電動飛機鋰電池振動適航測試研究

康桂文，王 熙，丁大偉，張仁浩

（1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學通用航空重點實驗室，遼寧 沈陽 110136；3.沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136；4.中國民用航空局東北地區(qū)管理局適航審定處，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

隨著環(huán)境及能源問題的日漸突出，新能源飛機的研發(fā)和生產(chǎn)日漸趨熱。電動飛機與普通的燃油飛機相比，具有低噪音、高效率、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、維修便捷等優(yōu)點。并且它的電推進系統(tǒng)是一種新型的航空動力技術(shù)，是電動飛機的核心，決定著飛機的性能和用途[1?3]。而鋰電池組作為電動飛機動力系統(tǒng)的能源供應系統(tǒng)，它的性能直接影響著飛機運行的穩(wěn)定性、安全性和耐久性。

振動測試是檢測設備結(jié)構(gòu)功能以及耐久性能的有效手段，常規(guī)動力的飛機，其關(guān)鍵部件在使用前必須經(jīng)過相應的試驗，且具備成熟的檢驗方法。但飛機動力電池系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段，包含了電、熱、機械等特性于一身，結(jié)構(gòu)復雜多變，安裝部位和實際所處環(huán)境各不相同。關(guān)于新能源電動汽車動力電池組的振動試驗已趨于完善，但是有關(guān)新能源電動飛機動力電池組的相關(guān)振動試驗，還在不斷地探索當中，現(xiàn)在還未有完全成熟和一致的振動測試程序和標準[4]。

飛機在現(xiàn)實飛行當中會遇到各種不同的實際情況，進而會誘發(fā)和激勵機械振動，嚴重時會破壞動力電池組的壽命和各項性能，導致相應的故障，甚至引發(fā)安全事故[5?6]。由于我國電動飛機剛剛起步，相應的試驗方法和標準還比較少，需要盡快建立相對完善的測試與適航的標準，以指導電動飛機的研發(fā)。

為加快電動飛機的研制，在沒有相應測試標準下，以銳翔雙座電動飛機的動力電池組為研究對象，通過對實際六種工況的振動測試數(shù)據(jù)進行處理、分析，以此為依據(jù)，結(jié)合了傳統(tǒng)飛機RT?CA?DO?311用于可充電鋰電池系統(tǒng)最低運行性能標準[7]（以下簡稱RTCA?DO?311）和RTCA?DO?160F 機載設備的環(huán)境條件和測試程序[8]（以下簡稱RTCA?DO?160F）中的振動測試標準，提出了針對銳翔電動飛機動力電池組的測試方法，并在實驗室中進行了一系列振動試驗，驗證方法的可行性和電池組的適航性。對測試前后及測試中動力電池組的機械性能和電力性能進行了分析和總結(jié)，可為電動飛機適航測試標準的建立提供一定的參考。

2 概述

“民機發(fā)展、適航先行。”適航是民用飛行器安全性能的保障，是民用飛行器邁入海內(nèi)外航空市場的首要條件。適航標準是國家和企業(yè)民用飛機制造以及使用的重要程序，它對于保證民用飛機安全起著非常重要的作用。我們國家通過采用歐美等發(fā)達國家的適航管理制度和方法，逐漸制定了適于我們國家民用飛機發(fā)展的適航標準和制度。民用航空局通過制定頒布適航標準和規(guī)定，對民用飛行器設計、制造和使用進行審定、監(jiān)督、檢查和管理，來確保飛行安全[9]。隨著人們對能源問題的認識，以及鋰電池技術(shù)的成熟和發(fā)展，鋰電池逐漸被用于電動飛機的電動力系統(tǒng)，并且是電動飛機的最重要部分，其適航性也將成為適航審定的關(guān)鍵。由于電動飛機剛剛興起的，目前國內(nèi)還沒有相應的動力電池的成熟的適航標準。根據(jù)RTCA?DO?311用于可充電鋰電池系統(tǒng)最低運行性能標準和飛機的實際工況以及運行條件加以修改，用來適用于電動飛機的動力電池的適航標準。并且根據(jù)其要求對銳翔電動飛機的動力電池組進行了整機測試以及實驗室測試，驗證電池組性能是否符合標準。

