民用飞机电源系统电能管理技术及发展趋势

陈强

【摘 要】民用飞机多电化发展使得更多的电气设备投入到使用中，能源利用率提高的同时也带来了用电负载增加、用电类型增加、发电机容量增大以及起动功率增大等问题，电能管理技术应运而生。本文阐述了三种不同的电能管理技术，并对其未来发展趋势做了一定展望。

【关键词】多电飞机；电能管理；功率管理；负载管理

0 概述

民用飞机在过去几十年中朝着多电飞机（MEA， More Electrical Aircraft）飞速发展，波音空客等大公司也都陆续推出了自己的新一代多电飞机。多电飞机防冰系统（IPS， Ice Protection System）、环控系统（ECS， Environment Control System）和作动系统等系统正逐步趋向电力驱动[1]，其提供更高的电能利用率和燃油效率的同时，却也面临着更多的电力设备所带来的减重问题和电能管理问题[2]。为了改善上述问题，先进的电能管理技术应运而生。本文将探讨现阶段可行的一些电能管理技术，并将对其未来发展趋势做一定展望。

1 典型民用飞机电源系统介绍

电能管理和飞机的电源系统的发/配电系统息息相关，尽管各型号的飞机有着不同的电源系统方案，但归纳而言，一个典型的电源系统通常由以下及部分组成（如图1所示）：

a）电源：由主发电机、辅助动力装置、外电源和应急电源等组成；

b）电源控制器：用于控制、监测各电源装置；

c）电能变换器：用于实现电能转换；

d）汇流条及馈线：用于连接各电源、电能转换器及用电负载；

e）开关：由接触器、断路器、继电器等组成。

多电飞机电源系统的设计需满足MIL-STD-704的要求，从而保障不同工况下的供电品质。

2 电能管理

电能管理概念的提出是为了防止发电机过载、控制机上电能品质。

2.1 电能管理自由度

电源系统中，以下几个设备的自由度为电能管理带来可能：

a）发电机

根据MIL-STD-704的要求，发电机通常允许一定的短时过载，以应对某些负载启动时启动电流远大于额定电流的情况。

b）负载

负载需要被设计成可开通/关断，以应对飞机起飞、发电机过载等特殊情况，开通/关断动作可以通过固态功率控制器（SSPC， Solid-State Power Controller）自动实现。

c）储能设备

可以将蓄电池、超级电容器组等储能设备集成到配电网络中，必要时进行冲/放电动作，以提高电能质量。

2.2 电能管理技术

电能管理通常由一种或多种技术组成。根据控制对象的不同，电能管理技术可分为：电能管理、功率管理和负载管理。

a）电能管理

电能管理（EM， Energy Management）用于控制电源之间或电源和负载之间的能量流动（如图1所示），通常适用于拥有储能设备的电源系统。现如今，得益于电力电子技术的发展，不同电压等级、功率等级的电源通过双向电能变换器转化后，被投入到电能管理中去。例如，将双向变换器应用到蓄电池充放电电路中，通过对双向变换器中高速开关的有效控制，实现蓄电池的储能和应急放电[3]。

b）功率管理

对于没有储能设备的电源系统，通常用功率管理（PM， Power Management）的概念控制电网上的瞬时功率，保证发电机发出功率与负载吸收功率之间的平衡（如图1所示）。功率管理的概念适用于目前大部分飞机的电源系统，因为这些系统的蓄电池往往只有在应急供电或启动辅助动力装置（APU， Auxiliary Power Unit）时才会被投入使用。

目前，有学者将储能设备当作有源滤波器来吸收电网浪涌的案例，从而更好地控制直流汇流条上的电压品质[4]。

c）负载管理

电气负载管理（ELM， Electrical Load Management）技术的核心在于限制电气负载的数量及其功率吸收，负载管理和负载之间的关系如图1所示。目前，较为通用的负载管理技术是，通过负载管理中心和发电机控制器/汇流条控制器等之间的信息交互实现对发电机/汇流条电压/电流实时监测。当监测值达到卸载阈值时，负载管理中心按一定的优先级次序完成自动卸载，直至负载功率降至设定阈值以下；同样的，当电源恢复时，负载管理中心会按一定的优先级次序完成负载的自动恢复。此外，还允许通过人工方式手动卸载或恢复一些特定负载[5]。

除了电气负载的优先级之外，负载管理通常还会考虑负载的设计安全等级（DAL， Design Assurance Level）。对于那些DAL等级高的负载，一般不会将其纳入卸载清单中。

3 电能管理技术发展趋势

以上阐述了几种现有的电能管理技术。对于多电飞机甚至全电飞机，其负载数量将成倍增加，其电网结构也将变得更为復杂。因此，迫切需要一种更为先进、智能的电能管理手段来降低系统重量、提高供电质量、提升电能效率。本文从以下几方面设想了电能管理技术可能的发展趋势：

a）负载可变优先级

飞机飞行过程中，由于负载的重要性存在差异，因此可将其优先级做动态调整，以提高电能使用效率。

b）电源管理技术

多电飞机一般会拥有多个主发电机、APU发电机等多个电源，可以对这些电源实施电源关机，使整个系统的效率和性能达到最优。

c）能量再生技术

如前文所述，多电飞机的作动系统等正逐步趋向电力驱动，适当情况可以回收再生其能量，最大程度的利用一次能源。

4 结论

本文详细介绍了三种不同的电能管理技术，即电能管理、功率管理和负载管理；对电能管理的发展做了展望，负载动态优先级技术、能量再生技术等可能会成为其将来的发展趋势。

【参考文献】

[1]L.Faleiro，“Beyond the more electric aircraft，”Aerospace America， September 2005，pp.35-40.

[2]T. Schr6ter and D. Schulz，“Efficiency of the electrical system on large modern civil aircraft - status quo analysis，”in Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress， 2010.

[3]胡云涛.小型长程飞行器不间断供电系统的技术研究[D].哈尔滨工程大学， 2011.

[4]H.Zhang，F.Mollet，S.Breban，C.Saudemont and B.Robyns，“Power flow management strategies for a local DC Distribution System of More Electric Aircraft，”2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference， Lille，2010，pp.1-6.

[5]Karimi K J， Breit J S， Helton S B， et al. Intelligent energy management architecture： US， US 7872368 B2[P].2011.

[责任编辑：朱丽娜]