不同運行狀態下的飛機蓄電池ELA穩態分析

楊 娟，任仁良

(中國民航大學工程技術訓練中心，天津300300)

不同運行狀態下的飛機蓄電池ELA穩態分析

楊 娟，任仁良

(中國民航大學工程技術訓練中心，天津300300)

航空蓄電池在飛機地面裝載與準備、啟動發動機以及應急狀態下是飛機電氣系統的直流電源，在整機電源容量分析(ELA)時需要進行容量分析。在其他飛行狀態下，蓄電池由飛機電網充電，是飛機電源系統的重要負載，需要對其進行負載分析。分析了飛機蓄電池ELA穩態計算原理；結合實測飛機電氣系統實驗模擬設備運行數據，完成了飛機航空蓄電池在不同工作狀態下的ELA計算研究。研究表明，正確的蓄電池ELA分析可為飛機電氣系統設計中蓄電池選型或機載電子電氣設備加改裝提供必要技術支撐。

飛機蓄電池；電氣負載和容量分析；穩態分析

為確保飛機電源容量配備的合理性，保證全機所有用電設備在各種預定的工作狀態下均能得到足夠的電力供應，保障安全飛行，電氣負載和電源容量分析(ELA)是飛機電氣系統設計或飛機運營期間機上任何電子電氣改裝工作不可缺少的環節。

蓄電池是任何運輸飛機必須安裝的設備，蓄電池分析是飛機ELA分析的重要組成。民航客機機載蓄電池在飛行前裝載和準備階段、啟動發動機/輔助動力裝置(APU)階段或空中主電源和其他輔助電源失效的應急情況時是直流機載電源；在正常飛行階段，蓄電池處于充電狀態，是飛機主電源匯流條的用電負載。民航適航條例規定，選裝蓄電池的容量必須滿足應急情況下持續提供至少30 min的電力供應能力以保證飛機安全著陸；此外，經過多次充放電后的蓄電池實際容量須大于額定容量的85%才可裝上飛機。飛機ELA分析主要包括電源容量分析和電氣負載分析兩方面。對于飛機蓄電池工作狀態的轉變，需要根據不同的飛行狀態對其進行容量分析和負載分析。本文分析了飛機蓄電池ELA穩態計算原理；結合實測飛機電氣系統實驗模擬設備運行數據，完成了飛機航空蓄電池在不同工作狀態下的ELA計算研究。

1 飛機蓄電池ELA分析原理

1.1 運行狀態分析

通常，民航飛機共分9種工作狀態。在不同的工作狀態下，航空蓄電池的充放電狀態將有所不同，如表1所示。

表1中，地面維修期間使用地面電源供電，飛機發動機采用機載蓄電池啟動，夜航或除冰狀態通常設置為飛機電源容量和負載分析最惡劣狀態，以最惡劣狀態帶入分析的結果可一定程度擴大計算結論的適用裕度。

1.2 蓄電池容量分析原理

完成飛機蓄電池容量分析需統計機上所有由蓄電池供電的負載設備的工作功率Pi及其運行時間ti。蓄電池作為機載直流電源，其平均輸出供電電壓穩定在28 V。根據式(1)得出此類飛行狀態下蓄電池完成供電任務所用的安時數。

表1 飛機9種運行狀態與蓄電池充放電時間

式中：Ii是各個負載工作電流；Pi是各個負載工作功率；Qi是所有負載工作總容量；ti是各個負載工作時間。

根據適航規章，蓄電池在正常大氣條件下實際容量至少為額定容量Qn的85%，假設蓄電池充電后的容量可達到90%，則蓄電池可用電量為額定容量的76.5%。由此，為保證所有連接負載的正常工作，飛機電源系統由蓄電池對外供電時，工作總容量應滿足式(2)的條件：

1.3 蓄電池負載分析原理

表1中，飛機滑行、起飛和爬升、巡航、夜航或除冰以及著陸階段，機載蓄電池處于熱充電狀態，此時，蓄電池是飛機電源系統的重要負載。完成蓄電池ELA分析需要對其進行充電效應分析，以確定蓄電池充電電流與充電時間的關系。假設此時蓄電池的溫度處于最惡劣狀況[1-3]。

