不同运行状态下的飞机蓄电池ELA稳态分析

杨 娟，任仁良

(中国民航大学工程技术训练中心，天津300300)

不同运行状态下的飞机蓄电池ELA稳态分析

杨 娟，任仁良

(中国民航大学工程技术训练中心，天津300300)

航空蓄电池在飞机地面装载与准备、启动发动机以及应急状态下是飞机电气系统的直流电源，在整机电源容量分析(ELA)时需要进行容量分析。在其他飞行状态下，蓄电池由飞机电网充电，是飞机电源系统的重要负载，需要对其进行负载分析。分析了飞机蓄电池ELA稳态计算原理；结合实测飞机电气系统实验模拟设备运行数据，完成了飞机航空蓄电池在不同工作状态下的ELA计算研究。研究表明，正确的蓄电池ELA分析可为飞机电气系统设计中蓄电池选型或机载电子电气设备加改装提供必要技术支撑。

飞机蓄电池；电气负载和容量分析；稳态分析

为确保飞机电源容量配备的合理性，保证全机所有用电设备在各种预定的工作状态下均能得到足够的电力供应，保障安全飞行，电气负载和电源容量分析(ELA)是飞机电气系统设计或飞机运营期间机上任何电子电气改装工作不可缺少的环节。

蓄电池是任何运输飞机必须安装的设备，蓄电池分析是飞机ELA分析的重要组成。民航客机机载蓄电池在飞行前装载和准备阶段、启动发动机/辅助动力装置(APU)阶段或空中主电源和其他辅助电源失效的应急情况时是直流机载电源；在正常飞行阶段，蓄电池处于充电状态，是飞机主电源汇流条的用电负载。民航适航条例规定，选装蓄电池的容量必须满足应急情况下持续提供至少30 min的电力供应能力以保证飞机安全着陆；此外，经过多次充放电后的蓄电池实际容量须大于额定容量的85%才可装上飞机。飞机ELA分析主要包括电源容量分析和电气负载分析两方面。对于飞机蓄电池工作状态的转变，需要根据不同的飞行状态对其进行容量分析和负载分析。本文分析了飞机蓄电池ELA稳态计算原理；结合实测飞机电气系统实验模拟设备运行数据，完成了飞机航空蓄电池在不同工作状态下的ELA计算研究。

1 飞机蓄电池ELA分析原理

1.1 运行状态分析

通常，民航飞机共分9种工作状态。在不同的工作状态下，航空蓄电池的充放电状态将有所不同，如表1所示。

表1中，地面维修期间使用地面电源供电，飞机发动机采用机载蓄电池启动，夜航或除冰状态通常设置为飞机电源容量和负载分析最恶劣状态，以最恶劣状态带入分析的结果可一定程度扩大计算结论的适用裕度。

1.2 蓄电池容量分析原理

完成飞机蓄电池容量分析需统计机上所有由蓄电池供电的负载设备的工作功率Pi及其运行时间ti。蓄电池作为机载直流电源，其平均输出供电电压稳定在28 V。根据式(1)得出此类飞行状态下蓄电池完成供电任务所用的安时数。

表1 飞机9种运行状态与蓄电池充放电时间

式中：Ii是各个负载工作电流；Pi是各个负载工作功率；Qi是所有负载工作总容量；ti是各个负载工作时间。

根据适航规章，蓄电池在正常大气条件下实际容量至少为额定容量Qn的85%，假设蓄电池充电后的容量可达到90%，则蓄电池可用电量为额定容量的76.5%。由此，为保证所有连接负载的正常工作，飞机电源系统由蓄电池对外供电时，工作总容量应满足式(2)的条件：

1.3 蓄电池负载分析原理

表1中，飞机滑行、起飞和爬升、巡航、夜航或除冰以及着陆阶段，机载蓄电池处于热充电状态，此时，蓄电池是飞机电源系统的重要负载。完成蓄电池ELA分析需要对其进行充电效应分析，以确定蓄电池充电电流与充电时间的关系。假设此时蓄电池的温度处于最恶劣状况[1-3]。

