飞机直流电源系统不间断供电的设计

李 蓉

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海519040）

0 引言

不间断供电是对用电设备的一种特殊要求，GJB181A—2003《飞机供电特性》中的3.26条是这样定义的：在供电电源转换过程中，用电设备供电不中断的供电。随着机载计算机设备的增多，不间断供电已成为供电系统设计中的关键问题。现代飞机综合航空电子系统和飞行自动控制系统的使用，增大了机载计算机的使用比例，许多敏感的飞行控制设备和导航设备组成的电气负载在供电中断后可能受到干扰而需要重新启动或重新初始化，如果这些问题发生在关重系统，将会危及飞行安全，故必须考虑关重系统的不间断供电问题。本文结合国内外飞机直流电源系统设计思想，探讨飞机直流电源系统不间断供电的实现途径。

1 国内外现状

随着飞机电源系统的发展，为提高电源系统的可靠性指标，大多数飞机会配置多套电源系统，但直流电源系统仍是电源系统不可或缺的组成部分。为解决直流电源的不间断供电问题，飞机一般采取将直流发电机或直流汇流条并联的方式。比如波音767飞机，变流器将115V交流电转换成28V直流电分别供给左、右直流汇流条，当变流器或交流主汇流条出现问题时，连接左、右直流汇流条的接触器吸合，将左、右直流汇流条并联，实现对直流用电设备的不间断供电。对于国内飞机而言，直流电源主要由直流发电机或蓄电池提供，因此直流电源系统的不间断供电主要在直流发电机与蓄电池之间转换。

2 实现方法

2.1 基本途径

直流系统的电气控制较容易实现，因此对直流关重系统用电设备实现不间断供电并不十分困难，可以采用多种形式来实现。（1）蓄电池浮充在直流汇流条上，当直流发电机从电网中退出或故障后，蓄电池直接向汇流条供电；（2）两台或多台直流发电机通过差动保护装置进行并联，在直流发电机没有故障的前提下向直流汇流条供电；（3）使用功率器件与直流发电机直接串联的电路，比如二极管，当一台发电机退出电网时，二极管根据电网电压自动阻断反流，由另一台发电机向汇流条供电。

常规情况下，我们一般使用上述（1）、（2）条的方法来实现全机直流关重设备的不间断供电。其中，使用蓄电池直接并联在直流供电汇流条上，当直流发电机切除后蓄电池直接向用电设备供电的方法更为普遍。作为飞机的机载应急电源，蓄电池系统能直接或者间接启动飞机发动机，并且在飞机发动机工作之前或者发电机发生故障的情况下，应急提供24V直流电源，并通过电路上的设计，实现直流电源系统的不间断供电。

2.2 蓄电池系统

2.2.1 蓄电池类型

在常规电源系统设计中，航空机载蓄电池担负着地面启动发动机与空中应急点火的任务，还负责机上一些重要负载的供电。镉镍蓄电池具有大电流放电能力和理想的低温特性以及工作寿命长等优点，它可以直接或者间接启动各种飞机的发动机，并在飞机发动机工作之前或发电机故障的情况下，提供24V直流电源，蓄电池组可在－55～＋60℃环境温度内短期存放，在（25±10）℃的环境温度下使用。但镉镍蓄电池不能直接浮接在汇流条上，银锌蓄电池和铅酸蓄电池通过直接浮接在汇流条上，可以很容易地实现直流电源系统的不间断供电。

2.2.2 配电形式

一般情况下，蓄电池系统常见的结构形式有两种：（1）蓄电池直接与飞机上的28V汇流条并联在一起为飞机提供电源（集中式）；（2）蓄电池和机载充电器并联后通过汇流条切换来为飞机提供电源（分布式）。

初步统计发现，我国飞机有的是采取第一种配置形式，有的采用第二种配置方式，比例上前者略大于后者，但分布式系统明显有逐渐取代集中式配电系统的趋势，在此基础上，基于蓄电池的充放电管理需求，机载充电器也越来越多地出现在新型飞机上。

