飛機直流電源系統(tǒng)不間斷供電的設計

李 蓉

（中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海519040）

0 引言

不間斷供電是對用電設備的一種特殊要求，GJB181A—2003《飛機供電特性》中的3.26條是這樣定義的：在供電電源轉換過程中，用電設備供電不中斷的供電。隨著機載計算機設備的增多，不間斷供電已成為供電系統(tǒng)設計中的關鍵問題?，F(xiàn)代飛機綜合航空電子系統(tǒng)和飛行自動控制系統(tǒng)的使用，增大了機載計算機的使用比例，許多敏感的飛行控制設備和導航設備組成的電氣負載在供電中斷后可能受到干擾而需要重新啟動或重新初始化，如果這些問題發(fā)生在關重系統(tǒng)，將會危及飛行安全，故必須考慮關重系統(tǒng)的不間斷供電問題。本文結合國內外飛機直流電源系統(tǒng)設計思想，探討飛機直流電源系統(tǒng)不間斷供電的實現(xiàn)途徑。

1 國內外現(xiàn)狀

隨著飛機電源系統(tǒng)的發(fā)展，為提高電源系統(tǒng)的可靠性指標，大多數飛機會配置多套電源系統(tǒng)，但直流電源系統(tǒng)仍是電源系統(tǒng)不可或缺的組成部分。為解決直流電源的不間斷供電問題，飛機一般采取將直流發(fā)電機或直流匯流條并聯(lián)的方式。比如波音767飛機，變流器將115V交流電轉換成28V直流電分別供給左、右直流匯流條，當變流器或交流主匯流條出現(xiàn)問題時，連接左、右直流匯流條的接觸器吸合，將左、右直流匯流條并聯(lián)，實現(xiàn)對直流用電設備的不間斷供電。對于國內飛機而言，直流電源主要由直流發(fā)電機或蓄電池提供，因此直流電源系統(tǒng)的不間斷供電主要在直流發(fā)電機與蓄電池之間轉換。

2 實現(xiàn)方法

2.1 基本途徑

直流系統(tǒng)的電氣控制較容易實現(xiàn)，因此對直流關重系統(tǒng)用電設備實現(xiàn)不間斷供電并不十分困難，可以采用多種形式來實現(xiàn)。（1）蓄電池浮充在直流匯流條上，當直流發(fā)電機從電網中退出或故障后，蓄電池直接向匯流條供電；（2）兩臺或多臺直流發(fā)電機通過差動保護裝置進行并聯(lián)，在直流發(fā)電機沒有故障的前提下向直流匯流條供電；（3）使用功率器件與直流發(fā)電機直接串聯(lián)的電路，比如二極管，當一臺發(fā)電機退出電網時，二極管根據電網電壓自動阻斷反流，由另一臺發(fā)電機向匯流條供電。

常規(guī)情況下，我們一般使用上述（1）、（2）條的方法來實現(xiàn)全機直流關重設備的不間斷供電。其中，使用蓄電池直接并聯(lián)在直流供電匯流條上，當直流發(fā)電機切除后蓄電池直接向用電設備供電的方法更為普遍。作為飛機的機載應急電源，蓄電池系統(tǒng)能直接或者間接啟動飛機發(fā)動機，并且在飛機發(fā)動機工作之前或者發(fā)電機發(fā)生故障的情況下，應急提供24V直流電源，并通過電路上的設計，實現(xiàn)直流電源系統(tǒng)的不間斷供電。

2.2 蓄電池系統(tǒng)

2.2.1 蓄電池類型

在常規(guī)電源系統(tǒng)設計中，航空機載蓄電池擔負著地面啟動發(fā)動機與空中應急點火的任務，還負責機上一些重要負載的供電。鎘鎳蓄電池具有大電流放電能力和理想的低溫特性以及工作壽命長等優(yōu)點，它可以直接或者間接啟動各種飛機的發(fā)動機，并在飛機發(fā)動機工作之前或發(fā)電機故障的情況下，提供24V直流電源，蓄電池組可在－55～＋60℃環(huán)境溫度內短期存放，在（25±10）℃的環(huán)境溫度下使用。但鎘鎳蓄電池不能直接浮接在匯流條上，銀鋅蓄電池和鉛酸蓄電池通過直接浮接在匯流條上，可以很容易地實現(xiàn)直流電源系統(tǒng)的不間斷供電。

2.2.2 配電形式

一般情況下，蓄電池系統(tǒng)常見的結構形式有兩種：（1）蓄電池直接與飛機上的28V匯流條并聯(lián)在一起為飛機提供電源（集中式）；（2）蓄電池和機載充電器并聯(lián)后通過匯流條切換來為飛機提供電源（分布式）。

