一种混合动力飞机动力系统试验台架的设计研究

李慧颖

(中电科芜湖通用航空产业技术研究院有限公司,安徽 芜湖241000)

0 引 言

目前混合动力飞机国外尚处于起步研发阶段，基本为原理样机，实际应用的产品尚不明确。国内现已开始着手研发混合动力飞机，但试验验证手段非常有限，为满足混合动力飞机研发的需求，自行设计一套混合动力飞机动力系统试验台架，以验证各个系统的设计指标。陈燕平[1]、赵海霞[2]对混合动力试验台架进行了研究，对本文的研究具有借鉴意义；龚贤武[3]、周翔[4]对混合动力系统控制策略进行了研究，对本文的研究具有指导意义。

1 混合动力系统概述

试验台架的试验对象为飞机用串联式混合动力总成，原理如图1所示，主要部件参数如表1所示。

图1 混合动力系统原理图

表1 混合动力系统关键部件参数

本套混合动力系统驱动电动机选用斯洛文尼亚EMRAX268电动机，发动机选取Austro Engine AE50R航空转子发动机，发电机和集成控制器自主研发，动力电池自主设计封装。

2 试验台架构成

飞机用混合动力系统试验台架主要由电力测功机、变频器、计算机控制台、铁地板、增程系统试验台、冷却液恒温装置等组成。试验台架原理图、设计方案及实物如图2～图4所示。测功机模拟螺旋桨负载；计算机控制台控制测功机的转速和转矩，并监测记录相关数据；转矩转速传感器将数据传递给计算机控制台，以便试验员掌握测功机加载情况；增程系统试验台支撑及固定发动机与发电机组成的增程系统；冷却液恒温装置保障电动机与控制器热平衡。

测功机及变频器选取ABB-AC110T交流电力测功机，额定功率为110 kW，最高转速为4000 r/min，额定转矩为350 N·m；计算机系统选取研华工控机；冷却液恒温装置选取科姆森CA-15T冷水机，制冷量为39.15 kW。

3 试验台架的通信及控制方式

整个测试系统主要利用CAN总线网络实现控制信息的交互。

混合动力飞机动力系统控制系统主要由驱动电动机控制器、集成控制器、发动机控制单元（ECU）、电池管理系统（BMS）、功率管理单元（HCU）构成。HCU根据飞行员的意图（操作油门杆），计算出对整个动力单元的功率需求优化分配给驱动电动机、发动机和发电机。各控制单元之间的信息交互关系如图5所示。

测功机沿用传统的串行协议控制，通过计算控制台，调节测功机的转速和转矩等参数。

4 动力总成测试

利用所设计的台架进行了混合动力系统总成测试，验证混合动力飞机控制策略的合理性。

图2 混合动力系统试验台架原理图

图3 混合动力系统试验台架设计方案

图4 混合动力系统试验台架

图5 混动控制单元之间的信息交互关系

混合动力飞机控制策略为：1）起飞及降落阶段为纯电动飞行；2）当动力电池SOC低于一定值或飞机到达预定高度时则开启发动机。

根据混合动力飞机任务剖面进行混合动力系统台架测试，如表2所示。根据螺旋桨性能参数对测功机进行加载，如图6所示。可测得动力电池SOC变化情况，如图7所示。

由图7可见，纯电动模式下（起飞阶段）动力电池SOC值下降得较快，当SOC值降到50%左右时发动机启动（巡航阶段），此时动力电池SOC值维持稳定，关闭发动机SOC值继续下降（降落阶段）。通过该台架试验验证，混动动力飞机策略达到设计要求，各个系统运行良好。

图6 螺旋桨台架性能测试数据

图7 动力电池SOC值

表2 混合动力飞机任务剖面

5 结 语

1) 该台架能够满足混合动力飞机动力系统研发的需求；2）充分验证了混合动力飞机控制策略的合理性，为后续混合动力系统优化提供了有力的保障条件；3）台架试验用测功机做负载，比用螺旋桨做负载更加灵活、安全可靠，并可长时间开展测试工作；4）后续逐步完善台架设计，从而进一步完善对混合动力飞机动力系统。