3 整機振動測試

3.1 電池組特性與研究方法

比起傳統(tǒng)的能源供應系統(tǒng)，電動飛機用動力電池組包括以下三個方面的優(yōu)點：（1）電池的電力性能水平高。體現(xiàn)在電壓高、電量大、充放電流大，工作負荷功率大，安全性能高等方面。（2）電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。電芯拼成電池模塊，再拼成電池組，再加裝電源管理模塊及結(jié)構(gòu)零件，構(gòu)成一個復雜系統(tǒng)。（3）工作條件復雜。飛機飛行的實際工況復雜且多變，電池組長期工作在復雜的電場、磁場、溫度場及力場聯(lián)合作用的環(huán)境中[10?12]。

飛機在運行過程中會受到各種動載荷及振動、噪聲等激勵作用，這些振動同樣構(gòu)成了電池組的振動源[13]。引起振動的因素主要包括：（1）飛機本身動力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動。（2）機場跑道對機身激勵所產(chǎn)生的振動。（3）飛機飛行中氣流擾動、非平穩(wěn)氣動作用、附面層紊流壓力脈動或急劇激動飛行產(chǎn)生的各種動載荷。（4）飛機著陸、滑行、剎車等地面操縱產(chǎn)生的沖擊及壓力波作用。（5）外來物撞擊和跌落產(chǎn)生的撞擊載荷等[4，13?14]。

研究振動的基本方法包括理論分析法、實驗研究法和理論分析與試驗相結(jié)合的方法。理論分析通過把研究對象以及外界對它的作用簡化為一個既簡單又能在動態(tài)特性方面與原來研究對象等效的力學模型和運動方程，求解方程得到響應規(guī)律，進行研究分析。實驗研究通常是直接測量振動系統(tǒng)的振動響應，然后通過分析來認識振動特點，再采用已知的振源去激振研究對象，測取振動響應，來認識系統(tǒng)特點[15]。采用的是理論與實驗相結(jié)合的方法，首先通過實驗測得工況的振級響應，結(jié)合理論數(shù)據(jù)和測試要求，再對研究對象進行實驗測試，得出實驗結(jié)果。

3.2 測試方案與測試系統(tǒng)

試驗以銳翔雙座電動飛機的2塊動力電池為研究對象，在飛機運行的六種工況下對其電池的典型部位進行振動測試和數(shù)據(jù)采集。六種工況包括：（1）地面靜止時發(fā)動機最大狀態(tài)；（2）地面滑跑空速40km∕h（逆風）；（3）地面滑跑空速40km∕h（順風）；（4）地面滑跑空速60km∕h（逆風）；（5）地面滑跑空速60km∕h（順風）；（6）空中飛行。每個測試點同時測量X，Y，Z軸三個方向的振動加速度，三個軸的方向，如圖1所示。采用時域分析、頻域分析聯(lián)合的方式，對此雙座電動飛機電池振動信號進行多角度、全方面分析，完成測試規(guī)定的主要內(nèi)容。

圖1 振動加速度傳感器布置位置Fig.1 Vibration Acceleration Sensor Placement Position

測試系統(tǒng)框圖，如圖2所示。系統(tǒng)主要由三向ICP加速度傳感器、便攜式數(shù)據(jù)采集儀LMS SCADAS Mobile SCR202、移動工作站M4600等設備組成。測試儀器設備的簡介，如表1所示。試驗時，2個加速度傳感器分別固定在2塊電池上，振動信號采樣頻率設為4096Hz。

圖2 電池振動信號測試系統(tǒng)圖Fig.2 Test System of Battery Vibration Signal

表1 測試設備簡介Tab.1 Introduction to Test Equipment

3.3 測試結(jié)果及分析

首先進行時域分析，通過實際測量，得到各測點的時域波形圖和加速度總振級圖，一般從時域信號中可以得到振動加速度在時間上的分布，從加速度總振級圖中可以度量出振動強弱程度[11，16?17]。隨機振動的強弱通常用加速度的均方值根值Grms表示。其中：

