康桂文,王 熙,丁大偉,張仁浩
(1.遼寧通用航空研究院,遼寧 沈陽 110136;2.沈陽航空航天大學(xué)通用航空重點(diǎn)實(shí)驗室,遼寧 沈陽 110136;3.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院,遼寧 沈陽 110136;4.中國民用航空局東北地區(qū)管理局適航審定處,遼寧 沈陽 110043)
隨著環(huán)境及能源問題的日漸突出,新能源飛機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)日漸趨熱。電動飛機(jī)與普通的燃油飛機(jī)相比,具有低噪音、高效率、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、維修便捷等優(yōu)點(diǎn)。并且它的電推進(jìn)系統(tǒng)是一種新型的航空動力技術(shù),是電動飛機(jī)的核心,決定著飛機(jī)的性能和用途[1?3]。而鋰電池組作為電動飛機(jī)動力系統(tǒng)的能源供應(yīng)系統(tǒng),它的性能直接影響著飛機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和耐久性。
振動測試是檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)功能以及耐久性能的有效手段,常規(guī)動力的飛機(jī),其關(guān)鍵部件在使用前必須經(jīng)過相應(yīng)的試驗,且具備成熟的檢驗方法。但飛機(jī)動力電池系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段,包含了電、熱、機(jī)械等特性于一身,結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,安裝部位和實(shí)際所處環(huán)境各不相同。關(guān)于新能源電動汽車動力電池組的振動試驗已趨于完善,但是有關(guān)新能源電動飛機(jī)動力電池組的相關(guān)振動試驗,還在不斷地探索當(dāng)中,現(xiàn)在還未有完全成熟和一致的振動測試程序和標(biāo)準(zhǔn)[4]。
飛機(jī)在現(xiàn)實(shí)飛行當(dāng)中會遇到各種不同的實(shí)際情況,進(jìn)而會誘發(fā)和激勵機(jī)械振動,嚴(yán)重時會破壞動力電池組的壽命和各項性能,導(dǎo)致相應(yīng)的故障,甚至引發(fā)安全事故[5?6]。由于我國電動飛機(jī)剛剛起步,相應(yīng)的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)還比較少,需要盡快建立相對完善的測試與適航的標(biāo)準(zhǔn),以指導(dǎo)電動飛機(jī)的研發(fā)。
為加快電動飛機(jī)的研制,在沒有相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)下,以銳翔雙座電動飛機(jī)的動力電池組為研究對象,通過對實(shí)際六種工況的振動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,以此為依據(jù),結(jié)合了傳統(tǒng)飛機(jī)RT?CA?DO?311用于可充電鋰電池系統(tǒng)最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)[7](以下簡稱RTCA?DO?311)和RTCA?DO?160F 機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測試程序[8](以下簡稱RTCA?DO?160F)中的振動測試標(biāo)準(zhǔn),提出了針對銳翔電動飛機(jī)動力電池組的測試方法,并在實(shí)驗室中進(jìn)行了一系列振動試驗,驗證方法的可行性和電池組的適航性。對測試前后及測試中動力電池組的機(jī)械性能和電力性能進(jìn)行了分析和總結(jié),可為電動飛機(jī)適航測試標(biāo)準(zhǔn)的建立提供一定的參考。
