基于不同工作狀態(tài)下的某型飛機(jī)蓄電池容量和負(fù)載分析

楊　娟，任仁良，韓　勇

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

?

基于不同工作狀態(tài)下的某型飛機(jī)蓄電池容量和負(fù)載分析

楊娟，任仁良，韓勇

(中國(guó)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(jī)上匯流條的負(fù)載，因而在分析飛機(jī)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(jì)算某型飛機(jī)蓄電池，完成飛機(jī)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(jī)交流匯流條重要負(fù)載的充電電流計(jì)算。計(jì)算方法不僅可用于飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電瓶選型，而且為飛機(jī)電氣系統(tǒng)加改裝提供技術(shù)支持，也為后期對(duì)飛機(jī)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(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及機(jī)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(yàn)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(jì)規(guī)范，從而保證全機(jī)所有用電設(shè)備的電力供應(yīng)[1]。

蓄電池是機(jī)載設(shè)備中較為特殊的一個(gè)，在不同的飛行狀態(tài)下將可能成為電源或機(jī)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(jī)ELA分析的重要組成部分。在飛機(jī)裝載和準(zhǔn)備階段為飛機(jī)提供電源；或用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)/APU；或當(dāng)飛機(jī)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(jī)載電源設(shè)備，需對(duì)其進(jìn)行容量分析。而在正常飛行階段，蓄電池由機(jī)載電網(wǎng)充電，此時(shí)蓄電池成為交流匯流條的用電負(fù)載，需對(duì)其進(jìn)行負(fù)載分析。本文以某飛機(jī)機(jī)載蓄電池為例，對(duì)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)

飛機(jī)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(jì)算時(shí)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(jì)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(shí)性負(fù)載，例如電動(dòng)活門，開關(guān)時(shí)間僅幾秒鐘，不參與計(jì)算；

(3)廚房設(shè)備在正常飛行中使用，應(yīng)及時(shí)卸載；

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

(5)周期工作負(fù)載參與計(jì)算，如加熱器、泵等；

(6)通過匯流條與負(fù)載間壓降評(píng)估負(fù)載電流；

(7)在未知功率因素情況下，需計(jì)算其數(shù)值。

2　航空蓄電池ELA分析

2.1蓄電池容量計(jì)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(shí)，容量計(jì)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(shí)間，單位h。

2.2蓄電池容量分析

統(tǒng)計(jì)機(jī)上由蓄電池供電的用電設(shè)備所需功率和工作時(shí)間，并按蓄電池平均供電電壓24 V計(jì)算出所需的平均工作電流，其乘積求和，得出蓄電池供電時(shí)間內(nèi)所需的總安時(shí)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(shí)間，單位h。

正常大氣條件下，電瓶的一小時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(jī)蓄電池的充電電流都取決于自充電開始的總經(jīng)歷時(shí)間，計(jì)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(shí)容量，以1小時(shí)的放電率計(jì)，單位Ah；C為蓄電池充電曲線中充電系數(shù)。

3　分析實(shí)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(jī)電氣負(fù)載通常隨著飛機(jī)工作狀態(tài)的不同而改變，通常飛機(jī)有10種工作狀態(tài)，表1為該飛機(jī)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(jī)裝載和準(zhǔn)備工作包括飛機(jī)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(shí)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(jì)算出可用放電時(shí)間。如果完成裝載和準(zhǔn)備之后還要使用蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，則應(yīng)充分考慮啟動(dòng)所需功率。圖1給出了20°時(shí)該飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中蓄電池的電流和電壓值。由圖1可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)蓄電池的電量需求隨時(shí)間增加而降低，在啟動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需電量近似計(jì)算值,具體如表2所示。電瓶用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后剩余電量為16.5-1.95=14.55 (Ah)。

該飛機(jī)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(jì)算得該蓄電池最大裝載和準(zhǔn)備提供時(shí)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(dòng)所需電量/A-sec0-266057061512302-457049053010604-64904284599186-84283603947888-1036030033066010-1230025027555012-14250207228.545714-1620717118937816-18171136153.530718-2013611412525020-2211410010721422-241009296192發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)總需求電量/A-sec7004發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(jī)上所有自動(dòng)卸載為立即執(zhí)行，因此不需將其加入預(yù)卸載計(jì)算。假設(shè)飛機(jī)重要匯流條正常工作電流值為30A，則飛機(jī)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(jī)應(yīng)急情況下，預(yù)留安全著陸時(shí)間為8min，假設(shè)此時(shí)機(jī)上負(fù)載所需電流為40A，則飛機(jī)應(yīng)急著陸所需蓄電池容量為320Amin。

計(jì)算飛機(jī)應(yīng)急情況下最大巡航時(shí)間如式(7)所示。

(7)

式中，Tcruise為應(yīng)急情況下最大巡航時(shí)間，Qavailable為蓄電池可用容量，Qpre-load為飛機(jī)預(yù)卸載匯流條所需蓄電池電量，Qlanding-load為飛機(jī)緊急著陸所需蓄電池電量，Lcruise-load為飛機(jī)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(shí)間計(jì)算公式如式(8)所示。

