CN108494072A - 一种模块化蓄电池航空起动电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化蓄电池航空起动电源系统，包含0‑70V电源模块、并联及升压启动组件、自耦变压整流器、系统控制器、控制面板以及数个功率组件，功率组件包括28V蓄电池组、双向直流变换模块、单相交流逆变模组以及三相整流电源模块。本发明通过对电源进行模块化设计和系统架构设计，能够兼容低压蓄电池、工频电网及柴油发电机输入，能够输出多制式电源，兼具了航空蓄电池起动车、静变电源的优点，能满足航空保障电源所需的机动性、冗余性、供电形式多样化、持续保障等需求。采用多种功能的电源模块有机结合，可实现单台电源满足现有航空领域所有的供电形式。
Description
技术领域
本发明属于航空保障电源技术领域，特别涉及了一种模块化蓄电池航空起动电源系统。
背景技术
根据飞机型号的不同，飞机外部电源(也常称为航空保障电源)主要有28V/56V直流供电、270V直流供电、0-70V直流供电、115V/400Hz单相交流供电和115V/200V/400Hz三相交流供电等多种型式。目前的航空保障电源主要有直线加电和电源车两种类型。直线加电式用于固定机位供电，采用功率变换器(多为电力电子变换器)将工频电网(或柴油发电机)提供的380V/50Hz的交流电变换为飞机所需的各种供电类型，采用电缆传输到达飞机起动或维护的机位。电源车采用内燃发电机或蓄电池作为能量来源，可以根据需要达到指定机位。
现有直线加电式和电源车两种航空保障电源都存在一定的缺点。直线加电式依赖于工频电源输入，且可靠性受功率变换器限制，一旦出现供电中断或变换器故障将导致机位不能正常供电，同时这种供电方式还需要在每个机位上配备合理的供电终端，用于补偿由于电源远程传输导致的线缆压降，并且由于机位固定导致电源不具备灵活性和机动性。现有电源车存在二种型式，分别采用内燃机和蓄电池为动力源。电源车虽然机动性好，可靠性较高，但内燃发电机式的电源车油耗高、运行维护成本高、噪声及尾气影响环境和地勤人员的身体健康，而蓄电池起动车供电形式单一、蓄电池储能有限而持续保障能力弱，且蓄电池使用寿命有限，同时现有的蓄电池容量检测及监控技术不适应飞机通电及起动这种功率变化范围大且不确定的场合，因此蓄电池起动车的可靠工作时间难以预计，不能满足飞机所需要的高标准起动成功率(一般为100％)要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种模块化蓄电池航空起动电源系统，基于航空蓄电池起动车，解决供电能源单一、持续保障能力较弱以及持续保障能力难以准确预判等问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种模块化蓄电池航空起动电源系统，包含0-70V电源模块、并联及升压启动组件、自耦变压整流器、系统控制器、控制面板以及数个功率组件；每个功率组件至少包括28V蓄电池组、双向直流变换模块、单相交流逆变模组以及三相整流电源模块中的2个单元，且28V蓄电池组与双向直流变换模块必须同时存在、单相交流逆变模组和三相整流电源模块中至少存在1个单元；所述28V蓄电池组连接0-70V电源模块的输入端和并联及升压启动组件的输入端，0-70V电源模块输出0-70V直流电，并联及升压启动组件输出28V/56V直流电；所述双向直流变换模块的两端分别连接28V蓄电池组和直流母线，当28V蓄电池组处于供电状态时，双向直流变换模块采用升压模式，为直流母线供电，当28V蓄电池组处于充电状态时，双向直流变换模块采用降压模式，直流母线为28V蓄电池组充电，双向直流变换模块在线监测28V蓄电池组的工作状态、容量和寿命；所述单相交流逆变模组的输入端连接直流母线，单相交流逆变模组的输出端分出2条线路，其中1条线路直接作为系统的中频三相交流输出端，输出115V/200V中频三相交流电，另1条线路连接自耦变压整流器的输入端，自耦变压整流器输出270V直流电；所述三相整流电源模块的输入端接入380V工频交流电，三相整流电源模块的输出端连接直流母线；控制面板、系统控制器以及各功率组件之间通过通信总线实现数据交互。
基于上述技术方案的优选方案，28V蓄电池、双向直流变换模块、单相交流逆变模组和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为独立的蓄电池起动电源。
基于上述技术方案的优选方案，28V蓄电池、双向直流变换模块和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为蓄电池充电维护电源。
基于上述技术方案的优选方案，28V蓄电池组、双向直流变换模块和单相交流逆变模组构成一个功率组件，该功率组件作为独立的逆变电源。
基于上述技术方案的优选方案，单相交流逆变模组和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为独立的中频静变电源。
基于上述技术方案的优选方案，各功率组件中的单相交流逆变模组相互并联，各功率组件中的三相整流电源模块相互并联。
基于上述技术方案的优选方案，所述单相交流逆变模组包含3个单相交流逆变模块，3个单相交流逆变模块通过相位组合和并联方式将直流电转换为三相交流电。
