不同運(yùn)行狀態(tài)下的飛機(jī)蓄電池ELA穩(wěn)態(tài)分析

楊 娟，任仁良

(中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300)

不同運(yùn)行狀態(tài)下的飛機(jī)蓄電池ELA穩(wěn)態(tài)分析

楊 娟，任仁良

(中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300)

航空蓄電池在飛機(jī)地面裝載與準(zhǔn)備、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及應(yīng)急狀態(tài)下是飛機(jī)電氣系統(tǒng)的直流電源，在整機(jī)電源容量分析(ELA)時(shí)需要進(jìn)行容量分析。在其他飛行狀態(tài)下，蓄電池由飛機(jī)電網(wǎng)充電，是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要負(fù)載，需要對(duì)其進(jìn)行負(fù)載分析。分析了飛機(jī)蓄電池ELA穩(wěn)態(tài)計(jì)算原理；結(jié)合實(shí)測飛機(jī)電氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成了飛機(jī)航空蓄電池在不同工作狀態(tài)下的ELA計(jì)算研究。研究表明，正確的蓄電池ELA分析可為飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中蓄電池選型或機(jī)載電子電氣設(shè)備加改裝提供必要技術(shù)支撐。

飛機(jī)蓄電池；電氣負(fù)載和容量分析；穩(wěn)態(tài)分析

為確保飛機(jī)電源容量配備的合理性，保證全機(jī)所有用電設(shè)備在各種預(yù)定的工作狀態(tài)下均能得到足夠的電力供應(yīng)，保障安全飛行，電氣負(fù)載和電源容量分析(ELA)是飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)或飛機(jī)運(yùn)營期間機(jī)上任何電子電氣改裝工作不可缺少的環(huán)節(jié)。

蓄電池是任何運(yùn)輸飛機(jī)必須安裝的設(shè)備，蓄電池分析是飛機(jī)ELA分析的重要組成。民航客機(jī)機(jī)載蓄電池在飛行前裝載和準(zhǔn)備階段、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)/輔助動(dòng)力裝置(APU)階段或空中主電源和其他輔助電源失效的應(yīng)急情況時(shí)是直流機(jī)載電源；在正常飛行階段，蓄電池處于充電狀態(tài)，是飛機(jī)主電源匯流條的用電負(fù)載。民航適航條例規(guī)定，選裝蓄電池的容量必須滿足應(yīng)急情況下持續(xù)提供至少30 min的電力供應(yīng)能力以保證飛機(jī)安全著陸；此外，經(jīng)過多次充放電后的蓄電池實(shí)際容量須大于額定容量的85%才可裝上飛機(jī)。飛機(jī)ELA分析主要包括電源容量分析和電氣負(fù)載分析兩方面。對(duì)于飛機(jī)蓄電池工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，需要根據(jù)不同的飛行狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行容量分析和負(fù)載分析。本文分析了飛機(jī)蓄電池ELA穩(wěn)態(tài)計(jì)算原理；結(jié)合實(shí)測飛機(jī)電氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成了飛機(jī)航空蓄電池在不同工作狀態(tài)下的ELA計(jì)算研究。

1 飛機(jī)蓄電池ELA分析原理

1.1 運(yùn)行狀態(tài)分析

通常，民航飛機(jī)共分9種工作狀態(tài)。在不同的工作狀態(tài)下，航空蓄電池的充放電狀態(tài)將有所不同，如表1所示。

表1中，地面維修期間使用地面電源供電，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)載蓄電池啟動(dòng)，夜航或除冰狀態(tài)通常設(shè)置為飛機(jī)電源容量和負(fù)載分析最惡劣狀態(tài)，以最惡劣狀態(tài)帶入分析的結(jié)果可一定程度擴(kuò)大計(jì)算結(jié)論的適用裕度。

1.2 蓄電池容量分析原理

完成飛機(jī)蓄電池容量分析需統(tǒng)計(jì)機(jī)上所有由蓄電池供電的負(fù)載設(shè)備的工作功率Pi及其運(yùn)行時(shí)間ti。蓄電池作為機(jī)載直流電源，其平均輸出供電電壓穩(wěn)定在28 V。根據(jù)式(1)得出此類飛行狀態(tài)下蓄電池完成供電任務(wù)所用的安時(shí)數(shù)。

