民用飛機(jī)蓄電池充電技術(shù)方案綜述

摘 要：蓄電池通常被視作民用飛機(jī)的起動能源也是最后可用的能源，其重要性不言而喻。民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)為全機(jī)重要負(fù)載提供應(yīng)急電源，同時(shí)也保證了重要直流負(fù)載的不中斷供電轉(zhuǎn)換。蓄電池的充放電設(shè)計(jì)不僅決定了蓄電池充電速率、可靠性及使用壽命，同時(shí)也受到適航當(dāng)局的重點(diǎn)關(guān)注。文章將基于在役民用飛機(jī)蓄電池及其充放電設(shè)計(jì)方案及作者具體的工程實(shí)踐，闡述歸納蓄電池充放電方案的設(shè)計(jì)考慮。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；蓄電池；蓄電池充電器

1 民用飛機(jī)電源系統(tǒng)

通常來講，現(xiàn)代民用飛機(jī)的電源系統(tǒng)主要由下述幾部分組成：

（1）兩個(gè)三相主交流通道：正常工作時(shí)，兩臺額定輸出電源為115V交流（AC）的主發(fā)電機(jī)（恒頻或變頻）分別為全機(jī)交流用電設(shè)備提供交流電源，一臺APU（Auxiliary Power Unit， APU）發(fā)電機(jī)可代替失效的主發(fā)電機(jī)供電，飛機(jī)在地面時(shí)，可由APU發(fā)電機(jī)或地面外電源提供電源輸入；（2）兩個(gè)主直流通道：正常工作時(shí)，兩臺額定輸出電壓為28V直流（DC）的變壓整流器（Transformer Rectifier Unit， TRU）以及兩臺額定輸出電壓為24V DC的蓄電池（Battery）為全機(jī)直流用電設(shè)備提供直流電源；（3）一個(gè)與主通道相互隔離、并采用非相似性實(shí)現(xiàn)方式的應(yīng)急通道：應(yīng)急交流通道可由主交流通道、沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)或靜止變流器提供電源輸入，應(yīng)急直流通道可由應(yīng)急變壓整流器（Essential TRU）或主直流通道提供電源輸入。

2 民用飛機(jī)蓄電池系統(tǒng)

2.1 蓄電池系統(tǒng)

作為飛機(jī)關(guān)鍵的備用能源，蓄電池系統(tǒng)為全機(jī)重要負(fù)載提供應(yīng)急電源，同時(shí)也保證了重要直流負(fù)載的不中斷供電轉(zhuǎn)換。

蓄電池系統(tǒng)主要由蓄電池、蓄電池充電器、蓄電池接觸器、蓄電池直接匯流條及線路保護(hù)元器件等構(gòu)成。單通道窄體客機(jī)通常設(shè)置主蓄電池和APU蓄電池，為全機(jī)提供應(yīng)急電源并按設(shè)計(jì)需要可為APU提供起動電源。在主交流電源工作時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)。電源系統(tǒng)設(shè)置了蓄電池充電器，對蓄電池的充電過程進(jìn)行了監(jiān)測及控制。同時(shí)蓄電池系統(tǒng)設(shè)置了蓄電池接觸器，保證電源系統(tǒng)正常工作時(shí)蓄電池直接匯流條與直流重要匯流條的隔離。應(yīng)急狀態(tài)下，蓄電池接觸器將被接通，蓄電池可為全機(jī)提供應(yīng)急電源。

2.2 蓄電池充電/控制器

蓄電池系統(tǒng)通常需要設(shè)置蓄電池充電控制器來滿足CCAR25 1353 b6條款的要求：

“鎳鎘蓄電池的安裝必須具有：（1）一個(gè)能夠自動控制蓄電池充電速率的系統(tǒng)，以防止蓄電池過熱；（2）一個(gè)蓄電池溫度敏感和超溫告警的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一旦出現(xiàn)超溫告警情況即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施；（3）一個(gè)蓄電池失效敏感和告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一旦發(fā)生蓄電池失效即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施?！?/p>

為表明對上述條款要求的符合性，蓄電池內(nèi)部或系統(tǒng)通道中設(shè)置了溫度傳感器，電流電壓傳感器等。由蓄電池充電器采集信號，監(jiān)測蓄電池充電狀態(tài)，并將其傳送給電源系統(tǒng)控制器，提供了蓄電池溫度，充電率的控制。當(dāng)檢測到蓄電池的失效或相關(guān)故障時(shí)，蓄電池充電器可停止為蓄電池提供充電電流。通常，民用飛機(jī)的蓄電池充電器通常應(yīng)具備以下三項(xiàng)功能：

（1）控制蓄電池的充放電狀態(tài)以及充電速率；（2）監(jiān)測并向電源系統(tǒng)報(bào)告蓄電池的狀態(tài)，如溫度、電量的監(jiān)測；（3）通過合理的充電控制，延長蓄電池使用壽命。

3 蓄電池充電技術(shù)方案

3.1 民用飛機(jī)的主流方案

目前民用飛機(jī)主流的蓄電池充電控制設(shè)計(jì)分為兩大類，以單通道客機(jī)A320為代表的直流輸入蓄電池控制器和以B737NG、麥道82為代表的交流輸入蓄電池充電器。

