混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能限制分析

于 燕王 偉舒泰歌

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，中國 上海200126；2.中國民航大學(xué)適航學(xué)院，中國 天津300300；3.中國民航大學(xué)中歐學(xué)院，中國 天津300300）

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

混動(dòng)飛機(jī)是近年來多電飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)熱門課題[1]。目前，世界各先進(jìn)航空器制造商在混動(dòng) 飛機(jī)儲(chǔ)能上進(jìn)行了可行性探索，尋找未來商業(yè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綠色清潔方案[2]。鉆石、空客等公司探尋了混合動(dòng)力推進(jìn)以及儲(chǔ)能電池的可能性。相對于國外比較深入的混動(dòng)飛機(jī)的儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用，國內(nèi)的混動(dòng)飛機(jī)技術(shù)尚在起步階段。國內(nèi)基于某型混動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行了供電系統(tǒng)、混動(dòng)電機(jī)、仿真平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為混動(dòng)飛機(jī)電源設(shè)計(jì)提供了相關(guān)評估和可行性方法，但是對于混動(dòng)飛機(jī)的儲(chǔ)能策略以及儲(chǔ)能限制分析仍缺乏比較合理的論證[3-8]。本文旨在針對混動(dòng)飛機(jī)的儲(chǔ)能策略進(jìn)行選擇和對儲(chǔ)能限制的分析，為混動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)以及適航提供參考。

2 混動(dòng)儲(chǔ)能飛機(jī)架構(gòu)

混動(dòng)飛機(jī)是一種具備二次能量儲(chǔ)存裝置系統(tǒng)的混合動(dòng)力飛機(jī)，目前的研究多以電能作為二級(jí)能源。混動(dòng)飛機(jī)的儲(chǔ)能廣義上分為燃料和電池，其中燃料以內(nèi)能形式釋放的儲(chǔ)能設(shè)備，而電池是既能將電能儲(chǔ)存又能以電能形式釋放的儲(chǔ)能設(shè)備。一般地，根據(jù)儲(chǔ)能分配形式，混動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)有三種，分為串聯(lián)式、并行式和串聯(lián)并行式。

串聯(lián)式構(gòu)造為燃料儲(chǔ)存的能量通過熱機(jī)對電機(jī)進(jìn)行做功，從而轉(zhuǎn)化為電能為電池充電，再由電池儲(chǔ)存的能量對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行供能。由于能量傳遞路徑只有一條，一旦傳遞路徑中斷，則無法繼續(xù)為發(fā)動(dòng)機(jī)供能，其整體架構(gòu)如圖1（a）所示。并行式有兩種工作模式：一種為熱機(jī)和發(fā)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)輸出；另一種為熱機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)輸出。相比于串聯(lián)式，有兩條完全獨(dú)立儲(chǔ)能和供能路徑，擁有足夠的安全冗余，但電池?zé)o法再充電補(bǔ)充能量,其儲(chǔ)能架構(gòu)如圖1（b）所示。串聯(lián)并行結(jié)合了串聯(lián)和并行式的優(yōu)點(diǎn)，燃料不僅可以為發(fā)動(dòng)機(jī)供能，還能對電池供能充電，燃料和電池的供能路徑又可以是相互獨(dú)立的，二者也可以同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)供能，其儲(chǔ)能架構(gòu)如圖1（c）所示。

3 混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能過程分析

3.1 混動(dòng)飛機(jī)推力過程分析

為驗(yàn)證混動(dòng)飛機(jī)的推力過程，本文選取某航班典型飛行記錄，其發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為CFM56-7B26/27，這里假設(shè)該飛機(jī)雙發(fā)均裝配有串聯(lián)并行式架構(gòu)的混合動(dòng)力和儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能設(shè)備雙發(fā)共享，其儲(chǔ)能架構(gòu)同上圖1（c）。假設(shè)該系統(tǒng)對航班的飛行性能影響可忽略不計(jì)，并且儲(chǔ)能容量足夠大。飛機(jī)在第0秒起飛后，保持最高燃油效率開始爬升，其中一部分功率用于維持爬升狀態(tài)下的飛行剖面，剩余功率通過混動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存在電池中，在第962秒以最經(jīng)濟(jì)速度進(jìn)入高度FL310巡航階段。在第7 052秒后僅用電池供能，飛機(jī)下降，全程共計(jì)145分鐘。實(shí)線為該航班的實(shí)際燃油流量，虛線為使用混動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃油流量，如圖2所示。

圖2 某航班實(shí)際飛行燃油流量

3.2 混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能限制分析

本文采用燃油流量估計(jì)儲(chǔ)能過程，儲(chǔ)能剩余電量為電池存儲(chǔ)的等效燃油量與實(shí)際飛機(jī)下降所需的燃油量之差。若儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)化因子為0.953 9，儲(chǔ)能電量還有剩余。隨著飛機(jī)爬升燃油流量減少，儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)化因子改善儲(chǔ)能剩余電量是有效的但極其有限，故還需要合適的爬升燃油流量進(jìn)行儲(chǔ)能，然而實(shí)際的儲(chǔ)能裝置空間受限，混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能還受限于電池能量密度。

表1 儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)化因子表

4 結(jié)語

本文討論了混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能架構(gòu)，以串聯(lián)并行式儲(chǔ)能架構(gòu)為例分析了混動(dòng)飛機(jī)充能供能方案的儲(chǔ)能限制。混動(dòng)飛機(jī)儲(chǔ)能限制可在于混電儲(chǔ)能容量和轉(zhuǎn)化效率，提高混動(dòng)儲(chǔ)能能量密度和轉(zhuǎn)化效率對混電飛機(jī)的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)具有參考意義。