式中：E[y?2]—加速度的均方值；T—一個周期的時間；y?2(t)—加速度?時間函數(shù)；p(y?2)—概率密度函數(shù)[18]。

對兩電池組各工況各方向時域信號加速度的峰值、均方值根的峰值統(tǒng)計分析得出電池所處振動環(huán)境可能出現(xiàn)的最惡劣情形。整個測試過程中時域信號最大值出現(xiàn)在“2號電池工況⑥、X軸向（即2號電池在工況⑥空中飛行情況下，X軸方向上的測量值）”數(shù)值中，為3.38g，如圖3所示。均方根值最大值出現(xiàn)在“1號電池工況①、Z軸向（1號電池在工況①地面靜止時發(fā)動機最大狀態(tài)下，Z軸方向上的測量值）”數(shù)值中，為1.46g，如圖4所示。

圖3 2號電池工況⑥、X軸向時域波形Fig.3 No.2 Battery Condition ⑥、X?Axis Time Domain Waveform

圖4 1號電池工況①、Z軸向振動加速度總振級Fig.4 No.1 Battery Condition ①、Z?axis Vibration Acceleration Total Vibration Level

頻域分析，對于隨機過程在頻率域內(nèi)的描述，主要是應用功率譜密度函數(shù)來表征隨機振動過程在各頻率成分上的統(tǒng)計特性。自功率譜密度函數(shù)可由自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換得到[15]：

其逆變換為：

式中：Sx(f)—自功率譜密度函數(shù)；f—頻率；Rx(τ)—自相關(guān)函數(shù)。

我們把在整個頻率域范圍內(nèi)定義的Sx(f)叫作雙邊功率譜。但實際應用中，?f不可能出現(xiàn)，只有正值的頻率才是有意義的，為此，將只在非負頻率范圍內(nèi)定義的功率譜稱為單邊功率譜，記作Gx(f)。單邊譜和雙邊譜的關(guān)系為：Gx(f)=2Sx(f)。功率譜密度是用來衡量隨機振動強弱的物理量，它可以用來判斷振動量均方值的大小，分析隨機振動含有哪些頻率的簡諧分量，確定各簡諧分量均方值以及所占總量的比例[19?21]。

由各工況下電池振動加速度PSD（功率譜密度）圖觀察得出：總的趨勢是頻率越高，功率譜密度值越小；電池振動的能量和功率譜密度較大值主要集中分布在（0～500）Hz 范圍內(nèi)，而（500～1000）Hz范圍內(nèi)的功率譜密度值要比（0～500）Hz范圍內(nèi)的值小；PSD值在各工況下X軸方向上的最大值為19.0e?3g2∕Hz，出現(xiàn)在1號電池在工況：①地面靜止時發(fā)動機最大狀態(tài)下，如圖5所示；在各工況下Y軸方向上的最大值為83.8e?3g2∕Hz，出現(xiàn)在1號電池在工況①地面靜止時發(fā)動機最大狀態(tài)下，如圖5所示。在各工況下Z軸方向上的最大值為19.6e?3g2∕Hz，出現(xiàn)在2號電池在工況⑥空中飛行情況下，如圖6所示。

圖5 工況①、1號電池振動加速度PSD圖Fig.5 PSD Diagram of Vibration Acceleration of No.1 Batteries and No.1 Working Conditions

圖6 工況⑥、2號電池振動加速度PSD圖Fig.6 PSD Diagram of Vibration Acceleration of No.2 Batteries and No.6 Working Conditions

4 測試標準及要求

4.1 測試標準

近年來，隨著電動汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，海內(nèi)外陸續(xù)發(fā)布了一系列電動汽車用動力電池系統(tǒng)的振動測試標準。但是針對飛機用動力電池組，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一以及完善的振動測試標準，目前主要參照常規(guī)飛機電氣零部件的振動測試標準。基于RT?CA?DO?311和RTCA?DO?160F 標準，選用它的振動試驗部分，對所選動力電池組進行了振動測試及分析。RTCA?DO?160F是由RTCA 135特別委員會制定，且在2007年12月6日發(fā)布的機載設備環(huán)境條件和測試程序。其測試、測試等級和限值適用于現(xiàn)在實際使用的所有類型的航空器，包含小型通用航空器、商業(yè)噴氣式飛機、直升機、區(qū)域噴氣式飛機和大型噴氣式飛機[8]。文件規(guī)定了機載設備一系列最低標準、環(huán)境測試條件分類和適用的測試程序。這些測試的目的是提供一種實驗室手段，用于確定機載設備在實際環(huán)境條件下的性能特征，這些特征預示了設備在空中操作時可能發(fā)生的情況[8]。