基于上述技术方案的优选方案，所述双向直流变换模块采用软开关双有源桥的电路拓扑，包含6个输入输出相互并联的子模块，当某个子模块出现故障，能够自动退出。
基于上述技术方案的优选方案，直流母线的额定电压为400V，直流母线的电压范围是400V±10％。
基于上述技术方案的优选方案，系统所有单元采用统一的外形，满足19英寸标准机箱的尺寸要求。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明在原有蓄电池起动车的基础上，通过对电源进行模块化设计和系统架构设计，能够兼容低压蓄电池、工频电网及柴油发电机输入，能够输出多制式电源，兼具了航空蓄电池起动车、静变电源的优点，能满足航空保障电源所需的机动性、冗余性、供电形式多样化、持续保障等需求。本发明基于中间直流电压母线，采用多种功能的电源模块有机结合，可实现单台电源满足现有航空领域所有的供电形式，同时各模块采用统一的外形，安装于标准机架上，便于组合、扩容、维修和更换。
本发明的蓄电池为分组式，每一组标称电压28V的蓄电池对应一套较小容量的功率组件，功率组件中的双向直流变换模块具备电池状态的在线监测能力，在由多个组件构成的较大容量的航空保障电源系统中，当出现单组落后电池时其对应的双向直流变换器能够及时发现并给出警示，其工作状态自动转为按其实际状态运行(降低功率或切除)，这样，不会出现采用大容量电池单体串联构成大容量电池组时存在的电池状态难以监测、一个电池单元落后或故障引起系统短时间内失去保障能力等问题，电源车操作人员可以及时预判电源车可持续保障的能力和时间。另一方面，相比采用电池组串联扩大容量，电池通过功率变换器并联扩容的方案实现更容易，且不存在高压储能单元存在的高压直流控制保护成本高、可靠性差的问题，且避免了高电压绝缘降低和失控可能对飞机、操作人员造成的安全风险。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种总功率为60kVA的模块化蓄电池航空起动电源系统，包含0-70V电源模块、并联及升压启动组件、自耦变压整流器、系统控制器、控制面板以及6个功率组件，功率组件包括28V蓄电池组、双向直流变换模块、单相交流逆变模组以及三相整流电源模块，每个功率组件的功率为10kVA。功率组件可以通过直接并联的方式提升电源的整体功率，增加电源的功率冗余和可靠性。
根据不同飞机的供电形式选择合适的电源模块进行变换产生所需的电源：当需要28V/56V直流供电时，通过并联升压启动控制组件模块，直接将蓄电池电压输出；当需要115V/400Hz单相或三相供电时，通过双向直流电源模块将电池电压升为高压直流，形成400V直流母线，再利用可组合并联的单相交流模块提供所需交流输出；当需要270V直流输出时，采用自耦变压整流模块将三相115V/400Hz交流输出变换为所需直流输出；当需要0-70V直流输出时，通过电源模块变换将蓄电池输出或双向直流变换器的输出转化为所需电压。通过以上模块的组合实现和解决了现有起动电源供电形式单一的问题。
模块化起动电源对飞机进行起动和维护有两种典型的应用场景：在外场远机位、停机坪工作时，主要由蓄电池供电，所有供电形式的电能来源都源自蓄电池；在内场(飞机库、维修厂房等)及外场停机坪工作，存在380V工频供电(电网或柴油发电机组)时采用三相整流模块将工频供电转换为400V直流母线，这样不但能够产生各种形式的供电，同时还能够利用双向直流模块对蓄电池组进行在线充电。
系统中低压蓄电池由多组独立的28V蓄电池构成。每一组蓄电池配一套功率组件后即形成一套容量较小但完全独立的航空保障电源。多组蓄电池及功率变换组件可以并联组合形成大容量的航空保障电源。以采用28V/400Ah蓄电池为例，一组电池可形成可持续供电10kW×1小时的航空保障电源，六组即可形成60kWh(60kW×1小时)的保障能力。
蓄电池组与28V/400V双向直流变换模块配合工作。在380V交流供电时，双向直流变换模块作为蓄电池充电、维护电源，系统内无需单独另设充电器和电池维护设备。在需要高标准直流通电时，双向直流变换模块实现直流电压调整；在电池作为动力源时，双向直流变换模块将28V直流电升压至400V(电气隔离)，并为逆变模块供电。
双向直流变换模块采用带电气隔离的高频功率变换器，有多种实现方式，例如可采用软开关双有源桥的电路拓扑。在本实施例中，双向直流变换模块包含6个功率为2kW的子模块，当单个模块出现故障时，能够主动退出，不影响其他模块的正常工作。双向直流变换模块的控制单元能够监测电池的状态，实现电池的容量分析、寿命监测。当出现单组落后电池时，系统可以将落后电池按其实际状态运行，系统可靠性将大大提高。
单相交流逆变模组包含3个单相交流逆变模块，在本实施例中，设计每个单相交流逆变模块作为一个可独立工作、拆卸更换的3.3kW的400VDC/115VAC子模块，同时该模块具备良好的过载能力，具有相位组合及锁相、并联的能力。
三相整流电源模块采用一种功率为10kW降压型整流器，将380V交流电源通过单级变换为隔离的400V直流电源。三相整流电源模块的输出可以为逆变模块供电，形成中频静变电源。三相整流电源模块输出可以为双向直流变换模块供电，与双向直流变换模块一起构成蓄电池的充电、维护电源。