A320飛機(jī)上蓄電池系統(tǒng)采用了蓄電池充電限制器（BCL），該控制器件由直流匯流條上取電，兩臺鎳鎘蓄電池均配有一臺專用的蓄電池充電限制器。蓄電池直接匯流條經(jīng)接觸器連接到直流匯流條上，BCL控制蓄電池接觸器，當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，充電循環(huán)開始；當(dāng)蓄電池充電電流低于設(shè)定閾值后充電循環(huán)結(jié)束。同時(shí)，蓄電池充電限制器有自檢測（BIT）功能。

B737NG飛機(jī)上蓄電池系統(tǒng)采用了蓄電池充電器（BC），從交流匯流條上取電，兩臺鎳鎘蓄電池均配有一臺專用的蓄電池充電器（BC）。與A320飛機(jī)相比，B737NG蓄電池充電器內(nèi)部集成了變壓整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出，對蓄電池進(jìn)行充電和控制。在蓄電池得到完全充電后，每臺充電器可轉(zhuǎn)換為變壓整流設(shè)備使用，可為蓄電池直接匯流條提供直流電源。

在A320上應(yīng)用了直流輸入的蓄電池充電控制器，其蓄電池容量均小于30Ah，簡化了系統(tǒng)布置但卻增大了直流系統(tǒng)變壓整流器（TRU）的輸出功率。在B737NG、B767、B777、A380等飛機(jī)，蓄電池系統(tǒng)均采用了交流輸入的蓄電池充電器，由交流匯流條供電，其蓄電池容量均大于30Ah。而且在這類蓄電池充電技術(shù)方案為直流系統(tǒng)提供了額外的用電容量，如B737NG與A380在蓄電池達(dá)到滿充電狀態(tài)時(shí)，每臺蓄電池充電器均可為直流負(fù)載提供電源。B787雖然使用了直流輸入的蓄電池充放電控制器，但是因?yàn)殇囯x子電池的充放電控制要求。

3.2 蓄電池充電方案比較

A320上采用的蓄電池充電限制器（BCL）方案結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部未集成變壓整流裝置，需從飛機(jī)電網(wǎng)的直流匯流條上取電。B737NG上采用的蓄電池充電器方案內(nèi)部集成了變壓整流裝置，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其直可直接由飛機(jī)電網(wǎng)的交流匯流條供電。其優(yōu)缺點(diǎn)對比如下。

交流輸入方案：

優(yōu)點(diǎn)：降低了TRU的功率需求。

缺點(diǎn)：（1）充電過程是一個(gè)通過交流地面服務(wù)匯流條進(jìn)行的地面操作，由地面服務(wù)開關(guān)來手動起動充電。（2）蓄電池充電器由于內(nèi)部集成變壓整流器，其重量體積明顯加大，同時(shí)電磁干擾、散熱等因素也成了重要的設(shè)計(jì)考慮。

直流輸入方案：

優(yōu)點(diǎn)：（1）充電過程由連接到28V直流匯流條上的充電限制器自動控制。（2）不包含變壓器，重量體積減小，可靠性提高。（3）蓄電池總保持在滿容量的同時(shí)使溫度疲勞循環(huán)最小化。

缺點(diǎn)：增大了TRU的輸出功率需求。

4 蓄電池系統(tǒng)充電方案設(shè)計(jì)考慮

交流輸入的蓄電池系統(tǒng)充電方案，系統(tǒng)集成度較低，線路布置較為復(fù)雜，系統(tǒng)集成度不高導(dǎo)致系統(tǒng)重量體積增加，同時(shí)可以預(yù)見可靠性也將低于采用直流輸入的充電方案。另外，由于在波音空客許多機(jī)型中已作為主流的蓄電池技術(shù)方案，已被廣泛使用，技術(shù)成熟且積累了相當(dāng)?shù)倪m航取證經(jīng)驗(yàn)。對于直流輸入的蓄電池系統(tǒng)充電方案，蓄電池直接匯流條的用電需求將由直流匯流條供電，加大了直流系統(tǒng)變壓整流器負(fù)載需求。然而直流輸入方案設(shè)計(jì)也具備了明顯的優(yōu)點(diǎn)，諸如：設(shè)備體積，散熱及可靠性等。

綜上，民用飛機(jī)蓄電池充電方案應(yīng)基于機(jī)型具體配電方案、設(shè)備安裝約束、可靠性要求等多方面因素綜合考慮。

5 其他設(shè)計(jì)考慮

除適航條款衍生出的設(shè)計(jì)需求，應(yīng)同時(shí)考慮于蓄電池系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)蓄電池控制器的功能集成，如可通過新增蓄電池的熱備份功能，以實(shí)現(xiàn)直流重要匯流條的不中斷供電轉(zhuǎn)換，為飛機(jī)重要用電負(fù)載提供不中斷直流電源。

另外，健康管理作為飛機(jī)及機(jī)載系統(tǒng)研發(fā)的一個(gè)趨勢，將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號采集、故障監(jiān)測告警、故障預(yù)測以及后勤維護(hù)決策功能的一體化和高度自動化?？蓢L試在蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行初步嘗試-如蓄電池健康狀態(tài)診斷，給出蓄電池故障預(yù)測和壽命預(yù)測，減少蓄電池的周期定檢降低維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]中國民用航空局.CCAR25.中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空總局，2001（5）.

[2]馬述訓(xùn).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第16冊：電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空出版社，1999.

[3]謝少軍，陳勇.一種通用型航空蓄電池充電器研制[S].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（1）：96-100.

作者簡介：熊天翔（1984-），男，籍貫江西，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院總體氣動部，工程師，碩士研究生，研究方向：系統(tǒng)工程及電氣系統(tǒng)健康管理。

張磊，男，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部。

范瑞杰，男，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部。