Ttotal=Tpre-load+Tcruise+Tlanding

(8)

假設(shè)該飛機(jī)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(jì)算可得，該飛機(jī)最大應(yīng)急巡航飛行時(shí)間為26min，最大飛行總時(shí)間為39min，即在應(yīng)急情況下總飛行時(shí)間小于39min，則蓄電池容量滿足需求，飛機(jī)可安全著陸。

3.4蓄電池充電電流分析

飛機(jī)上的蓄電池儲(chǔ)存的電量消耗完后，需由機(jī)載電網(wǎng)充電，此時(shí)蓄電池是飛機(jī)匯流條的用電負(fù)載，其充電電流是機(jī)載電源系統(tǒng)的負(fù)載用電需求。因此，飛機(jī)蓄電池充電電流分析是飛機(jī)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(shí)間隨著充電系數(shù)的減小而加長(zhǎng)。根據(jù)表1和圖2，由公式(6)計(jì)算飛機(jī)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(shí)間/min額定時(shí)間區(qū)間/min時(shí)間總計(jì)/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(dòng)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)交流轉(zhuǎn)換匯流條的負(fù)載設(shè)備，對(duì)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(jī)在飛行的不同階段對(duì)交流轉(zhuǎn)換匯流條的需求不同，隨著時(shí)間的增加，容量需求逐漸減少。充電初期，即飛機(jī)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(jī)為例，飛機(jī)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(jī)滑行階段的電瓶充電初期。

4　小結(jié)

飛機(jī)供電系統(tǒng)的功能是向機(jī)上用電設(shè)備或系統(tǒng)提供滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的電能，電源系統(tǒng)的容量直接影響了飛機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[14-15]。ELA分析是飛機(jī)設(shè)計(jì)階段和機(jī)型電氣改裝前的重要工作。蓄電池在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(duì)其進(jìn)行ELA分析是飛機(jī)設(shè)計(jì)階段或電氣改裝階段選擇型號(hào)的重要依據(jù)[16-18]。

本文以某型飛機(jī)的機(jī)載蓄電池為研究對(duì)象，完成其ELA分析。根據(jù)計(jì)算可知，該額定容量為22Ah的蓄電池用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗容量為1.95Ah，剩余容量能夠提供最長(zhǎng)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(jī)39min的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；最后，該蓄電池在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后的充電階段，對(duì)機(jī)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(duì)機(jī)載蓄電池的ELA分析研究方法和結(jié)果，是后期對(duì)飛機(jī)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)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]沈頌華.航空航天器供電系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]劉建英，任仁良.飛機(jī)電源系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)民航出版社,2013.

[3]NavalAirEngineeringCenter.Electricalloadandpowersourcecapacity,aircraft,analysisofmilitaryspecification[S].MIL-E-7016F,1976.7

[4]USDepartmentofTransportation.Aircraftelectricalloadanalysisandpowersourcecapacity[S].AustrilianCivilAviationSaftyAuthorityAC21-38(0),2005.3

[5]ASTMInternational.AircraftElectricalLoadandPowerSourceCapacityAnalysis[S].StandardGuideASTMF2490-05,2013,7.

[6]馮建朝,任仁良.飛機(jī)供配電系統(tǒng)保護(hù)器件的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2013(32):151-156.

[7]任仁良.飛機(jī)堿性電瓶最佳充電方式研究及其實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3):40-45.

[8]王守方.GJB860-90《飛機(jī)電氣負(fù)載和電源容量分析》的說明[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1991(3):77-80.

[9]王友仁,嚴(yán)仰光.飛機(jī)電氣系統(tǒng)綜合控制技術(shù)綜述[J].航空電子技術(shù)，1998(3):23-25.

[10]馮建朝,任仁良.民用飛機(jī)配電系統(tǒng)的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2012(12):51-56.

[11]王宏霞,王守方.飛機(jī)電氣系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施中問題分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2000(4):37-39.

[12]楊樂.飛機(jī)電源系統(tǒng)的建模方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013(9):17-20.

[13]陳偉.胡大明.飛機(jī)供電綜合控制系統(tǒng)的仿真研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2007(2):110-115.

[14]劉珂.B777飛機(jī)供電系統(tǒng)的性能分析[J].中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(4):88-89.

[15]杜超,徐蕾.結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)訪問熱點(diǎn)預(yù)測(cè)與負(fù)載均衡機(jī)制研究[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(6):53-57.

[16]鞏建英.先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007(10):1322-1327.

[17]王友仁.機(jī)載電源系統(tǒng)中用電負(fù)載的智能管理[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(27)：79-84.

[18]孫建全.大飛機(jī)電源系統(tǒng)適航性技術(shù)研究方向分析[J].航空制造技術(shù)，2013(13):100-105.

(責(zé)任編輯：劉劃英文審校：隋華)

收稿日期：2015-07-10

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

作者簡(jiǎn)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(cè)技術(shù),E-mail:haishi_yj11@126.com。

文章編號(hào)：2095-1248(2016)02-0070-05

中圖分類號(hào)：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