同时也发现很多飞机的蓄电池系统采用了第二种配置方式，由机载充电器对蓄电池进行升压方式的恒流恒压充电（其充电电压随温度自动修正）并实施精细化管理。分析采用该种模式的原因，认为可能出于以下考虑：（1）分布式配电将重要负载和一般负载按安全级别进行了分类，配置在不同的汇流条上，可以避免一般负载对重要负载造成供电影响，提高电源系统的综合可靠性；（2）某些机载电子设备因为含有易失数据存储器，其内部安装有储能器件，因此需要蓄电池对储能器件充电；（3）在单次飞行过程中，机载蓄电池的温度往往会有大幅度变化，例如可能从地面的25℃变化到高空的－20℃，普通的恒压充电方式不能保障蓄电池的容量水平，必须使用机载充电器；（4）机载充电器除满足充电需求外，还可以对蓄电池组的状态、性能进行在线监测，向上位机报告，实现精细化管理。

2.2.3 蓄电池组

蓄电池组要求符合飞机蓄电池专用规范，承受温度冲击、振动、冲击、温度—高度、加速度、湿热、霉菌、盐雾等环境条件的作用，而不应出现机械或电气损坏。

蓄电池组应包含温度检测模块，蓄电池的全电压、半电压、温度信号全部传递到机载充电器中，由机载充电器对它们进行处理，然后向外报告。从减重角度考虑，由于安装有机载充电器，蓄电池组容量可不必留有太多的余量，飞机起飞的容量条件可放宽到70%～80%。

2.2.4 机载充电器

机载充电器承担对蓄电池组充电的任务，它根据系统要求以及蓄电池组特点，在蓄电池组基本充满电后，自动转入涓流充电或者停止充电，蓄电池组或者充电器本身发生故障以及蓄电池组过冷或者过热时，能向系统发出相应的报告，并作出响应的动作；同时，还可以对系统的命令作出响应，进行相应的动作。

按照功能，机载充电器可分成充电器和控制逻辑两大部分。充电器把输入的交流电变成直流电流以恒流方式对蓄电池组充电。在充电过程中，充电器接收控制逻辑的信号或者根据蓄电池自身特点，能自动在主充电方式、涓流充电方式、地面充电方式及停充4种状态间切换。逻辑功能如下：（1）接收充电禁止信号，停止充电并处于备用状态，一旦信号消失，恢复充电状态；（2）判别充电器故障信号，充电器输出电压大于一定值后为过电压充电；（3）向机上综合显控系统输出信号，包括充电方式、蓄电池系统故障（蓄电池过冷故障、蓄电池过热故障、充电器故障）、充电禁止、充电器有电流输入电压判断信号、蓄电池温度等；（4）保护功能，机载充电器一旦失控，当充电电压超过规定值时，则可自行转入停充状态，并发出故障信号，若故障消失，将自动重新工作。

为保证计算机工作的安全性，飞机上可设置多台计算机互为热备份，即多裕度供电，同时配置内置蓄电池组。设计思路如下：通过蓄电池组为计算机分别供电，每台计算机有多路供电，包括蓄电池组、直流发电机、交流发电机和内置蓄电池组。上述电源电压经二极管表决后为计算机供电，专门设置电压梯度，确保在直流发电机、交流发电机正常的情况下不消耗蓄电池的容量，在蓄电池组正常的情况下不消耗内置蓄电池组的容量。

3 结语

电子设备的迅速发展对飞机直流电源系统的不间断供电设计提出了更高的要求，借鉴国内外飞机的先进技术，可以很好地解决飞机直流关重系统不间断供电的技术难题。

［1］GJB181A—2003 飞机供电特性［S］.

［2］HB6498—91 飞机直流电源系统设计要求［S］.

［3］马述训.飞机设计手册：电气系统设计［M］.北京：航空工业出版社，1999.