CAT蓄电池卡特电瓶均衡充放电控制研究

摘要:单体蓄电池的不一致、容量不均衡是造成航空蓄电池寿命缩短的一个重要原因，本文阐述了航空蓄电池的基本原理、单体蓄电池的不均衡的原因及危害，从工艺措施和电路改进措施提出了优化单体蓄电池间不均衡的方法，为航空蓄电池的长寿命维护使用提供一种思路。

1.引言

   航空蓄电池是飞机的应急电源，在地面状态下，可用于起动发动机或机载设备的通电检查；在空中状态下，可用于在飞机主电源失效下，向飞机应急负载供电，在一定时间内保障飞机应急供电能力。航空蓄电池需要由一定的蓄电池单体串联构成24V电压等级，在串联的蓄电池单体中因容量控制不同，会降低航空蓄电池的整体性能和使用寿命。本文从均衡蓄电池单体的充放电控制研究，提出了蓄电池单体间的容量均衡度的控制方法，达到蓄电池整体性能提升的效果。

2.蓄电池的基本原理

    以24V航空蓄电池（镉镍碱性电池）为例，因单体蓄电池电压较低，在实际使用过程中需要将多个电池单体串联使用才可以满足不同的电压及功率需求，因此每个蓄电池组由20只蓄电池单体组成，每只单体电压1.2V，串联后额定电压24V。

蓄电池外形图

    正常情况下，航空蓄电池与飞机28V机载电源并联，处于浮充电状态，当航空蓄电池需要投入工作时，蓄电池处于放电状态。

在充放电过程中，镉镍蓄电池发生下列反应：

                               充

正极反应：2Ni（OH）2＋2OH－2NiOOH＋2H2O＋2e 

                               放

                                                    充

负极反应：Cd（OH）2＋2eCd＋2OH－

                               放

                                      充

电池总反应：2Ni（OH）2＋Cd（OH）2  2NiOOH＋Cd ＋2H2O 

                                      放

3.不均衡的影响

   蓄电池中各单体蓄电池因内部性能、使用环境以及循环次数的差异，会造成各单体蓄电池间表现出不同的工作特性，从而导致蓄电池中各单体蓄电池之间产生不一致性，主要表现在单体蓄电池的端电压不一致和单体蓄电池的容量不一致。

（1）端电压是指蓄电池在充放电状态下单体蓄电池两端的电压，由于单体蓄电池存在内阻，在充电状态下端电压大于开路电压，放电状态下端电压小于开路电压。在充放电状态下，电池的容量、剩余电量等特性参数的不一致性都会表现为端电压的不一致性。端电压的不一致性可以较好的反映单体蓄电池充放电深度的不一致性，充电时，可充入电量较少的单体蓄电池端电压较高，会首先达到充电截止电压，反之，放电时剩余电量较少的单体蓄电池端电压较低，会首先达到放电终止电压

（2）单体蓄电池的实际容量表示单体蓄电池可充入的最大电量和可放出的最大电量。单体蓄电池在生产过程中就存在实际容量的初始不一致性，在循环使用过程中，由于单体蓄电池的原材料及生产工艺的差异，每节单体蓄电池的老化速率不同，导致容量的不一致性越来越严重。

    在充电过程中，当个别单体蓄电池端电压较高或容量低早于其余单体充满，并处于过充状态。在放电过程中，当个别单体蓄电池端电压较低或容量低早于其余单体放至低电压，并处于过放状态。

不均衡充放电和均衡充放电示意图

    不均衡充放电，会对蓄电池的寿命以及系统安全性造成影响，主要表现在如下几个方面：

    （1）当个别单体蓄电池早于其余单体充满并处于过充状态时：

过充会造成电解水的化学反应产生，电解水会产生氧气和氢气，当可燃气体在打火、拉弧出现时，会有燃爆的风险；

过充会造成个别单体的电解液溢出，造成蓄电池外壳或飞机结构腐蚀，甚至会造成导线的腐蚀，存在安全隐患；

过充会造成个别单体温度升高，升高会触发蓄电池超温告警系统，当机组人员识别到蓄电池超温时，需断开应急电源，飞机在失去应急电源时，应立刻返航，影响飞机的正常出勤。

频繁的过充，会造成问题单体寿命降低，加速单体的老化速率，降低电池组的使用寿命。

（2）当个别单体蓄电池早于其余单体放至低压并处于过放状态时：

个别单体的过放会造成蓄电池整体电压维持能力降低，会提前降至放电终止电压，缩短蓄电池的应急供电时间；

个别单体过充会造成电解水的化学反应产生，电解水会产生氧气和氢气，当可燃气体在打火、拉弧出现时，会有燃爆的风险；

4.解决措施

（1）工艺措施

生产过程中，提高蓄电池的生产工艺，尤其的原材料、元器件的选择，应严格把控，同批次管理，保证生产过程具有较好的一致性

采用单体蓄电池容量分类方法，在每组蓄电池的各单体进行放电容量摸底时，选取放电时间差小于5min作为一类，每组蓄电池在同类单体蓄电池中筛选；

开展单体蓄电池电压普量方法，对整组蓄电池进行放电至终止电压21V时，各单体蓄电池电压应大于0.9V；

调整该型号蓄电池容量检测时使用的设备，采用单点化成设备对每只蓄电池的容量进行精确检测，汇总分类。

（2）均衡充放电措施

损耗型：在蓄电池组的各单体蓄电池上增加一个并联均衡电路,以达到分流的作用。当某个单体蓄电池首先达到满充时，均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，继续对未充满的电池充电。

无损型：系统配置一套均充模块，当均充模块起动后，过充的电池会将多余的电量（电容或变压器）转移到没有充满的单体蓄电池中，实现动态均衡。其效率高损失少，所有的电池电压都由均充模块全程监控。

5.结论

    本文从航空蓄电池的基本原理入手，分析了单体蓄电池差异的根本原因，提出了工艺方面和电路方面的不同改进措施，为航空蓄电池的长寿命使用提供一种维护使用方法，为同类蓄电池的不均衡充放电问题的解决提供一定的参考和帮助。