任何飞机蓄电池的充电电流都取决于自充电开始的总经历时间，计算如下：

式中：I为蓄电池充电电流；A为蓄电池的安培小时容量，以1小时的放电率计，单位安时；C为蓄电池充电系数。

2 实例分析

2.1 实验实测数据

飞机电源模拟实验系统以某型飞机真实电源体系为搭建对象，包含主发电机、APU发电机、交流汇流条、直流汇流条、变压整流器(TRU)、蓄电池充电机和机载蓄电池模块，如图1所示。

图1 飞机电源模拟实验系统

图1所示实验系统中2个主发电机为交流转换汇流条提供主电源，APU发电机可为任一汇流条提供备用辅助电源。蓄电池充电机连接于2号地面勤务汇流条。备用直流汇流条的正常来源是变压整流器，应急来源是机载蓄电池。利用图1实验系统在实验室内完成飞机运行实验，采集系统中各个环节实验数据，蓄电池ELA稳态分析所需的重要参数如表2所示。

表2 实验室实测数据

2.2 蓄电池启动发动机容量分析

连接检测设备，实际检测机载蓄电池启动飞机发动机过程中的电流值和电压值，检测数据随时间变化的曲线如图2～图3所示。

图2 20℃下实测发动机启动时所测蓄电池电流曲线

图3 20℃下实测发动机启动时所测蓄电池电压曲线

由图2可知，发动机启动之初蓄电池输出电流最高达645 A，其后电流逐渐降低至82 A。图3中，在发动机启动瞬间，蓄电池输出电压被拉低至13.4 V，而后逐渐升高至20 V。直至发动机启动完成，蓄电池基本无输出电流，两端电压稳定回至28 V。根据实测曲线，计算发动机启动所需电量Qstart：

通过式(4)和实测曲线计算该飞机使用机载蓄电池启动发动机所需的总电量为1.95 Ah。

2.3 蓄电池供电飞机装载和准备过程容量分析

飞机装载和准备工作包括乘客进舱、飞机加油、机内外照明、无线电通信和厨房设备加热等。表2中飞机地面装载和准备工作过程持续电量需求30 A，根据表1中地面装载和准备时间为15 min，计算蓄电池此阶段所需容量Qprepare=It=7.5 Ah。

在表1的9个飞行状态中，蓄电池在装载和准备、启动和预热阶段处于放电状态，所需总容量为Qstart+Qprepare=9.45 Ah。由式(2)可知，该飞机选装蓄电池可用容量应大于负载电量需求，由此可计算得Qn≥9.45 Ah/76.5%=12.35 Ah。通过计算可知，选装容量大于12.35 Ah的蓄电池便可满足该飞机地面装载和准备以及蓄电池启动发动机和预热所需的电量总需求。

2.4 应急情况下蓄电池容量分析

飞机主电源在飞行过程中出现任何故障状况，将启动应急模式，备用直流汇流条将由正常供电来源TRU1和TRU2自动转接为蓄电池供电，见图1。此时，蓄电池将作为应急电源为飞机必要设备提供电力。应急情况下，蓄电池可提供的最大飞行时间Ttotal包括：

式中：Tpre-load为应急预卸载时间；Tcruise为应急时最大巡航时间；Tlanding为安全着陆时间。

假设飞行员在收到重要汇流条低压警告5 min后卸载重要汇流条。飞机上所有自动卸载立即执行，不需将其加入预卸载计算。表2中实测飞机重要汇流条正常工作电流值为30 A，则飞机巡航阶段应急情况下，预卸载阶段所需蓄电池容量值Qpre-load为 2.5 Ah。

飞机应急情况下，预留安全着陆时间为8 min，假设此时机上负载所需电流为40 A，则飞机应急着陆所需蓄电池容量Qlanding-load为 5.3 Ah。

飞机蓄电池的容量选择则需满足如下公式：

式中：Icruise-load为飞机应急巡航阶段负载电流需求。

假设该飞机应急巡航飞行时间为25 min，负载电流需求值为20 A，根据式(5)～(6)计算可得，该飞机发生应急情况，最大飞行总时间为38 min，所选蓄电池额定容量Qn至少为21.09 Ah才可满足飞机应急需求。

2.5 蓄电池负载分析

飞机完成地面装载和准备、启动发动机后，蓄电池转为飞机主电源充电模式，此时，蓄电池是飞机汇流条的用电负载，其充电电流是机载电源系统的负载用电需求。因此，飞机蓄电池充电电流分析是飞机电源系统负载分析的重要部分。