任何飛機蓄電池的充電電流都取決于自充電開始的總經歷時間，計算如下：

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

2 實例分析

2.1 實驗實測數據

飛機電源模擬實驗系統以某型飛機真實電源體系為搭建對象，包含主發電機、APU發電機、交流匯流條、直流匯流條、變壓整流器(TRU)、蓄電池充電機和機載蓄電池模塊，如圖1所示。

圖1 飛機電源模擬實驗系統

圖1所示實驗系統中2個主發電機為交流轉換匯流條提供主電源，APU發電機可為任一匯流條提供備用輔助電源。蓄電池充電機連接于2號地面勤務匯流條。備用直流匯流條的正常來源是變壓整流器，應急來源是機載蓄電池。利用圖1實驗系統在實驗室內完成飛機運行實驗，采集系統中各個環節實驗數據，蓄電池ELA穩態分析所需的重要參數如表2所示。

表2 實驗室實測數據

2.2 蓄電池啟動發動機容量分析

連接檢測設備，實際檢測機載蓄電池啟動飛機發動機過程中的電流值和電壓值，檢測數據隨時間變化的曲線如圖2～圖3所示。

圖2 20℃下實測發動機啟動時所測蓄電池電流曲線

圖3 20℃下實測發動機啟動時所測蓄電池電壓曲線

由圖2可知，發動機啟動之初蓄電池輸出電流最高達645 A，其后電流逐漸降低至82 A。圖3中，在發動機啟動瞬間，蓄電池輸出電壓被拉低至13.4 V，而后逐漸升高至20 V。直至發動機啟動完成，蓄電池基本無輸出電流，兩端電壓穩定回至28 V。根據實測曲線，計算發動機啟動所需電量Qstart：

通過式(4)和實測曲線計算該飛機使用機載蓄電池啟動發動機所需的總電量為1.95 Ah。

2.3 蓄電池供電飛機裝載和準備過程容量分析

飛機裝載和準備工作包括乘客進艙、飛機加油、機內外照明、無線電通信和廚房設備加熱等。表2中飛機地面裝載和準備工作過程持續電量需求30 A，根據表1中地面裝載和準備時間為15 min，計算蓄電池此階段所需容量Qprepare=It=7.5 Ah。

在表1的9個飛行狀態中，蓄電池在裝載和準備、啟動和預熱階段處于放電狀態，所需總容量為Qstart+Qprepare=9.45 Ah。由式(2)可知，該飛機選裝蓄電池可用容量應大于負載電量需求，由此可計算得Qn≥9.45 Ah/76.5%=12.35 Ah。通過計算可知，選裝容量大于12.35 Ah的蓄電池便可滿足該飛機地面裝載和準備以及蓄電池啟動發動機和預熱所需的電量總需求。

2.4 應急情況下蓄電池容量分析

飛機主電源在飛行過程中出現任何故障狀況，將啟動應急模式，備用直流匯流條將由正常供電來源TRU1和TRU2自動轉接為蓄電池供電，見圖1。此時，蓄電池將作為應急電源為飛機必要設備提供電力。應急情況下，蓄電池可提供的最大飛行時間Ttotal包括：

式中：Tpre-load為應急預卸載時間；Tcruise為應急時最大巡航時間；Tlanding為安全著陸時間。

假設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。飛機上所有自動卸載立即執行，不需將其加入預卸載計算。表2中實測飛機重要匯流條正常工作電流值為30 A，則飛機巡航階段應急情況下，預卸載階段所需蓄電池容量值Qpre-load為 2.5 Ah。

飛機應急情況下，預留安全著陸時間為8 min，假設此時機上負載所需電流為40 A，則飛機應急著陸所需蓄電池容量Qlanding-load為 5.3 Ah。

飛機蓄電池的容量選擇則需滿足如下公式：

式中：Icruise-load為飛機應急巡航階段負載電流需求。

假設該飛機應急巡航飛行時間為25 min，負載電流需求值為20 A，根據式(5)～(6)計算可得，該飛機發生應急情況，最大飛行總時間為38 min，所選蓄電池額定容量Qn至少為21.09 Ah才可滿足飛機應急需求。