初步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國飛機有的是采取第一種配置形式，有的采用第二種配置方式，比例上前者略大于后者，但分布式系統(tǒng)明顯有逐漸取代集中式配電系統(tǒng)的趨勢，在此基礎上，基于蓄電池的充放電管理需求，機載充電器也越來越多地出現(xiàn)在新型飛機上。

同時也發(fā)現(xiàn)很多飛機的蓄電池系統(tǒng)采用了第二種配置方式，由機載充電器對蓄電池進行升壓方式的恒流恒壓充電（其充電電壓隨溫度自動修正）并實施精細化管理。分析采用該種模式的原因，認為可能出于以下考慮：（1）分布式配電將重要負載和一般負載按安全級別進行了分類，配置在不同的匯流條上，可以避免一般負載對重要負載造成供電影響，提高電源系統(tǒng)的綜合可靠性；（2）某些機載電子設備因為含有易失數據存儲器，其內部安裝有儲能器件，因此需要蓄電池對儲能器件充電；（3）在單次飛行過程中，機載蓄電池的溫度往往會有大幅度變化，例如可能從地面的25℃變化到高空的－20℃，普通的恒壓充電方式不能保障蓄電池的容量水平，必須使用機載充電器；（4）機載充電器除滿足充電需求外，還可以對蓄電池組的狀態(tài)、性能進行在線監(jiān)測，向上位機報告，實現(xiàn)精細化管理。

2.2.3 蓄電池組

蓄電池組要求符合飛機蓄電池專用規(guī)范，承受溫度沖擊、振動、沖擊、溫度—高度、加速度、濕熱、霉菌、鹽霧等環(huán)境條件的作用，而不應出現(xiàn)機械或電氣損壞。

蓄電池組應包含溫度檢測模塊，蓄電池的全電壓、半電壓、溫度信號全部傳遞到機載充電器中，由機載充電器對它們進行處理，然后向外報告。從減重角度考慮，由于安裝有機載充電器，蓄電池組容量可不必留有太多的余量，飛機起飛的容量條件可放寬到70%～80%。

2.2.4 機載充電器

機載充電器承擔對蓄電池組充電的任務，它根據系統(tǒng)要求以及蓄電池組特點，在蓄電池組基本充滿電后，自動轉入涓流充電或者停止充電，蓄電池組或者充電器本身發(fā)生故障以及蓄電池組過冷或者過熱時，能向系統(tǒng)發(fā)出相應的報告，并作出響應的動作；同時，還可以對系統(tǒng)的命令作出響應，進行相應的動作。

按照功能，機載充電器可分成充電器和控制邏輯兩大部分。充電器把輸入的交流電變成直流電流以恒流方式對蓄電池組充電。在充電過程中，充電器接收控制邏輯的信號或者根據蓄電池自身特點，能自動在主充電方式、涓流充電方式、地面充電方式及停充4種狀態(tài)間切換。邏輯功能如下：（1）接收充電禁止信號，停止充電并處于備用狀態(tài)，一旦信號消失，恢復充電狀態(tài)；（2）判別充電器故障信號，充電器輸出電壓大于一定值后為過電壓充電；（3）向機上綜合顯控系統(tǒng)輸出信號，包括充電方式、蓄電池系統(tǒng)故障（蓄電池過冷故障、蓄電池過熱故障、充電器故障）、充電禁止、充電器有電流輸入電壓判斷信號、蓄電池溫度等；（4）保護功能，機載充電器一旦失控，當充電電壓超過規(guī)定值時，則可自行轉入停充狀態(tài)，并發(fā)出故障信號，若故障消失，將自動重新工作。

為保證計算機工作的安全性，飛機上可設置多臺計算機互為熱備份，即多裕度供電，同時配置內置蓄電池組。設計思路如下：通過蓄電池組為計算機分別供電，每臺計算機有多路供電，包括蓄電池組、直流發(fā)電機、交流發(fā)電機和內置蓄電池組。上述電源電壓經二極管表決后為計算機供電，專門設置電壓梯度，確保在直流發(fā)電機、交流發(fā)電機正常的情況下不消耗蓄電池的容量，在蓄電池組正常的情況下不消耗內置蓄電池組的容量。

3 結語

電子設備的迅速發(fā)展對飛機直流電源系統(tǒng)的不間斷供電設計提出了更高的要求，借鑒國內外飛機的先進技術，可以很好地解決飛機直流關重系統(tǒng)不間斷供電的技術難題。

［1］GJB181A—2003 飛機供電特性［S］.

［2］HB6498—91 飛機直流電源系統(tǒng)設計要求［S］.

［3］馬述訓.飛機設計手冊：電氣系統(tǒng)設計［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1999.