表1 飛機(jī)9種運(yùn)行狀態(tài)與蓄電池充放電時(shí)間

式中：Ii是各個(gè)負(fù)載工作電流；Pi是各個(gè)負(fù)載工作功率；Qi是所有負(fù)載工作總?cè)萘?；ti是各個(gè)負(fù)載工作時(shí)間。

根據(jù)適航規(guī)章，蓄電池在正常大氣條件下實(shí)際容量至少為額定容量Qn的85%，假設(shè)蓄電池充電后的容量可達(dá)到90%，則蓄電池可用電量為額定容量的76.5%。由此，為保證所有連接負(fù)載的正常工作，飛機(jī)電源系統(tǒng)由蓄電池對(duì)外供電時(shí)，工作總?cè)萘繎?yīng)滿足式(2)的條件：

1.3 蓄電池負(fù)載分析原理

表1中，飛機(jī)滑行、起飛和爬升、巡航、夜航或除冰以及著陸階段，機(jī)載蓄電池處于熱充電狀態(tài)，此時(shí)，蓄電池是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要負(fù)載。完成蓄電池ELA分析需要對(duì)其進(jìn)行充電效應(yīng)分析，以確定蓄電池充電電流與充電時(shí)間的關(guān)系。假設(shè)此時(shí)蓄電池的溫度處于最惡劣狀況[1-3]。

任何飛機(jī)蓄電池的充電電流都取決于自充電開始的總經(jīng)歷時(shí)間，計(jì)算如下：

式中：I為蓄電池充電電流；A為蓄電池的安培小時(shí)容量，以1小時(shí)的放電率計(jì)，單位安時(shí)；C為蓄電池充電系數(shù)。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

飛機(jī)電源模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以某型飛機(jī)真實(shí)電源體系為搭建對(duì)象，包含主發(fā)電機(jī)、APU發(fā)電機(jī)、交流匯流條、直流匯流條、變壓整流器(TRU)、蓄電池充電機(jī)和機(jī)載蓄電池模塊，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)電源模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中2個(gè)主發(fā)電機(jī)為交流轉(zhuǎn)換匯流條提供主電源，APU發(fā)電機(jī)可為任一匯流條提供備用輔助電源。蓄電池充電機(jī)連接于2號(hào)地面勤務(wù)匯流條。備用直流匯流條的正常來源是變壓整流器，應(yīng)急來源是機(jī)載蓄電池。利用圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成飛機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，采集系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，蓄電池ELA穩(wěn)態(tài)分析所需的重要參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)

2.2 蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)容量分析

連接檢測設(shè)備，實(shí)際檢測機(jī)載蓄電池啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中的電流值和電壓值，檢測數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線如圖2～圖3所示。

圖2 20℃下實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所測蓄電池電流曲線

圖3 20℃下實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所測蓄電池電壓曲線

由圖2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之初蓄電池輸出電流最高達(dá)645 A，其后電流逐漸降低至82 A。圖3中，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，蓄電池輸出電壓被拉低至13.4 V，而后逐漸升高至20 V。直至發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成，蓄電池基本無輸出電流，兩端電壓穩(wěn)定回至28 V。根據(jù)實(shí)測曲線，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需電量Qstart：

通過式(4)和實(shí)測曲線計(jì)算該飛機(jī)使用機(jī)載蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的總電量為1.95 Ah。

2.3 蓄電池供電飛機(jī)裝載和準(zhǔn)備過程容量分析

飛機(jī)裝載和準(zhǔn)備工作包括乘客進(jìn)艙、飛機(jī)加油、機(jī)內(nèi)外照明、無線電通信和廚房設(shè)備加熱等。表2中飛機(jī)地面裝載和準(zhǔn)備工作過程持續(xù)電量需求30 A，根據(jù)表1中地面裝載和準(zhǔn)備時(shí)間為15 min，計(jì)算蓄電池此階段所需容量Qprepare=It=7.5 Ah。

在表1的9個(gè)飛行狀態(tài)中，蓄電池在裝載和準(zhǔn)備、啟動(dòng)和預(yù)熱階段處于放電狀態(tài)，所需總?cè)萘繛镼start+Qprepare=9.45 Ah。由式(2)可知，該飛機(jī)選裝蓄電池可用容量應(yīng)大于負(fù)載電量需求，由此可計(jì)算得Qn≥9.45 Ah/76.5%=12.35 Ah。通過計(jì)算可知，選裝容量大于12.35 Ah的蓄電池便可滿足該飛機(jī)地面裝載和準(zhǔn)備以及蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)熱所需的電量總需求。

