基于不同工作状态下的某型飞机蓄电池容量和负载分析

杨　娟，任仁良，韩　勇

(中国民航大学 工程技术训练中心，天津 300300)



基于不同工作状态下的某型飞机蓄电池容量和负载分析

杨娟，任仁良，韩勇

(中国民航大学 工程技术训练中心，天津 300300)

摘要：航空蓄电池在不同的飞行状态下可能成为电源或机上汇流条的负载，因而在分析飞机电气负载ELA的过程中，航空蓄电池的分析较为特殊。分析计算某型飞机蓄电池，完成飞机装载和准备阶段、应急情况下，蓄电池作为供电系统电源的容量分析；以及正常飞行阶段，蓄电池作为飞机交流汇流条重要负载的充电电流计算。计算方法不仅可用于飞机电气系统设计中的电瓶选型，而且为飞机电气系统加改装提供技术支持，也为后期对飞机电源系统和配电电网的ELA分析奠定了必要的技术基础。

关键词：ELA(负载分析)；蓄电池；容量分析

电气负载和电源容量分析(electrical load analysis，ELA)是飞机供电系统设计以及机型改装中不可缺少的重要环节，根据电气负载分析及电源在各种加载状态下的供电能力，考虑容量裕度和瞬态要求，验证一次电源、二次电源、蓄电池和应急电源等电源的容量是否满足设计规范，从而保证全机所有用电设备的电力供应[1]。

蓄电池是机载设备中较为特殊的一个，在不同的飞行状态下将可能成为电源或机上汇流条的负载，因而其分析方法与其他设备不同。蓄电池容量和负载分析是飞机ELA分析的重要组成部分。在飞机装载和准备阶段为飞机提供电源；或用于启动发动机/APU；或当飞机在飞行过程中主电源和其他辅助电源失效的应急情况下，向重要的飞行仪表和导航等设备供电三种状态下，蓄电池作为直流机载电源设备，需对其进行容量分析。而在正常飞行阶段，蓄电池由机载电网充电，此时蓄电池成为交流汇流条的用电负载，需对其进行负载分析。本文以某飞机机载蓄电池为例，对其进行不同飞行状态下容量分析和负载分析研究[2]。

1　ELA分析假设和设计的标准

飞机ELA分析主要包括电源容量分析和电气负载分析两方面，计算时两者都涵盖AC和DC分析、蓄电池分析、应急和备用电源分析、瞬态分析、地面供电分析等方面[3-5]。

ELA分析前须明确给出分析过程中所有假设和设计标准，如下所述：

(1)假设夜航和除冰状态为飞行的最恶劣着陆条件和操作环境；

(2)短暂/暂时性负载，例如电动活门，开关时间仅几秒钟，不参与计算；

(3)厨房设备在正常飞行中使用，应及时卸载；

(4)通信设备类暂时性负载，根据其工作模式不计入工作电流需求；

(5)周期工作负载参与计算，如加热器、泵等；

(6)通过汇流条与负载间压降评估负载电流；

(7)在未知功率因素情况下，需计算其数值。

2　航空蓄电池ELA分析

2.1蓄电池容量计算

蓄电池的容量是指蓄电池从充满电状态以一定电流放电到放电终止电压所放出的电量，单位为安时，容量计算如式(1)所示。

C=I×t

(1)

式中，C为容量，单位Ah；I为放电电流，单位A；t为放电到截止电压的时间，单位h。

2.2蓄电池容量分析

统计机上由蓄电池供电的用电设备所需功率和工作时间，并按蓄电池平均供电电压24 V计算出所需的平均工作电流，其乘积求和，得出蓄电池供电时间内所需的总安时数，如公式(2)、(3)。

(2)

式中，Ii是负载平均工作电流，单位A；Pi是负载所需功率，单位W。

(3)

式中，Qp是负载工作所需总容量，单位Ah；ti是负载工作时间，单位h。

正常大气条件下，电瓶的一小时率容量为额定容量(铭牌容量)Qn的85%，假设电瓶充电后的容量可达到90%，则蓄电池可用电量为额定容量的76.5%，近似为75%，即

Qavailable=75%Qn

(4)