RTCA?DO?160F中給出了各種航空器的振動測試類別、測試曲線、測試要求及測試程序，其描述的振動測試適用于安裝在固定翼螺旋槳航空器、固定翼渦輪噴氣飛機、渦輪風扇以及改裝渦輪風扇航空器和直升飛機上的設備[8]。銳翔電動飛機為普通運動型飛機，其設備只需滿足標準振動測試即可。

固定翼飛機的標準振動試驗表明，機載設備需滿足飛機正常運行條件下所經(jīng)歷的振動環(huán)境中的功能性能要求。因此選取RTCA?DO?160F中的圖，如圖7所示。圖中給出了6種加速度均方值（Grms）下的加速度功率譜密度（PSD）隨頻率變化的曲線。從圖中看出7.94g和8.92g的加速度均方值曲線在500Hz時出現(xiàn)峰值0.08g2∕Hz，加速度功率譜密度最大值主要在（0～500）Hz低頻部分，（500～2000）Hz高頻部分的數(shù)值呈直線減小且小于低頻部分[8]。

圖7 振動測試曲線Fig.7 Standard Random Vibration Test Curves

根據(jù)RTCA?DO?311標準中的及前文中飛機的實況振動測試數(shù)據(jù)。飛機振動功率譜密度主要集中于（0～500）Hz間，很少部分存在于（500～2000）Hz的部分。因此選取并制定適用于銳翔飛機的企業(yè)標準：只對（0～500）Hz頻段進行振動測試。

4.2 測試要求

根據(jù)RTCA?DO?160F的測試標準，有如下的測試要求，且適用于所有振動測試：

（1）安裝待測設備，確保輸入振動與三個主要的正交軸之一相平行。使用的任何測試夾具應盡可能的堅固和對稱。應利用設備規(guī)范中所規(guī)定的方法，將設備系在固件或振動臺上；（2）在適用的地方，加速度計應固定在承受振動的設備物件上，從而測量并記錄設備在振動軸向上的振動反應，確定共振頻率和放大倍數(shù)；（3）控制加速度計應附著在離安裝于測試每個軸向位置上的設備盡可能近的測試夾具上。將一個以上的加速度計用于測試電平控制時，正弦測試平均加速度計控制信號或隨機測試平均加速度功率譜密度應當作測試電平控制來使用。對于所有振動輸入類型，應有合適的圖譜或APSD（自功率譜密度）來證明控制水平滿足測試電平的要求；（4）隨機振動信號應呈現(xiàn)出高斯分布，并且控制信號的瞬時振動加速度峰值可以限制在Grms加速水平的三倍上；（5）測量正弦加速度的設備系統(tǒng)精度應在加速度的±10%以內(nèi)，頻率的±2%以內(nèi)；（6）如果隨機振動測試要求超過振動測試系統(tǒng)的電源容量，測試可以在（10～600）Hz 以及（600～2000）Hz 的頻帶上執(zhí)行，規(guī)定的測試時間應該應用于每個頻帶上。

5 振動實驗與分析

基于RTCA?DO?160F 的振動測試標準，并依據(jù)第2 節(jié)中實際測試所得數(shù)據(jù)，制定了適于銳翔飛機動力電池的測試程序。在實驗室中進行了一系列振動測試實驗，驗證了所選動力電池組攜帶或運輸過程中遇到振動條件下的安全可靠性。

振動實驗所用的儀器和設備主要包括：飛機用鋰離子動力電池包、振動試驗系統(tǒng)、充電機、加速度傳感器、電壓測量裝置、電流測量裝置、溫度測量裝置、絕緣電阻測試儀等。所有儀器和設備狀況良好且滿足精度要求。

5.1 測試方法

RTCA?DO?160F測試標準規(guī)定，正弦測試在設備運行的情況下執(zhí)行，掃描循環(huán)從最低到最高（升頻掃描），再到帶有不超過1.0 倍頻∕分的最低（下向掃描）特定頻率的合適頻率范圍內(nèi)改變振動頻，振動持續(xù)時間不少于1h，輸入振動幅值不低于0.5mm；隨機測試在設備沒有運行的情況下執(zhí)行，以不超過1.0 倍頻∕分的掃描率執(zhí)行（10～2000）Hz 的正弦掃描，測試時間為每軸最少1h。由第2節(jié)中對電池實際振動工況的測試和分析，我們知道：電池在整個測試過程中時域信號出現(xiàn)的最大值為3.38g，均方根值出現(xiàn)的最大值為1.46g；電池振動的能量主要集中分布在（0～500）Hz范圍內(nèi)，很少部分存在（500～1000）Hz。