2.4 應(yīng)急情況下蓄電池容量分析

飛機(jī)主電源在飛行過程中出現(xiàn)任何故障狀況，將啟動(dòng)應(yīng)急模式，備用直流匯流條將由正常供電來源TRU1和TRU2自動(dòng)轉(zhuǎn)接為蓄電池供電，見圖1。此時(shí)，蓄電池將作為應(yīng)急電源為飛機(jī)必要設(shè)備提供電力。應(yīng)急情況下，蓄電池可提供的最大飛行時(shí)間Ttotal包括：

式中：Tpre-load為應(yīng)急預(yù)卸載時(shí)間；Tcruise為應(yīng)急時(shí)最大巡航時(shí)間；Tlanding為安全著陸時(shí)間。

假設(shè)飛行員在收到重要匯流條低壓警告5 min后卸載重要匯流條。飛機(jī)上所有自動(dòng)卸載立即執(zhí)行，不需將其加入預(yù)卸載計(jì)算。表2中實(shí)測飛機(jī)重要匯流條正常工作電流值為30 A，則飛機(jī)巡航階段應(yīng)急情況下，預(yù)卸載階段所需蓄電池容量值Qpre-load為 2.5 Ah。

飛機(jī)應(yīng)急情況下，預(yù)留安全著陸時(shí)間為8 min，假設(shè)此時(shí)機(jī)上負(fù)載所需電流為40 A，則飛機(jī)應(yīng)急著陸所需蓄電池容量Qlanding-load為 5.3 Ah。

飛機(jī)蓄電池的容量選擇則需滿足如下公式：

式中：Icruise-load為飛機(jī)應(yīng)急巡航階段負(fù)載電流需求。

假設(shè)該飛機(jī)應(yīng)急巡航飛行時(shí)間為25 min，負(fù)載電流需求值為20 A，根據(jù)式(5)～(6)計(jì)算可得，該飛機(jī)發(fā)生應(yīng)急情況，最大飛行總時(shí)間為38 min，所選蓄電池額定容量Qn至少為21.09 Ah才可滿足飛機(jī)應(yīng)急需求。

2.5 蓄電池負(fù)載分析

飛機(jī)完成地面裝載和準(zhǔn)備、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，蓄電池轉(zhuǎn)為飛機(jī)主電源充電模式，此時(shí)，蓄電池是飛機(jī)匯流條的用電負(fù)載，其充電電流是機(jī)載電源系統(tǒng)的負(fù)載用電需求。因此，飛機(jī)蓄電池充電電流分析是飛機(jī)電源系統(tǒng)負(fù)載分析的重要部分。

通過航空蓄電池容量分析儀，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成額定容量為22 Ah蓄電池的充電實(shí)驗(yàn)，檢測充電曲線如圖4所示。通過實(shí)際檢測可知，該蓄電池充電時(shí)間隨著充電系數(shù)的減小而加長。

圖4 蓄電池充電曲線

根據(jù)表1和圖4，由式(3)計(jì)算滑行、起飛和爬升、巡航、夜航和著陸狀態(tài)下蓄電池的充電電流值，如表3所示。

表3 不同運(yùn)行狀態(tài)下充電電流值

表3中，充電電流隨著時(shí)間的增加逐漸降低，充電初期最高達(dá)74.1 A，飛機(jī)著陸階段充電電流降至4.2 A。

圖1中蓄電池充電機(jī)為恒壓限流型，輸入工作電源為115 V/200 V、頻率400 Hz的交流電，輸出為28 V，電流隨著充電時(shí)間而改變，設(shè)備工作效率為85%。充電器由地面交流匯流條提供電力，結(jié)合表3，計(jì)算蓄電池對(duì)電網(wǎng)的負(fù)載需求變化，如圖5所示。

圖5 蓄電池充電容量需求曲線

由圖5可知，飛機(jī)在一個(gè)正常飛行循環(huán)的不同階段對(duì)交流轉(zhuǎn)換匯流條的需求不同，由計(jì)算可知，隨著時(shí)間的增加，容量需求逐漸減少。飛機(jī)滑行階段的蓄電池充電初期，電量需求高達(dá)2.44 kVA，直至飛行結(jié)束的著陸階段電量需求降至0.168 kVA。

