔚.航空蓄电池控制器通讯测试软件设计与实现[D].西南科技大学,2016.