楊　娟，任仁良，韓　勇

(中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

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基于不同工作狀態(tài)下的某型飛機蓄電池容量和負(fù)載分析

楊娟，任仁良，韓勇

(中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

摘要：航空蓄電池在不同的飛行狀態(tài)下可能成為電源或機上匯流條的負(fù)載，因而在分析飛機電氣負(fù)載ELA的過程中，航空蓄電池的分析較為特殊。分析計算某型飛機蓄電池，完成飛機裝載和準(zhǔn)備階段、應(yīng)急情況下，蓄電池作為供電系統(tǒng)電源的容量分析；以及正常飛行階段，蓄電池作為飛機交流匯流條重要負(fù)載的充電電流計算。計算方法不僅可用于飛機電氣系統(tǒng)設(shè)計中的電瓶選型，而且為飛機電氣系統(tǒng)加改裝提供技術(shù)支持，也為后期對飛機電源系統(tǒng)和配電電網(wǎng)的ELA分析奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ELA(負(fù)載分析)；蓄電池；容量分析

電氣負(fù)載和電源容量分析(electrical load analysis，ELA)是飛機供電系統(tǒng)設(shè)計以及機型改裝中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)電氣負(fù)載分析及電源在各種加載狀態(tài)下的供電能力，考慮容量裕度和瞬態(tài)要求，驗證一次電源、二次電源、蓄電池和應(yīng)急電源等電源的容量是否滿足設(shè)計規(guī)范，從而保證全機所有用電設(shè)備的電力供應(yīng)[1]。

蓄電池是機載設(shè)備中較為特殊的一個，在不同的飛行狀態(tài)下將可能成為電源或機上匯流條的負(fù)載，因而其分析方法與其他設(shè)備不同。蓄電池容量和負(fù)載分析是飛機ELA分析的重要組成部分。在飛機裝載和準(zhǔn)備階段為飛機提供電源；或用于啟動發(fā)動機/APU；或當(dāng)飛機在飛行過程中主電源和其他輔助電源失效的應(yīng)急情況下，向重要的飛行儀表和導(dǎo)航等設(shè)備供電三種狀態(tài)下，蓄電池作為直流機載電源設(shè)備，需對其進(jìn)行容量分析。而在正常飛行階段，蓄電池由機載電網(wǎng)充電，此時蓄電池成為交流匯流條的用電負(fù)載，需對其進(jìn)行負(fù)載分析。本文以某飛機機載蓄電池為例，對其進(jìn)行不同飛行狀態(tài)下容量分析和負(fù)載分析研究[2]。

1　ELA分析假設(shè)和設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)

飛機ELA分析主要包括電源容量分析和電氣負(fù)載分析兩方面，計算時兩者都涵蓋AC和DC分析、蓄電池分析、應(yīng)急和備用電源分析、瞬態(tài)分析、地面供電分析等方面[3-5]。

ELA分析前須明確給出分析過程中所有假設(shè)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如下所述：

(1)假設(shè)夜航和除冰狀態(tài)為飛行的最惡劣著陸條件和操作環(huán)境；

(2)短暫/暫時性負(fù)載，例如電動活門，開關(guān)時間僅幾秒鐘，不參與計算；

(3)廚房設(shè)備在正常飛行中使用，應(yīng)及時卸載；

(4)通信設(shè)備類暫時性負(fù)載，根據(jù)其工作模式不計入工作電流需求；

(5)周期工作負(fù)載參與計算，如加熱器、泵等；

(6)通過匯流條與負(fù)載間壓降評估負(fù)載電流；

(7)在未知功率因素情況下，需計算其數(shù)值。

2　航空蓄電池ELA分析

2.1蓄電池容量計算

蓄電池的容量是指蓄電池從充滿電狀態(tài)以一定電流放電到放電終止電壓所放出的電量，單位為安時，容量計算如式(1)所示。

C=I×t

(1)

式中，C為容量，單位Ah；I為放電電流，單位A；t為放電到截止電壓的時間，單位h。

2.2蓄電池容量分析

統(tǒng)計機上由蓄電池供電的用電設(shè)備所需功率和工作時間，并按蓄電池平均供電電壓24 V計算出所需的平均工作電流，其乘積求和，得出蓄電池供電時間內(nèi)所需的總安時數(shù)，如公式(2)、(3)。

(2)

式中，Ii是負(fù)載平均工作電流，單位A；Pi是負(fù)載所需功率，單位W。

(3)

式中，Qp是負(fù)載工作所需總?cè)萘?，單位Ah；ti是負(fù)載工作時間，單位h。

正常大氣條件下，電瓶的一小時率容量為額定容量(銘牌容量)Qn的85%，假設(shè)電瓶充電后的容量可達(dá)到90%，則蓄電池可用電量為額定容量的76.5%，近似為75%，即

Qavailable=75%Qn

(4)

蓄電池供電負(fù)載所需的用電安時數(shù)與其放電量之間應(yīng)滿足要求。

Qp≤Qavailable

(5)