“民機(jī)發(fā)展、適航先行?!边m航是民用飛行器安全性能的保障,是民用飛行器邁入海內(nèi)外航空市場的首要條件。適航標(biāo)準(zhǔn)是國家和企業(yè)民用飛機(jī)制造以及使用的重要程序,它對于保證民用飛機(jī)安全起著非常重要的作用。我們國家通過采用歐美等發(fā)達(dá)國家的適航管理制度和方法,逐漸制定了適于我們國家民用飛機(jī)發(fā)展的適航標(biāo)準(zhǔn)和制度。民用航空局通過制定頒布適航標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,對民用飛行器設(shè)計、制造和使用進(jìn)行審定、監(jiān)督、檢查和管理,來確保飛行安全[9]。隨著人們對能源問題的認(rèn)識,以及鋰電池技術(shù)的成熟和發(fā)展,鋰電池逐漸被用于電動飛機(jī)的電動力系統(tǒng),并且是電動飛機(jī)的最重要部分,其適航性也將成為適航審定的關(guān)鍵。由于電動飛機(jī)剛剛興起的,目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的動力電池的成熟的適航標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)RTCA?DO?311用于可充電鋰電池系統(tǒng)最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)和飛機(jī)的實(shí)際工況以及運(yùn)行條件加以修改,用來適用于電動飛機(jī)的動力電池的適航標(biāo)準(zhǔn)。并且根據(jù)其要求對銳翔電動飛機(jī)的動力電池組進(jìn)行了整機(jī)測試以及實(shí)驗室測試,驗證電池組性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
比起傳統(tǒng)的能源供應(yīng)系統(tǒng),電動飛機(jī)用動力電池組包括以下三個方面的優(yōu)點(diǎn):(1)電池的電力性能水平高。體現(xiàn)在電壓高、電量大、充放電流大,工作負(fù)荷功率大,安全性能高等方面。(2)電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電芯拼成電池模塊,再拼成電池組,再加裝電源管理模塊及結(jié)構(gòu)零件,構(gòu)成一個復(fù)雜系統(tǒng)。(3)工作條件復(fù)雜。飛機(jī)飛行的實(shí)際工況復(fù)雜且多變,電池組長期工作在復(fù)雜的電場、磁場、溫度場及力場聯(lián)合作用的環(huán)境中[10?12]。
飛機(jī)在運(yùn)行過程中會受到各種動載荷及振動、噪聲等激勵作用,這些振動同樣構(gòu)成了電池組的振動源[13]。引起振動的因素主要包括:(1)飛機(jī)本身動力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動。(2)機(jī)場跑道對機(jī)身激勵所產(chǎn)生的振動。(3)飛機(jī)飛行中氣流擾動、非平穩(wěn)氣動作用、附面層紊流壓力脈動或急劇激動飛行產(chǎn)生的各種動載荷。(4)飛機(jī)著陸、滑行、剎車等地面操縱產(chǎn)生的沖擊及壓力波作用。(5)外來物撞擊和跌落產(chǎn)生的撞擊載荷等[4,13?14]。
研究振動的基本方法包括理論分析法、實(shí)驗研究法和理論分析與試驗相結(jié)合的方法。理論分析通過把研究對象以及外界對它的作用簡化為一個既簡單又能在動態(tài)特性方面與原來研究對象等效的力學(xué)模型和運(yùn)動方程,求解方程得到響應(yīng)規(guī)律,進(jìn)行研究分析。實(shí)驗研究通常是直接測量振動系統(tǒng)的振動響應(yīng),然后通過分析來認(rèn)識振動特點(diǎn),再采用已知的振源去激振研究對象,測取振動響應(yīng),來認(rèn)識系統(tǒng)特點(diǎn)[15]。采用的是理論與實(shí)驗相結(jié)合的方法,首先通過實(shí)驗測得工況的振級響應(yīng),結(jié)合理論數(shù)據(jù)和測試要求,再對研究對象進(jìn)行實(shí)驗測試,得出實(shí)驗結(jié)果。