蓄电池供电负载所需的用电安时数与其放电量之间应满足要求。

Qp≤Qavailable

(5)

2.3蓄电池充电电流分析

根据实际飞行状况，假设蓄电池放电到最低允许电压开始进行充电，对蓄电池充电效应进行分析，以确定蓄电池充电电流与充电时间的关系，并假设蓄电池的温度条件是最恶劣的。[9-11]

任何飞机蓄电池的充电电流都取决于自充电开始的总经历时间，计算如式(6)所示。

I=A×C

(6)

式中，I为平均充电电流，单位A；A为蓄电池的安培小时容量，以1小时的放电率计，单位Ah；C为蓄电池充电曲线中充电系数。

3　分析实例

3.1蓄电池可用容量和飞行状态

本次研究的蓄电池铭牌容量Qn为22.0Ah，由式(4)得蓄电池可用容量Qavailable=22 Ah×75%=16.5 Ah=990 Amin。

飞机电气负载通常随着飞机工作状态的不同而改变，通常飞机有10种工作状态，表1为该飞机各工作状态以及蓄电池所处状态具体情况，其中，夜航或除冰状态巡航设置为ELA分析的最恶劣情况。

表1　飞行状态与蓄电池充放电状态　min

3.2装载和准备状态下蓄电池容量分析

飞机装载和准备工作包括飞机吊装载、加油、照明、无线电通信、电加热和厨房设备加热等，此时如果航空蓄电池为供电电源，则需要进行该阶段的蓄电池容量分析，并计算出可用放电时间。如果完成装载和准备之后还要使用蓄电池启动发动机，则应充分考虑启动所需功率。图1给出了20°时该飞机发动机启动过程中蓄电池的电流和电压值。由图1可知，发动机启动对蓄电池的电量需求随时间增加而降低，在启动初期，蓄电池输出电压被拉低，而后逐渐升高至20V。

根据图1中数据可知，发动机启动所需电量近似计算值,具体如表2所示。电瓶用于启动发动机后剩余电量为16.5-1.95=14.55 (Ah)。

该飞机在地面进行装载和准备阶段持续电量

需求为30A，则15min需要的蓄电池电容量为7.5Ah，小于14.55Ah，满足式(5)的要求。计算得该蓄电池最大装载和准备提供时间为0.485h。

图1　蓄电池电流-电压曲线

间隔/s电流值最大值/A电流值最小值/A平均电流值/A启动所需电量/A-sec0-266057061512302-457049053010604-64904284599186-84283603947888-1036030033066010-1230025027555012-14250207228.545714-1620717118937816-18171136153.530718-2013611412525020-2211410010721422-241009296192发动机启动总需求电量/A-sec7004发动机启动总需求电量/Ah1.95

3.3应急情况下蓄电池容量分析

假设飞行员在收到重要汇流条低压警告5min后卸载重要汇流条，且飞机上所有自动卸载为立即执行，因此不需将其加入预卸载计算。假设飞机重要汇流条正常工作电流值为30A，则飞机巡航阶段应急情况下，预卸载阶段所需电瓶容量值为150Amin。

飞机应急情况下，预留安全着陆时间为8min，假设此时机上负载所需电流为40A，则飞机应急着陆所需蓄电池容量为320Amin。

计算飞机应急情况下最大巡航时间如式(7)所示。

(7)

式中，Tcruise为应急情况下最大巡航时间，Qavailable为蓄电池可用容量，Qpre-load为飞机预卸载汇流条所需蓄电池电量，Qlanding-load为飞机紧急着陆所需蓄电池电量，Lcruise-load为飞机应急巡航阶段负载电流需求。

应急情况下蓄电池可提供的最大飞行时间计算公式如式(8)所示。

Ttotal=Tpre-load+Tcruise+Tlanding

(8)