通过航空蓄电池容量分析仪，在实验室内完成额定容量为22 Ah蓄电池的充电实验，检测充电曲线如图4所示。通过实际检测可知，该蓄电池充电时间随着充电系数的减小而加长。

图4 蓄电池充电曲线

根据表1和图4，由式(3)计算滑行、起飞和爬升、巡航、夜航和着陆状态下蓄电池的充电电流值，如表3所示。

表3 不同运行状态下充电电流值

表3中，充电电流随着时间的增加逐渐降低，充电初期最高达74.1 A，飞机着陆阶段充电电流降至4.2 A。

图1中蓄电池充电机为恒压限流型，输入工作电源为115 V/200 V、频率400 Hz的交流电，输出为28 V，电流随着充电时间而改变，设备工作效率为85%。充电器由地面交流汇流条提供电力，结合表3，计算蓄电池对电网的负载需求变化，如图5所示。

图5 蓄电池充电容量需求曲线

由图5可知，飞机在一个正常飞行循环的不同阶段对交流转换汇流条的需求不同，由计算可知，随着时间的增加，容量需求逐渐减少。飞机滑行阶段的蓄电池充电初期，电量需求高达2.44 kVA，直至飞行结束的着陆阶段电量需求降至0.168 kVA。

实测图1的飞机电气模拟系统的运行数据，统计2号地面勤务汇流条的总负载量。飞机滑行阶段该汇流条的总负载量为26.2 kVA，图5中该阶段蓄电池的充电需求量占总需求的9.31%；起飞和爬升阶段总负载量为27 kVA，蓄电池充电需求占3.32%；巡航和夜航的占有量分别为2.11%和1.22%；着陆阶段总负载量为23.3 kVA，蓄电池的充电需求量占0.68%。

3 小结

飞机供电系统的功能是向机上用电设备或系统提供满足设计技术要求的电能，电源系统的容量直接影响了飞机供电系统的可靠性和经济性。ELA分析是飞机设计阶段和机型电气改装前的重要工作。蓄电池是飞机装载和准备、发动机启动和应急情况下的供电设备，在其他正常飞行阶段转变成飞机电源系统重要汇流条的用电负载，对其进行ELA分析是飞机设计阶段或电气改装阶段选择型号的必须工作[4-5]。

本文以某型飞机的机载蓄电池为研究对象，结合实验实测数据，完成其ELA稳态分析。计算可知，使用蓄电池启动发动机并供电飞机装载和准备工作共消耗容量为9.45 Ah，该飞机应选装额定容量大于12.35 Ah的蓄电池可满足需求；计算应急情况下蓄电池容量的需求，为保证38 min的最长飞行时间，机载蓄电池容量至少为21.09 Ah。结合三种工作状态下的容量计算，选择22 Ah的蓄电池，完成其负载分析可知，该蓄电池最大充电电流值为74.1 A，最大电量需求为2.44 kVA，占所连接的飞机汇流条总负载量的9.31%。

蓄电池ELA分析包括稳态和瞬态，本文成功实现了某型飞机的机载蓄电池的稳态ELA分析。通过实例计算结果表明，本文提出的飞机蓄电池ELA分析方法和原理正确可行，将为后期对飞机电源系统和配电电网的ELA分析，包括AC、DC系统稳态和瞬态分析奠定一定基础。

[1]杨乐.飞机电源系统的建模方法研究[J].科学技术与工程，2013(9)：17-20.

[2]冯建朝，任仁良.民用飞机配电系统的研究[J].测控技术，2012(12)：51-56.

[3]冯建朝，任仁良.飞机供配电系统保护器件的研究[J].测控技术，2013，32：151-156.

[4]孙建全.大飞机电源系统适航性技术研究方向分析[J].航空制造技术，2013(13)：100-105.

[5]任仁良.航空锂电池的控制与保护[J].电源技术，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

中央高校基本科研业务费项目(3122016D009)；民航行业安全技术标准重大项目(AADSA0038)；中国民航大学教育教学改革研究项目(CAUC-2016-C2-56)

杨娟(1983—)，女，湖北省人，讲师，硕士，主要研究方向为飞机电源检测技术。