試驗以銳翔雙座電動飛機(jī)的2塊動力電池為研究對象,在飛機(jī)運(yùn)行的六種工況下對其電池的典型部位進(jìn)行振動測試和數(shù)據(jù)采集。六種工況包括:(1)地面靜止時發(fā)動機(jī)最大狀態(tài);(2)地面滑跑空速40km∕h(逆風(fēng));(3)地面滑跑空速40km∕h(順風(fēng));(4)地面滑跑空速60km∕h(逆風(fēng));(5)地面滑跑空速60km∕h(順風(fēng));(6)空中飛行。每個測試點(diǎn)同時測量X,Y,Z軸三個方向的振動加速度,三個軸的方向,如圖1所示。采用時域分析、頻域分析聯(lián)合的方式,對此雙座電動飛機(jī)電池振動信號進(jìn)行多角度、全方面分析,完成測試規(guī)定的主要內(nèi)容。
圖1 振動加速度傳感器布置位置Fig.1 Vibration Acceleration Sensor Placement Position
測試系統(tǒng)框圖,如圖2所示。系統(tǒng)主要由三向ICP加速度傳感器、便攜式數(shù)據(jù)采集儀LMS SCADAS Mobile SCR202、移動工作站M4600等設(shè)備組成。測試儀器設(shè)備的簡介,如表1所示。試驗時,2個加速度傳感器分別固定在2塊電池上,振動信號采樣頻率設(shè)為4096Hz。
圖2 電池振動信號測試系統(tǒng)圖Fig.2 Test System of Battery Vibration Signal
表1 測試設(shè)備簡介Tab.1 Introduction to Test Equipment
首先進(jìn)行時域分析,通過實(shí)際測量,得到各測點(diǎn)的時域波形圖和加速度總振級圖,一般從時域信號中可以得到振動加速度在時間上的分布,從加速度總振級圖中可以度量出振動強(qiáng)弱程度[11,16?17]。隨機(jī)振動的強(qiáng)弱通常用加速度的均方值根值Grms表示。其中:
式中:E[y?2]—加速度的均方值;T—一個周期的時間;y?2(t)—加速度?時間函數(shù);p(y?2)—概率密度函數(shù)[18]。
對兩電池組各工況各方向時域信號加速度的峰值、均方值根的峰值統(tǒng)計分析得出電池所處振動環(huán)境可能出現(xiàn)的最惡劣情形。整個測試過程中時域信號最大值出現(xiàn)在“2號電池工況⑥、X軸向(即2號電池在工況⑥空中飛行情況下,X軸方向上的測量值)”數(shù)值中,為3.38g,如圖3所示。均方根值最大值出現(xiàn)在“1號電池工況①、Z軸向(1號電池在工況①地面靜止時發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)下,Z軸方向上的測量值)”數(shù)值中,為1.46g,如圖4所示。
圖3 2號電池工況⑥、X軸向時域波形Fig.3 No.2 Battery Condition ⑥、X?Axis Time Domain Waveform
圖4 1號電池工況①、Z軸向振動加速度總振級Fig.4 No.1 Battery Condition ①、Z?axis Vibration Acceleration Total Vibration Level
頻域分析,對于隨機(jī)過程在頻率域內(nèi)的描述,主要是應(yīng)用功率譜密度函數(shù)來表征隨機(jī)振動過程在各頻率成分上的統(tǒng)計特性。自功率譜密度函數(shù)可由自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換得到[15]:
其逆變換為:
式中:Sx(f)—自功率譜密度函數(shù);f—頻率;Rx(τ)—自相關(guān)函數(shù)。
我們把在整個頻率域范圍內(nèi)定義的Sx(f)叫作雙邊功率譜。但實(shí)際應(yīng)用中,?f不可能出現(xiàn),只有正值的頻率才是有意義的,為此,將只在非負(fù)頻率范圍內(nèi)定義的功率譜稱為單邊功率譜,記作Gx(f)。單邊譜和雙邊譜的關(guān)系為:Gx(f)=2Sx(f)。功率譜密度是用來衡量隨機(jī)振動強(qiáng)弱的物理量,它可以用來判斷振動量均方值的大小,分析隨機(jī)振動含有哪些頻率的簡諧分量,確定各簡諧分量均方值以及所占總量的比例[19?21]。
