CC BY
119
Жмуров Б.В., Волощук А.А БОРТОВОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Нормальное функционирование систем летательного аппарата (ЛА) и безопасность полетов непосредственно зависят от работоспособности системы электроснабжения, которая в свою очередь зависит от надежности аккумуляторных батарей (АБ), являющихся аварийными источниками электроэнергии. В авиации в настоящее время применяются свинцово-кислотные, серебряно-цинковые и никель-кадмиевые АБ. Наиболее широкое применение нашли никель-кадмиевые батареи, обладающие следующими преимуществами:
- низкая стоимость;
- работа в широком температурном диапазоне и устойчивость к ее перепадам;
- они могут отдавать в нагрузку значительно больший ток, чем другие виды аккумуляторов;
- большое количество циклов «заряд-разряд» и т.д;
Наряду с преимуществами у никель-кадмиевых батарей присутствуют и недостатки:
- возникновение «Эффекта памяти» при длительной эксплуатации;
- длительное время восстановления активной массы электрода;
- высокая вероятность возникновения «теплового разгона» при стандартном неконтролируемом заряде на борту и т.д.
Обеспечить высокую надежность функционирования АБ, расширить границы допустимых условий их эксплуатации и снизить трудозатраты на обслуживание батарей позволит применение бортового зарядного устройства (БЗУ). Основными функциями БЗУ являются: ускоренный заряд АБ и непрерывный контроль ее технического состояния. Для Ni-Cd АБ выделяют четыре основных метода заряда:
- стандартный заряд;
- ускоренный заряд;
- ускоренный или дельта и заряд;
- заряд асимметричным током.
В результате исследований было выявлено, что наиболее эффективным является режим ускоренного заряда асимметричным током с двумя разрядными импульсами, следующими друг за другом через паузу рис.1. Также были получены наилучшие параметры заряда: 1к1/1а=5, 1к2/1а=5.
тока при ускоренном режиме заряда с двумя
Рис. 1. Форма асимметричного прямоугольного катодными импульсами
Для реализации метода заряда АБ асимметричным током, необходимо иметь математическую модель (ММ) зарядно-разрядных процессов батареи, которая бы учитывала амплитуду зарядного тока, амплитуду разрядного тока, частоту, скважность, длительность пауз между зарядными и разрядными импульсами. Ввиду большой сложности математического описания нестационарных электрохимических процессов, предлагается применить модель с сосредоточенными параметрами, определяемыми по экспериментальным данным на основе схемы замещения.
Основными факторами, которые необходимо учитывать при разработке модели АБ, являются:
- поляризация батарей;
- тепловые процессы;
- изменение ЭДС АБ, ее внутреннего сопротивления, параметров поляризационных процессов в
зависимости от степени заряженности и др. В большинстве случаев, при исследовании процессов заряда и разряда Ni-Cd АБ в нормальных условиях, при которых изменение температуры электролита относительно мало, влиянием двух последних факторов можно пренебречь. При этом электрохимические ячейки аккумуляторов могут быть представлены обобщенными электрическими цепями рис.2. В состав цепей входят: омическое сопротивление аккумулятора ^ , представляющее собой сумму сопротивлений
электролита, электродов, соединительных элементов и переходного сопротивления электрод-электролит; емкость С
Яп
двойного слоя, обусловливающую поляризационный процесс; сопротивление отражающее конечную скорость процессов диффузии, абсорбции и электромеханической акже взаимодействие этих процессов между собой. Основным критерием выбора
перехода яп реакции, а
соответствующей схемы замещения можно считать реальные процессы изменения напряжения на выводах аккумулятора и тока в цепи при коммутационных и стационарных режимах работы. Включению АБ на заряд (см. рис.2) соответствует следующая система уравнений:
и — Е + і Єї
І Іс "Ь іп;
■ _____ р йеп
с ~ п сС і ;
;
Рис.2. Схема замещения АБ
После преобразований получим уравнение следующего вида:
«°Сп1Л+(1 + т)еп = и-Б.
(2)
Решение этого уравнения:
(Ц ~Е)Яп
Яо+Яп
( 1-е Тп);
(3)
где постоянная времени поляризации при заряде:
__ ^ОЯпСп
Тп — , отражает характер изменения ЭДС
Ко+Кп
поляризации батареи во времени.
В соответствии с (1)и(3) токи ветвей схемы замещения АБ равны:
. и-Е
1Г -- —---- в ТП ; (4)
Ко
. и-Е .
Ь — тгг(1-е Тп);
I =
и-Е
(5)
------ [ 1 + (^)е ^] ; (6)
Я о+Яп 1 Уя (/ -1
При отключения АБ от источника, емкость Сп будет разряжаться на сопротивление Яп , т.е. ис-еп- Я п I с; I с - - Сп^. (7)
Согласно этим соотношениям, отключению АБ удовлетворяет следующее дифференциальное уравнение:
йе
І п Сп—2 + еп — 0.