2.3蓄電池充電電流分析

根據(jù)實際飛行狀況，假設(shè)蓄電池放電到最低允許電壓開始進(jìn)行充電，對蓄電池充電效應(yīng)進(jìn)行分析，以確定蓄電池充電電流與充電時間的關(guān)系，并假設(shè)蓄電池的溫度條件是最惡劣的。[9-11]

任何飛機蓄電池的充電電流都取決于自充電開始的總經(jīng)歷時間，計算如式(6)所示。

I=A×C

(6)

式中，I為平均充電電流，單位A；A為蓄電池的安培小時容量，以1小時的放電率計，單位Ah；C為蓄電池充電曲線中充電系數(shù)。

3　分析實例

3.1蓄電池可用容量和飛行狀態(tài)

本次研究的蓄電池銘牌容量Qn為22.0Ah，由式(4)得蓄電池可用容量Qavailable=22 Ah×75%=16.5 Ah=990 Amin。

飛機電氣負(fù)載通常隨著飛機工作狀態(tài)的不同而改變，通常飛機有10種工作狀態(tài)，表1為該飛機各工作狀態(tài)以及蓄電池所處狀態(tài)具體情況，其中，夜航或除冰狀態(tài)巡航設(shè)置為ELA分析的最惡劣情況。

表1　飛行狀態(tài)與蓄電池充放電狀態(tài)　min

3.2裝載和準(zhǔn)備狀態(tài)下蓄電池容量分析

飛機裝載和準(zhǔn)備工作包括飛機吊裝載、加油、照明、無線電通信、電加熱和廚房設(shè)備加熱等，此時如果航空蓄電池為供電電源，則需要進(jìn)行該階段的蓄電池容量分析，并計算出可用放電時間。如果完成裝載和準(zhǔn)備之后還要使用蓄電池啟動發(fā)動機，則應(yīng)充分考慮啟動所需功率。圖1給出了20°時該飛機發(fā)動機啟動過程中蓄電池的電流和電壓值。由圖1可知，發(fā)動機啟動對蓄電池的電量需求隨時間增加而降低，在啟動初期，蓄電池輸出電壓被拉低，而后逐漸升高至20V。

根據(jù)圖1中數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機啟動所需電量近似計算值,具體如表2所示。電瓶用于啟動發(fā)動機后剩余電量為16.5-1.95=14.55 (Ah)。

該飛機在地面進(jìn)行裝載和準(zhǔn)備階段持續(xù)電量

需求為30A，則15min需要的蓄電池電容量為7.5Ah，小于14.55Ah，滿足式(5)的要求。計算得該蓄電池最大裝載和準(zhǔn)備提供時間為0.485h。

圖1　蓄電池電流-電壓曲線

間隔/s電流值最大值/A電流值最小值/A平均電流值/A啟動所需電量/A-sec0-266057061512302-457049053010604-64904284599186-84283603947888-1036030033066010-1230025027555012-14250207228.545714-1620717118937816-18171136153.530718-2013611412525020-2211410010721422-241009296192發(fā)動機啟動總需求電量/A-sec7004發(fā)動機啟動總需求電量/Ah1.95

3.3應(yīng)急情況下蓄電池容量分析

假設(shè)飛行員在收到重要匯流條低壓警告5min后卸載重要匯流條，且飛機上所有自動卸載為立即執(zhí)行，因此不需將其加入預(yù)卸載計算。假設(shè)飛機重要匯流條正常工作電流值為30A，則飛機巡航階段應(yīng)急情況下，預(yù)卸載階段所需電瓶容量值為150Amin。

飛機應(yīng)急情況下，預(yù)留安全著陸時間為8min，假設(shè)此時機上負(fù)載所需電流為40A，則飛機應(yīng)急著陸所需蓄電池容量為320Amin。

計算飛機應(yīng)急情況下最大巡航時間如式(7)所示。

(7)

式中，Tcruise為應(yīng)急情況下最大巡航時間，Qavailable為蓄電池可用容量，Qpre-load為飛機預(yù)卸載匯流條所需蓄電池電量，Qlanding-load為飛機緊急著陸所需蓄電池電量，Lcruise-load為飛機應(yīng)急巡航階段負(fù)載電流需求。

應(yīng)急情況下蓄電池可提供的最大飛行時間計算公式如式(8)所示。

Ttotal=Tpre-load+Tcruise+Tlanding

(8)

假設(shè)該飛機應(yīng)急巡航階段負(fù)載電流需求值為20A。根據(jù)公式(7)、(8)計算可得，該飛機最大應(yīng)急巡航飛行時間為26min，最大飛行總時間為39min，即在應(yīng)急情況下總飛行時間小于39min，則蓄電池容量滿足需求，飛機可安全著陸。

3.4蓄電池充電電流分析

飛機上的蓄電池儲存的電量消耗完后，需由機載電網(wǎng)充電，此時蓄電池是飛機匯流條的用電負(fù)載，其充電電流是機載電源系統(tǒng)的負(fù)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(tǒng)負(fù)載分析的重要部分。