由各工況下電池振動加速度PSD(功率譜密度)圖觀察得出:總的趨勢是頻率越高,功率譜密度值越??;電池振動的能量和功率譜密度較大值主要集中分布在(0~500)Hz 范圍內(nèi),而(500~1000)Hz范圍內(nèi)的功率譜密度值要比(0~500)Hz范圍內(nèi)的值??;PSD值在各工況下X軸方向上的最大值為19.0e?3g2∕Hz,出現(xiàn)在1號電池在工況:①地面靜止時發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)下,如圖5所示;在各工況下Y軸方向上的最大值為83.8e?3g2∕Hz,出現(xiàn)在1號電池在工況①地面靜止時發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)下,如圖5所示。在各工況下Z軸方向上的最大值為19.6e?3g2∕Hz,出現(xiàn)在2號電池在工況⑥空中飛行情況下,如圖6所示。
圖5 工況①、1號電池振動加速度PSD圖Fig.5 PSD Diagram of Vibration Acceleration of No.1 Batteries and No.1 Working Conditions
圖6 工況⑥、2號電池振動加速度PSD圖Fig.6 PSD Diagram of Vibration Acceleration of No.2 Batteries and No.6 Working Conditions
近年來,隨著電動汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,海內(nèi)外陸續(xù)發(fā)布了一系列電動汽車用動力電池系統(tǒng)的振動測試標(biāo)準(zhǔn)。但是針對飛機(jī)用動力電池組,國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一以及完善的振動測試標(biāo)準(zhǔn),目前主要參照常規(guī)飛機(jī)電氣零部件的振動測試標(biāo)準(zhǔn)?;赗T?CA?DO?311和RTCA?DO?160F 標(biāo)準(zhǔn),選用它的振動試驗部分,對所選動力電池組進(jìn)行了振動測試及分析。RTCA?DO?160F是由RTCA 135特別委員會制定,且在2007年12月6日發(fā)布的機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和測試程序。其測試、測試等級和限值適用于現(xiàn)在實(shí)際使用的所有類型的航空器,包含小型通用航空器、商業(yè)噴氣式飛機(jī)、直升機(jī)、區(qū)域噴氣式飛機(jī)和大型噴氣式飛機(jī)[8]。文件規(guī)定了機(jī)載設(shè)備一系列最低標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境測試條件分類和適用的測試程序。這些測試的目的是提供一種實(shí)驗室手段,用于確定機(jī)載設(shè)備在實(shí)際環(huán)境條件下的性能特征,這些特征預(yù)示了設(shè)備在空中操作時可能發(fā)生的情況[8]。
RTCA?DO?160F中給出了各種航空器的振動測試類別、測試曲線、測試要求及測試程序,其描述的振動測試適用于安裝在固定翼螺旋槳航空器、固定翼渦輪噴氣飛機(jī)、渦輪風(fēng)扇以及改裝渦輪風(fēng)扇航空器和直升飛機(jī)上的設(shè)備[8]。銳翔電動飛機(jī)為普通運(yùn)動型飛機(jī),其設(shè)備只需滿足標(biāo)準(zhǔn)振動測試即可。
固定翼飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)振動試驗表明,機(jī)載設(shè)備需滿足飛機(jī)正常運(yùn)行條件下所經(jīng)歷的振動環(huán)境中的功能性能要求。因此選取RTCA?DO?160F中的圖,如圖7所示。圖中給出了6種加速度均方值(Grms)下的加速度功率譜密度(PSD)隨頻率變化的曲線。從圖中看出7.94g和8.92g的加速度均方值曲線在500Hz時出現(xiàn)峰值0.08g2∕Hz,加速度功率譜密度最大值主要在(0~500)Hz低頻部分,(500~2000)Hz高頻部分的數(shù)值呈直線減小且小于低頻部分[8]。
圖7 振動測試曲線Fig.7 Standard Random Vibration Test Curves