實(shí)測圖1的飛機(jī)電氣模擬系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2號(hào)地面勤務(wù)匯流條的總負(fù)載量。飛機(jī)滑行階段該匯流條的總負(fù)載量為26.2 kVA，圖5中該階段蓄電池的充電需求量占總需求的9.31%；起飛和爬升階段總負(fù)載量為27 kVA，蓄電池充電需求占3.32%；巡航和夜航的占有量分別為2.11%和1.22%；著陸階段總負(fù)載量為23.3 kVA，蓄電池的充電需求量占0.68%。

3 小結(jié)

飛機(jī)供電系統(tǒng)的功能是向機(jī)上用電設(shè)備或系統(tǒng)提供滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的電能，電源系統(tǒng)的容量直接影響了飛機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。ELA分析是飛機(jī)設(shè)計(jì)階段和機(jī)型電氣改裝前的重要工作。蓄電池是飛機(jī)裝載和準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和應(yīng)急情況下的供電設(shè)備，在其他正常飛行階段轉(zhuǎn)變成飛機(jī)電源系統(tǒng)重要匯流條的用電負(fù)載，對(duì)其進(jìn)行ELA分析是飛機(jī)設(shè)計(jì)階段或電氣改裝階段選擇型號(hào)的必須工作[4-5]。

本文以某型飛機(jī)的機(jī)載蓄電池為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，完成其ELA穩(wěn)態(tài)分析。計(jì)算可知，使用蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并供電飛機(jī)裝載和準(zhǔn)備工作共消耗容量為9.45 Ah，該飛機(jī)應(yīng)選裝額定容量大于12.35 Ah的蓄電池可滿足需求；計(jì)算應(yīng)急情況下蓄電池容量的需求，為保證38 min的最長飛行時(shí)間，機(jī)載蓄電池容量至少為21.09 Ah。結(jié)合三種工作狀態(tài)下的容量計(jì)算，選擇22 Ah的蓄電池，完成其負(fù)載分析可知，該蓄電池最大充電電流值為74.1 A，最大電量需求為2.44 kVA，占所連接的飛機(jī)匯流條總負(fù)載量的9.31%。

蓄電池ELA分析包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，本文成功實(shí)現(xiàn)了某型飛機(jī)的機(jī)載蓄電池的穩(wěn)態(tài)ELA分析。通過實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的飛機(jī)蓄電池ELA分析方法和原理正確可行，將為后期對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)和配電電網(wǎng)的ELA分析，包括AC、DC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析奠定一定基礎(chǔ)。

[1]楊樂.飛機(jī)電源系統(tǒng)的建模方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013(9)：17-20.

[2]馮建朝，任仁良.民用飛機(jī)配電系統(tǒng)的研究[J].測控技術(shù)，2012(12)：51-56.

[3]馮建朝，任仁良.飛機(jī)供配電系統(tǒng)保護(hù)器件的研究[J].測控技術(shù)，2013，32：151-156.

[4]孫建全.大飛機(jī)電源系統(tǒng)適航性技術(shù)研究方向分析[J].航空制造技術(shù)，2013(13)：100-105.

[5]任仁良.航空鋰電池的控制與保護(hù)[J].電源技術(shù)，2015(5)：902-906.

ELA steady analysis of aircraft battery based on different flight conditions

YANG Juan,REN Ren-liang
(Engineering Technical Training Center,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Battery was the power supplier of the aircraft during the loading&preparing or engine starting,as well as the emergency situation.During these periods,the battery was the direct current power source,and its capacity should be analyzed.During other operating conditions,battery was charged by the aircraft electrical web,and was the essential load of the aircraft electrical system.The electrical load analysis should be carried out.Firstly,the aircraft battery steady ELA theory was analyzed.Secondly, aircraft electrical system simulated equipment in the laboratory was operated,and the test data were collected.At last,the ELA calculation of the aircraft battery was made based on different flight conditions.The study shows that correct battery ELA analysis method can be used as the technology basic not only for battery configuration choosing during the period of aircraft design, but also for aircraft electrical system's addition or modification.

aircraft battery;electrical load and power source capacity analysis;steady analysis

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1471-04

2017-03-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3122016D009)；民航行業(yè)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)重大項(xiàng)目(AADSA0038)；中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(CAUC-2016-C2-56)

楊娟(1983—)，女，湖北省人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)電源檢測技術(shù)。