綜合考慮所選電池的實況測試結(jié)果以及測試標準中的相關(guān)規(guī)定，我們最終確定的掃頻方式為：對電池執(zhí)行掃速為0.5倍頻程∕分的正弦振動，其中（5～54）Hz為0.5mm的固定位移幅值，（54～500）Hz為6g的固定加速度幅值；三個軸向分別執(zhí)行1次；振動時間為每個軸向1h。具體測試程序如下：

（1）測試前，電池需靜放20h，測試所處的環(huán)境溫度為27.3°C。

（2）對試驗電池執(zhí)行功能測試，包括電壓，電量，內(nèi)阻等。

（3）電池按標準充電后，以1 A放電10min。標準充電的方法為：①在規(guī)定的環(huán)境條件下，以12.5A的恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V，靜放30s；②將電流降至6.3A，恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V，靜放30s；③將電流降至3.1A，恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V，靜放30s；④將電流降至1.6A，恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V，停止充電。標準放電的過程為：在規(guī)定環(huán)境條件下，以25A恒流放電到任意單體電壓≤2.5V時停止。（4）將電池組固定在振動試驗機上，按照下面的條件進行隨機振動試驗：電池執(zhí)行掃速為0.5倍頻程∕分鐘的正弦振動，其中（5～54）Hz為0.5mm的固定位移幅值，（54～500）Hz為6g的固定加速度幅值；三個軸向分別執(zhí)行1次，振動時間為每個軸向1h；振動前每個軸向執(zhí)行掃頻一次，隨機振動條件，如表2所示。

表2 振動參數(shù)Tab.2 Vibration Parameters

（5）分別在電池正極與殼體、負極與殼體間施加500V DC，測量絕緣電阻持續(xù)60s；

（6）在室溫條件下，進行標準充電；

（7）將電池按表3進行1次工況測試，測試過程中單體電壓≤2.5V則停止測試。測試曲線，如圖8所示。并且測試前后電池電壓，電阻的記錄表，如表4、表5所示。

表3 工況測試參數(shù)表Tab.3 Test Parameter Table Under Working Conditions

圖8 工況測試曲線Fig.8 Test Curve Under Working Conditions

表4 電池電壓記錄表Tab.4 Voltage Record Table

表5 電池內(nèi)阻記錄表Tab.5 Internal Resistance Record Table

5.2 實驗結(jié)果與分析

實驗前后，電池殼體無破裂、無尺寸變形、無部件松動、無漏液、無漏氣、無金屬鍍層脫落；電池滿足快放要求、絕緣層無失效、電壓或電流無銳減或中斷、通訊正常、絕緣內(nèi)阻≥500Ω∕V。實驗結(jié)果符合測試標準的各項要求，并且滿足飛機的使用要求。

6 結(jié)語

首先完成了整機實況振動測試，采集并分析了實驗數(shù)據(jù)，得到了電池組振動特性分析結(jié)果；制定測試標準，進行實驗室試驗。其中整機測試多點位、多工況具有代表性，確定測試標準及要求后的振動臺測試，掃頻及測試時序保證測試結(jié)果真實有效。綜上得如下結(jié)論：（1）鑒于通航?jīng)]有通用的電動飛機振動測試標準，根據(jù)銳翔電動飛機的實況振動數(shù)據(jù)，能量主要集中在（0～500）Hz頻段，結(jié)合RTCA?DO?160F 振動測試的（0～500）Hz 頻段的測試曲線，擬定與研發(fā)相應適航測試標準，提出了一種有效的測試方法，再進行實驗室試驗，方法有效且結(jié)果滿足測試要求。（2）對新能源飛機用動力電池組振動問題的分析和研究以及適航性具有指導意義。（3）在沒有完善的電動飛機適航測試標準前，可采納傳統(tǒng)飛機的適航測試標準。可根據(jù)電動飛機電池組振動特點，對傳統(tǒng)飛機的測試標準進行取舍。