根據(jù)RTCA?DO?311標(biāo)準(zhǔn)中的及前文中飛機(jī)的實(shí)況振動測試數(shù)據(jù)。飛機(jī)振動功率譜密度主要集中于(0~500)Hz間,很少部分存在于(500~2000)Hz的部分。因此選取并制定適用于銳翔飛機(jī)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn):只對(0~500)Hz頻段進(jìn)行振動測試。
根據(jù)RTCA?DO?160F的測試標(biāo)準(zhǔn),有如下的測試要求,且適用于所有振動測試:
(1)安裝待測設(shè)備,確保輸入振動與三個主要的正交軸之一相平行。使用的任何測試夾具應(yīng)盡可能的堅固和對稱。應(yīng)利用設(shè)備規(guī)范中所規(guī)定的方法,將設(shè)備系在固件或振動臺上;(2)在適用的地方,加速度計應(yīng)固定在承受振動的設(shè)備物件上,從而測量并記錄設(shè)備在振動軸向上的振動反應(yīng),確定共振頻率和放大倍數(shù);(3)控制加速度計應(yīng)附著在離安裝于測試每個軸向位置上的設(shè)備盡可能近的測試夾具上。將一個以上的加速度計用于測試電平控制時,正弦測試平均加速度計控制信號或隨機(jī)測試平均加速度功率譜密度應(yīng)當(dāng)作測試電平控制來使用。對于所有振動輸入類型,應(yīng)有合適的圖譜或APSD(自功率譜密度)來證明控制水平滿足測試電平的要求;(4)隨機(jī)振動信號應(yīng)呈現(xiàn)出高斯分布,并且控制信號的瞬時振動加速度峰值可以限制在Grms加速水平的三倍上;(5)測量正弦加速度的設(shè)備系統(tǒng)精度應(yīng)在加速度的±10%以內(nèi),頻率的±2%以內(nèi);(6)如果隨機(jī)振動測試要求超過振動測試系統(tǒng)的電源容量,測試可以在(10~600)Hz 以及(600~2000)Hz 的頻帶上執(zhí)行,規(guī)定的測試時間應(yīng)該應(yīng)用于每個頻帶上。
基于RTCA?DO?160F 的振動測試標(biāo)準(zhǔn),并依據(jù)第2 節(jié)中實(shí)際測試所得數(shù)據(jù),制定了適于銳翔飛機(jī)動力電池的測試程序。在實(shí)驗室中進(jìn)行了一系列振動測試實(shí)驗,驗證了所選動力電池組攜帶或運(yùn)輸過程中遇到振動條件下的安全可靠性。
振動實(shí)驗所用的儀器和設(shè)備主要包括:飛機(jī)用鋰離子動力電池包、振動試驗系統(tǒng)、充電機(jī)、加速度傳感器、電壓測量裝置、電流測量裝置、溫度測量裝置、絕緣電阻測試儀等。所有儀器和設(shè)備狀況良好且滿足精度要求。
RTCA?DO?160F測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,正弦測試在設(shè)備運(yùn)行的情況下執(zhí)行,掃描循環(huán)從最低到最高(升頻掃描),再到帶有不超過1.0 倍頻∕分的最低(下向掃描)特定頻率的合適頻率范圍內(nèi)改變振動頻,振動持續(xù)時間不少于1h,輸入振動幅值不低于0.5mm;隨機(jī)測試在設(shè)備沒有運(yùn)行的情況下執(zhí)行,以不超過1.0 倍頻∕分的掃描率執(zhí)行(10~2000)Hz 的正弦掃描,測試時間為每軸最少1h。由第2節(jié)中對電池實(shí)際振動工況的測試和分析,我們知道:電池在整個測試過程中時域信號出現(xiàn)的最大值為3.38g,均方根值出現(xiàn)的最大值為1.46g;電池振動的能量主要集中分布在(0~500)Hz范圍內(nèi),很少部分存在(500~1000)Hz。
綜合考慮所選電池的實(shí)況測試結(jié)果以及測試標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定,我們最終確定的掃頻方式為:對電池執(zhí)行掃速為0.5倍頻程∕分的正弦振動,其中(5~54)Hz為0.5mm的固定位移幅值,(54~500)Hz為6g的固定加速度幅值;三個軸向分別執(zhí)行1次;振動時間為每個軸向1h。具體測試程序如下:
(1)測試前,電池需靜放20h,測試所處的環(huán)境溫度為27.3°C。
(2)對試驗電池執(zhí)行功能測試,包括電壓,電量,內(nèi)阻等。