假设该飞机应急巡航阶段负载电流需求值为20A。根据公式(7)、(8)计算可得，该飞机最大应急巡航飞行时间为26min，最大飞行总时间为39min，即在应急情况下总飞行时间小于39min，则蓄电池容量满足需求，飞机可安全着陆。

3.4蓄电池充电电流分析

飞机上的蓄电池储存的电量消耗完后，需由机载电网充电，此时蓄电池是飞机汇流条的用电负载，其充电电流是机载电源系统的负载用电需求。因此，飞机蓄电池充电电流分析是飞机电源系统负载分析的重要部分。

图2给出了该蓄电池的充电曲线。由图2可知，蓄电池充电时间随着充电系数的减小而加长。根据表1和图2，由公式(6)计算飞机不同飞行状态下，蓄电池充电电流值，如表3所示。

图2　蓄电池充电曲线

操作条件工作状态持续时间/min额定时间区间/min时间总计/min充电系数/A充电电流/A地面维修、校准、装载和准备、启动和预热35————滑行150.080.083.3774.1112.7560.515151.3229.0起飞和爬升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着陆80.08600.235.11610.235.18680.194.2应急0————

由表3可知，随着时间的增加，充电电流逐渐降低，最高的充电电流需求为74A。

已知该蓄电池的机载充电器为恒压限流型，工作电源为115V/200V、400Hz的三相交流电。充电器连接于飞机交流转换汇流条上，假设充电器工作效率为0.85，在充电期间，蓄电池是该飞机交流转换汇流条的负载设备，对该汇流条的负载需求如图3所示。

图3　蓄电池充电容量需求曲线

由图3可知，飞机在飞行的不同阶段对交流转换汇流条的需求不同，随着时间的增加，容量需求逐渐减少。充电初期，即飞机滑行阶段需求量高达2.70kVA，直至飞行结束的着陆阶段需求量降至0.15kVA。以B737-NG飞机为例，飞机滑行阶段转换汇流条的总容量需求为27.4kVA，电瓶的充电需求量占总需求的9.85%；着陆阶段总容量需求为23.3kVA，电瓶的充电需求量占0.64%。由此可见，在转换汇流条ELA分析过程中，考虑蓄电池充电的需求是不可忽略的，特别是在飞机滑行阶段的电瓶充电初期。

4　小结

飞机供电系统的功能是向机上用电设备或系统提供满足设计技术要求的电能，电源系统的容量直接影响了飞机供电系统的可靠性和经济性[14-15]。ELA分析是飞机设计阶段和机型电气改装前的重要工作。蓄电池在飞机发动机启动前、发动机启动和应急情况下的供电设备，在其他正常飞行阶段是不可忽视的用电负载，对其进行ELA分析是飞机设计阶段或电气改装阶段选择型号的重要依据[16-18]。

本文以某型飞机的机载蓄电池为研究对象，完成其ELA分析。根据计算可知，该额定容量为22Ah的蓄电池用于启动发动机消耗容量为1.95Ah，剩余容量能够提供最长0.485h的地面装载和准备的电量需求；此外，该蓄电池在应急情况下可提供飞机39min的运行时长；最后，该蓄电池在发动机启动之后的充电阶段，对机上交流汇流条的容量需求最高达2.70kVA，充至68分钟的着陆阶段，电量需求仍达0.15kVA。

本文针对机载蓄电池的ELA分析研究方法和结果，是后期对飞机电源系统和配电电网的ELA分析(AC、DC系统的稳态和瞬态分析)不可缺少的技术支撑和数据分析基础。

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(责任编辑：刘划英文审校：隋华)

收稿日期：2015-07-10

基金项目：民航行业安全技术标准重大项目(项目编号：AADSA0038)；中国民航大学教育教学改革研究项目(项目编号：CAUC-ETRN-2015-03);中央高校基本科研业务费项目(项目编号：3122016D009)。

作者简介：杨娟(1982-)，女，湖北鄂州人，讲师，主要研究方向：航空器电气系统及其检测技术,E-mail:haishi_yj11@126.com。

文章编号：2095-1248(2016)02-0070-05

中图分类号：V242.3

文献标志码：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

民用航空与安全工程