圖2給出了該蓄電池的充電曲線。由圖2可知，蓄電池充電時間隨著充電系數(shù)的減小而加長。根據(jù)表1和圖2，由公式(6)計算飛機不同飛行狀態(tài)下，蓄電池充電電流值，如表3所示。

圖2　蓄電池充電曲線

操作條件工作狀態(tài)持續(xù)時間/min額定時間區(qū)間/min時間總計/min充電系數(shù)/A充電電流/A地面維修、校準(zhǔn)、裝載和準(zhǔn)備、啟動和預(yù)熱35————滑行150.080.083.3774.1112.7560.515151.3229.0起飛和爬升100.08151.3229.01161.2627.210250.8819.4巡航150.08250.8819.41260.7817.215400.459.9夜航200.08400.459.91410.449.720600.235.1著陸80.08600.235.11610.235.18680.194.2應(yīng)急0————

由表3可知，隨著時間的增加，充電電流逐漸降低，最高的充電電流需求為74A。

已知該蓄電池的機載充電器為恒壓限流型，工作電源為115V/200V、400Hz的三相交流電。充電器連接于飛機交流轉(zhuǎn)換匯流條上，假設(shè)充電器工作效率為0.85，在充電期間，蓄電池是該飛機交流轉(zhuǎn)換匯流條的負(fù)載設(shè)備，對該匯流條的負(fù)載需求如圖3所示。

圖3　蓄電池充電容量需求曲線

由圖3可知，飛機在飛行的不同階段對交流轉(zhuǎn)換匯流條的需求不同，隨著時間的增加，容量需求逐漸減少。充電初期，即飛機滑行階段需求量高達(dá)2.70kVA，直至飛行結(jié)束的著陸階段需求量降至0.15kVA。以B737-NG飛機為例，飛機滑行階段轉(zhuǎn)換匯流條的總?cè)萘啃枨鬄?7.4kVA，電瓶的充電需求量占總需求的9.85%；著陸階段總?cè)萘啃枨鬄?3.3kVA，電瓶的充電需求量占0.64%。由此可見，在轉(zhuǎn)換匯流條ELA分析過程中，考慮蓄電池充電的需求是不可忽略的，特別是在飛機滑行階段的電瓶充電初期。

4　小結(jié)

飛機供電系統(tǒng)的功能是向機上用電設(shè)備或系統(tǒng)提供滿足設(shè)計技術(shù)要求的電能，電源系統(tǒng)的容量直接影響了飛機供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性[14-15]。ELA分析是飛機設(shè)計階段和機型電氣改裝前的重要工作。蓄電池在飛機發(fā)動機啟動前、發(fā)動機啟動和應(yīng)急情況下的供電設(shè)備，在其他正常飛行階段是不可忽視的用電負(fù)載，對其進(jìn)行ELA分析是飛機設(shè)計階段或電氣改裝階段選擇型號的重要依據(jù)[16-18]。

本文以某型飛機的機載蓄電池為研究對象，完成其ELA分析。根據(jù)計算可知，該額定容量為22Ah的蓄電池用于啟動發(fā)動機消耗容量為1.95Ah，剩余容量能夠提供最長0.485h的地面裝載和準(zhǔn)備的電量需求；此外，該蓄電池在應(yīng)急情況下可提供飛機39min的運行時長；最后，該蓄電池在發(fā)動機啟動之后的充電階段，對機上交流匯流條的容量需求最高達(dá)2.70kVA，充至68分鐘的著陸階段，電量需求仍達(dá)0.15kVA。

本文針對機載蓄電池的ELA分析研究方法和結(jié)果，是后期對飛機電源系統(tǒng)和配電電網(wǎng)的ELA分析(AC、DC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析)不可缺少的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：劉劃英文審校：隋華)

收稿日期：2015-07-10

基金項目：民航行業(yè)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)重大項目(項目編號：AADSA0038)；中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(項目編號：CAUC-ETRN-2015-03);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目(項目編號：3122016D009)。

作者簡介：楊娟(1982-)，女，湖北鄂州人，講師，主要研究方向：航空器電氣系統(tǒng)及其檢測技術(shù),E-mail:haishi_yj11@126.com。

文章編號：2095-1248(2016)02-0070-05

中圖分類號：V242.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2016.02.013

Battery capacity and electrical load analysis of an aircraft under different operating conditions

YANG Juan，REN Ren-liang，HAN Yong

(Engineering Technical Training Center,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Abstract：Battery may become the power supplier or electrical load of the buses under different flight conditions,so battery analysis is much different when doing the aircraft electrical load analysis.The capacity analysis of an aircraft battery as supplier of power to the system during the loading,preparation and emergency period has been done.The charging-current calculation of the battery as a load of the ac bus during the normal operation has been completed as well.The analysis method can not only be applied to the selection of battery configuration in aircraft design,but also provide technical support for aircraft electrical system modification.The study lays necessary technical foundation for further ELA of aircraft power supply system and power distribution network.

Key words：ELA (electrical load analysis);battery;capacity analysis

民用航空與安全工程