йґ
(8)
Его решение с учетом начальных условий [при
(Ц-Е)Яп -—
еп — _ _пе Тп, (9)
Ц-Е
] имеет вид:
где постоянная времени деполяризации тдп ЯПС
Переходный процесс происходит и в случае включения АБ на разряд. Моменту подключения к АБ резистора К (нагрузки) соответствует следующее дифференциальное уравнение:
(ІІо + ЮС^+^+^еп — Б.
(10)
Его решение:
ЕЯ„
Я+Я0+Яп
1-е ТпР ),
(11)
__ Яп (Я о + Ю Є п
п1Р — Я+Я(+Яп ■
Токи 1 (2, 1п; 1 в ветвях схемы замещения при этом равны:
_ йеи Ее ТпР
І г — Сп — ------------------------;
г п сСі Я +ЯП
(12)
_ Єп _ Е( 1 -е ТпР)
п Яп Я+Яо+Яп
. ЕЦ+йф)
І — -----------■ (14)
Я+Яо+Яп
К моменту отключения нагрузки от АБ емкость C
П
находится под напряжением ( ),
создаваемым разрядным током в сопротивлении
R
Поэтому переходному процессу при отключении
нагрузки соответствуют соотношения (7) и постоянная времени (9). В связи с другими начальными
условиями по сравнению с зарядным режимом, в данном случае ЭДС поляризации и току
соответствуют следующие соотношения:
1с 1п
ERne ТпР
R+R0+Rn ______£_
Ее ТпР
(15)
(16)
R+R0+Rn
Для включения БЗУ в состав системы электроснабжения (СЭС) самолета необходимо заменить силовые контакторы управляющими элементами зарядного устройства: твердотельными реле или
быстродействующими контакторами. Замена позволит увеличить скорость подключения АБ к аварийной шине и осуществлять разряд батареи большими токами при отказе СЭС.
БЗУ состоит из следующих основных функциональных элементов рис.3:
- силовая часть;
- управляющее реле; микроконтроллер.
ее
технического состояния обеспечивает
Рис.3. Функциональная схема БЗУ
Ускоренный заряд АБ и непрерывный контроль микроконтроллер.
Ускоренный заряд асимметричным током необходимо выполнять на основе математической модели зарядно-разрядных процессов АБ, также необходимо учитывать при этом текущее состояние батареи, ее тип и внешние условия рис.4. Заряд АБ осуществляется при включении контакторов К1 и К2. При отказе СЭС самолета контактор КЗ замыкается, а АБ подает питание на аварийную шину.
Рис.4. Структурная схема включения АБ на заряд или разряд
Непрерывный контроль технического состояния АБ предлагается осуществлять на основе критериев скорости изменения температуры каждой банки, характера выходного напряжения батареи и значения емкости после окончания процесса ее заряда. Параметры АБ непрерывно фиксируются в памяти бортового устройства регистрации (БУР). Терминал представляет собой индикатор функционирования БЗУ, он отображает параметры состояния батареи: V, В- измеренное напряжение батареи; SOC, %-
состояние заряженности; Cp, А*ч- предсказанная емкость; Cu, А*ч- использованная емкость. Состояние батареи по емкости и по энергии выводятся соответственно на SOC и SOP- индикаторы рис.5.
БУР <•-
вос-
индикатор
Бор-
индикатор
Рис.5. Структурная схема системы контроля технического состояния АБ
Для реализации БЗУ необходимо учесть технические требования, предъявляемые к аппаратной части устройства. Наряду с основными требованиями, связанными с безопасностью, надежностью и работоспособностью БЗУ, его основным функциональным элементам предъявляют ряд специфических требований: мощность и архитектура микроконтроллера, быстродействие силовых контакторов,
разрядность и быстродействие аналого-цифровых преобразователей.
Использование БЗУ на борту позволит увеличить сроки эксплуатации никель-кадмиевых АБ, сократить запас и оборот батарей в части, уменьшить затраты людских ресурсов на обслуживание АБ, убрать необходимость использования КТЦ для оценки их технического состояния и повысить безопасность полетов. А безопасность является основой авиации.
Литература
1. И.М. Синдеев Электроснабжение летательных аппаратов: Москва «Транспорт» 1982.
2. Электрооборудование летательных аппаратов, том 1: учебник для вузов / С.А. Грузков [и др.]; ред. С.А. Грузков; МИЭ. // М.: МИЭ, 2005.
3. Варыпаев В.Н. Химические источники тока / В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А. Никольский // Высшая школа-1990.