270V直流电源采用24脉自耦变压整流器，需要输出270V直流电源时，首先逆变电源工作产生三相400Hz电源，再通过变压整流器变换为直流电源。这种高压直流电源效率高、过载能力强，且控制保护通过逆变器实现，无需高压直流配电和控制保护器件，可靠性高、成本低。
0-70V电源模块为一种选配电模块，其输入为28V直流电(蓄电池输出)，采用双管升/降压电路变换为0～70V输出。同时，该电源采用多模块交错并联的方式，分散变换器损耗和扩大散热器瞬时热容。本设计方案中采用每组电池后带一个模块，共六个相同的变换器交错并联，形成0～70V输出。在控制上利用数字控制芯片采用分段限占空比、稳压控制和逐波限流等控制方式相结合的开环控制。
模块化蓄电池起动电源的控制系统主要包括有：控制面板、系统控制器和各模块内的控制单元通过通信总线相连。控制面板主要用于人机交互，通过表头、或/和液晶显示器显示当前的运行参数，通过开关或/和触摸屏实现人工操作，系统控制器根据操作人员的需求对各模块进行调度和监控保护，各控制单元实现自身的控制和数据收发。
本发明设计的模块化蓄电池航空起动电源采用移动车厢式结构，所有设备安装在封闭的车厢内。车厢内全部部件都采用模块化结构，均基于19英寸标准机架进行设计，可以安装在标准机柜上，便于系统的灵活组合、扩容、维修和更换。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：包含0-70V电源模块、并联及升压启动组件、自耦变压整流器、系统控制器、控制面板以及数个功率组件；每个功率组件至少包括28V蓄电池组、双向直流变换模块、单相交流逆变模组以及三相整流电源模块中的2个单元，且28V蓄电池组与双向直流变换模块必须同时存在、单相交流逆变模组和三相整流电源模块中至少存在1个单元；所述28V蓄电池组连接0-70V电源模块的输入端和并联及升压启动组件的输入端，0-70V电源模块输出0-70V直流电，并联及升压启动组件输出28V/56V直流电；所述双向直流变换模块的两端分别连接28V蓄电池组和直流母线，当28V蓄电池组处于供电状态时，双向直流变换模块采用升压模式，为直流母线供电，当28V蓄电池组处于充电状态时，双向直流变换模块采用降压模式，直流母线为28V蓄电池组充电，双向直流变换模块在线监测28V蓄电池组的工作状态、容量和寿命；所述单相交流逆变模组的输入端连接直流母线，单相交流逆变模组的输出端分出2条线路，其中1条线路直接作为系统的中频三相交流输出端，输出115V/200V中频三相交流电，另1条线路连接自耦变压整流器的输入端，自耦变压整流器输出270V直流电；所述三相整流电源模块的输入端接入380V工频交流电，三相整流电源模块的输出端连接直流母线；控制面板、系统控制器以及各功率组件之间通过通信总线实现数据交互。
2.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：28V蓄电池、双向直流变换模块、单相交流逆变模组和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为独立的蓄电池起动电源。
3.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：28V蓄电池、双向直流变换模块和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为独立的蓄电池充电维护电源。
4.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：28V蓄电池组、双向直流变换模块和单相交流逆变模组构成一个功率组件，该功率组件作为独立的逆变电源。
5.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：单相交流逆变模组和三相整流电源模块构成一个功率组件，该功率组件作为独立的中频静变电源。
6.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：各功率组件中的单相交流逆变模组相互并联，各功率组件中的三相整流电源模块相互并联。
7.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：所述单相交流逆变模组包含3个单相交流逆变模块，3个单相交流逆变模块通过相位组合和并联方式将直流电转换为三相交流电。
8.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：所述双向直流变换模块采用软开关双有源桥的电路拓扑，包含6个输入输出相互并联的子模块，当某个子模块出现故障，能够自动退出。
9.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：直流母线的额定电压为400V，直流母线的电压范围是400V±10％。
10.根据权利要求1所述模块化蓄电池航空起动电源系统，其特征在于：系统所有单元采用统一的外形，满足19英寸标准机箱的尺寸要求。
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