(3)電池按標(biāo)準(zhǔn)充電后,以1 A放電10min。標(biāo)準(zhǔn)充電的方法為:①在規(guī)定的環(huán)境條件下,以12.5A的恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V,靜放30s;②將電流降至6.3A,恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V,靜放30s;③將電流降至3.1A,恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V,靜放30s;④將電流降至1.6A,恒定電流充電使每個單體電壓至4.15V,停止充電。標(biāo)準(zhǔn)放電的過程為:在規(guī)定環(huán)境條件下,以25A恒流放電到任意單體電壓≤2.5V時停止。(4)將電池組固定在振動試驗機(jī)上,按照下面的條件進(jìn)行隨機(jī)振動試驗:電池執(zhí)行掃速為0.5倍頻程∕分鐘的正弦振動,其中(5~54)Hz為0.5mm的固定位移幅值,(54~500)Hz為6g的固定加速度幅值;三個軸向分別執(zhí)行1次,振動時間為每個軸向1h;振動前每個軸向執(zhí)行掃頻一次,隨機(jī)振動條件,如表2所示。
表2 振動參數(shù)Tab.2 Vibration Parameters
(5)分別在電池正極與殼體、負(fù)極與殼體間施加500V DC,測量絕緣電阻持續(xù)60s;
(6)在室溫條件下,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電;
(7)將電池按表3進(jìn)行1次工況測試,測試過程中單體電壓≤2.5V則停止測試。測試曲線,如圖8所示。并且測試前后電池電壓,電阻的記錄表,如表4、表5所示。
表3 工況測試參數(shù)表Tab.3 Test Parameter Table Under Working Conditions
圖8 工況測試曲線Fig.8 Test Curve Under Working Conditions
表4 電池電壓記錄表Tab.4 Voltage Record Table
表5 電池內(nèi)阻記錄表Tab.5 Internal Resistance Record Table
實(shí)驗前后,電池殼體無破裂、無尺寸變形、無部件松動、無漏液、無漏氣、無金屬鍍層脫落;電池滿足快放要求、絕緣層無失效、電壓或電流無銳減或中斷、通訊正常、絕緣內(nèi)阻≥500Ω∕V。實(shí)驗結(jié)果符合測試標(biāo)準(zhǔn)的各項要求,并且滿足飛機(jī)的使用要求。
首先完成了整機(jī)實(shí)況振動測試,采集并分析了實(shí)驗數(shù)據(jù),得到了電池組振動特性分析結(jié)果;制定測試標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行實(shí)驗室試驗。其中整機(jī)測試多點(diǎn)位、多工況具有代表性,確定測試標(biāo)準(zhǔn)及要求后的振動臺測試,掃頻及測試時序保證測試結(jié)果真實(shí)有效。綜上得如下結(jié)論:(1)鑒于通航?jīng)]有通用的電動飛機(jī)振動測試標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)銳翔電動飛機(jī)的實(shí)況振動數(shù)據(jù),能量主要集中在(0~500)Hz頻段,結(jié)合RTCA?DO?160F 振動測試的(0~500)Hz 頻段的測試曲線,擬定與研發(fā)相應(yīng)適航測試標(biāo)準(zhǔn),提出了一種有效的測試方法,再進(jìn)行實(shí)驗室試驗,方法有效且結(jié)果滿足測試要求。(2)對新能源飛機(jī)用動力電池組振動問題的分析和研究以及適航性具有指導(dǎo)意義。(3)在沒有完善的電動飛機(jī)適航測試標(biāo)準(zhǔn)前,可采納傳統(tǒng)飛機(jī)的適航測試標(biāo)準(zhǔn)??筛鶕?jù)電動飛機(jī)電池組振動特點(diǎn),對傳統(tǒng)飛機(jī)的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取舍。