2.5 蓄電池負載分析

飛機完成地面裝載和準備、啟動發動機后，蓄電池轉為飛機主電源充電模式，此時，蓄電池是飛機匯流條的用電負載，其充電電流是機載電源系統的負載用電需求。因此，飛機蓄電池充電電流分析是飛機電源系統負載分析的重要部分。

通過航空蓄電池容量分析儀，在實驗室內完成額定容量為22 Ah蓄電池的充電實驗，檢測充電曲線如圖4所示。通過實際檢測可知，該蓄電池充電時間隨著充電系數的減小而加長。

圖4 蓄電池充電曲線

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

表3 不同運行狀態下充電電流值

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

圖1中蓄電池充電機為恒壓限流型，輸入工作電源為115 V/200 V、頻率400 Hz的交流電，輸出為28 V，電流隨著充電時間而改變，設備工作效率為85%。充電器由地面交流匯流條提供電力，結合表3，計算蓄電池對電網的負載需求變化，如圖5所示。

圖5 蓄電池充電容量需求曲線

由圖5可知，飛機在一個正常飛行循環的不同階段對交流轉換匯流條的需求不同，由計算可知，隨著時間的增加，容量需求逐漸減少。飛機滑行階段的蓄電池充電初期，電量需求高達2.44 kVA，直至飛行結束的著陸階段電量需求降至0.168 kVA。

實測圖1的飛機電氣模擬系統的運行數據，統計2號地面勤務匯流條的總負載量。飛機滑行階段該匯流條的總負載量為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%；著陸階段總負載量為23.3 kVA，蓄電池的充電需求量占0.68%。

3 小結

飛機供電系統的功能是向機上用電設備或系統提供滿足設計技術要求的電能，電源系統的容量直接影響了飛機供電系統的可靠性和經濟性。ELA分析是飛機設計階段和機型電氣改裝前的重要工作。蓄電池是飛機裝載和準備、發動機啟動和應急情況下的供電設備，在其他正常飛行階段轉變成飛機電源系統重要匯流條的用電負載，對其進行ELA分析是飛機設計階段或電氣改裝階段選擇型號的必須工作[4-5]。

本文以某型飛機的機載蓄電池為研究對象，結合實驗實測數據，完成其ELA穩態分析。計算可知，使用蓄電池啟動發動機并供電飛機裝載和準備工作共消耗容量為9.45 Ah，該飛機應選裝額定容量大于12.35 Ah的蓄電池可滿足需求；計算應急情況下蓄電池容量的需求，為保證38 min的最長飛行時間，機載蓄電池容量至少為21.09 Ah。結合三種工作狀態下的容量計算，選擇22 Ah的蓄電池，完成其負載分析可知，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，占所連接的飛機匯流條總負載量的9.31%。

蓄電池ELA分析包括穩態和瞬態，本文成功實現了某型飛機的機載蓄電池的穩態ELA分析。通過實例計算結果表明，本文提出的飛機蓄電池ELA分析方法和原理正確可行，將為后期對飛機電源系統和配電電網的ELA分析，包括AC、DC系統穩態和瞬態分析奠定一定基礎。

[1]楊樂.飛機電源系統的建模方法研究[J].科學技術與工程，2013(9)：17-20.

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

[3]馮建朝，任仁良.飛機供配電系統保護器件的研究[J].測控技術，2013，32：151-156.

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

[5]任仁良.航空鋰電池的控制與保護[J].電源技術，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

中央高校基本科研業務費項目(3122016D009)；民航行業安全技術標準重大項目(AADSA0038)；中國民航大學教育教學改革研究項目(CAUC-2016-C2-56)

楊娟(1983—)，女，湖北省人，講師，碩士，主要研究方向為飛機電源檢測技術。