不同运行状态下的飞机蓄电池ELA稳态分析

收稿日期：2017-03-21
基金项目：中央高校基本科研业务费项目(3122016D009)；民航行
业安全技术标准重大项目(AADSA0038)；中国民航大学教育教学改革研究项目(CAUC -2016-C2-56)
作者简介：杨娟(1983—)，女，湖北省人，讲师，硕士，主要研究方向为飞机电源检测技术。

不同运行状态下的飞机蓄电池ELA 稳态分析
杨
娟，任仁良
(中国民航大学工程技术训练中心，
天津300300)摘要：航空蓄电池在飞机地面装载与准备、启动发动机以及应急状态下是飞机电气系统的直流电源，在整机电源容量分析(ELA)时需要进行容量分析。

在其他飞行状态下，蓄电池由飞机电网充电，是飞机电源系统的重要负载，需要对其进行负载分析。

分析了飞机蓄电池ELA 稳态计算原理；结合实测飞机电气系统实验模拟设备运行数据，完成了飞机航空蓄电池在不同工作状态下的ELA 计算研究。

研究表明，正确的蓄电池ELA 分析可为飞机电气系统设计中蓄电池选型或机载电子电气设备加改装提供必要技术支撑。

关键词：飞机蓄电池；电气负载和容量分析；稳态分析中图分类号：TM 91
文献标识码：A
文章编号：1002-087X(2017)10-1471-04
ELA steady analysis of aircraft battery based on different flight
conditions
YANG Juan,REN Ren-liang
Abstract:Battery was the power supplier of the aircraft during the loading &preparing or engine starting,as well as the emergency situation.During these periods,the battery was the direct current power source,and its capacity should be analyzed.During other operating conditions,battery was charged by the aircraft electrical web,and was the essential load of the aircraft electrical system.The electrical load analysis should be carried out.Firstly,the aircraft battery steady ELA theory was analyzed.Secondly,aircraft electrical system simulated equipment in the laboratory was operated,and the test data were collected.At last,the ELA calculation of the aircraft battery was made based on different flight conditions.The study shows that correct battery ELA analysis method can be used as the technology basic not only for battery configuration choosing during the period of aircraft design,but also for
aircraft electrical system's addition or modification.
Key words:aircraft battery;electrical load and power source capacity analysis;steady analysis 为确保飞机电源容量配备的合理性，保证全机所有用电设备在各种预定的工作状态下均能得到足够的电力供应，保障安全飞行，电气负载和电源容量分析(ELA)是飞机电气系统设计或飞机运营期间机上任何电子电气改装工作不可缺少的环节。

蓄电池是任何运输飞机必须安装的设备，蓄电池分析是飞机ELA 分析的重要组成。

民航客机机载蓄电池在飞行前装载和准备阶段、
启动发动机/辅助动力装置(APU)阶段或空中主电源和其他辅助电源失效的应急情况时是直流机载电源；在正常飞行阶段，蓄电池处于充电状态，是飞机主电源汇流条的用电负载。

民航适航条例规定，
选装蓄电池的容量必须满足应急情况下持续提供至少30min 的电力供应能力以保证飞机
安全着陆；此外，经过多次充放电后的蓄电池实际容量须大于额定容量的85%才可装上飞机。

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。

对于飞机蓄电池工作状态的转变，需要根据不同的飞行状态对其进行容量分析和负载分析。

本文分析了飞机蓄电池ELA 稳态计算原理；结合实测飞机电气系统实验模拟设备运行数据，完成了飞机航空蓄电池在不同工作状态下的ELA 计算研究。

1飞机蓄电池ELA 分析原理
1.1运行状态分析
通常，民航飞机共分9种工作状态。

在不同的工作状态下，航空蓄电池的充放电状态将有所不同，
如表1所示。

表1中，地面维修期间使用地面电源供电，飞机发动机采用机载蓄电池启动，夜航或除冰状态通常设置为飞机电源容量和负载分析最恶劣状态，以最恶劣状态带入分析的结果可一定程度扩大计算结论的适用裕度。

1.2蓄电池容量分析原理
完成飞机蓄电池容量分析需统计机上所有由蓄电池供电
的负载设备的工作功率
及其运行时间。

蓄电池作为机载直流电源，其平均输出供电电压稳定在28V 。

根据式(1)得出此类飞行状态下蓄电池完成供电任务所用的安时数。

(1)
式中：是各个负载工作电流；是各个负载工作功率；是所有负载工作总容量；是各个负载工作时间。

根据适航规章，蓄电池在正常大气条件下实际容量至少为额定容量
的85%，假设蓄电池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%。

由此，为保证所有连接负载的正常工作，飞机电源系统由蓄电池对外供电时，工作总容量应满足式(2)的条件：
(2)
1.3蓄电池负载分析原理
表1中，飞机滑行、起飞和爬升、巡航、夜航或除冰以及着陆阶段，机载蓄电池处于热充电状态，此时，蓄电池是飞机电源系统的重要负载。

完成蓄电池ELA 分析需要对其进行充电效应分析，
以确定蓄电池充电电流与充电时间的关系。

假设此时蓄电池的温度处于最恶劣状况[1-3]。

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，计算如下：
(3)
式中：为蓄电池充电电流；为蓄电池的安培小时容量，以1
小时的放电率计，
单位安时；为蓄电池充电系数。

2实例分析
2.1实验实测数据
飞机电源模拟实验系统以某型飞机真实电源体系为搭建对象，包含主发电机、APU 发电机、交流汇流条、直流汇流条、变压整流器(TRU)、蓄电池充电机和机载蓄电池模块，如图1所示。

图1所示实验系统中2个主发电机为交流转换汇流条提供主电源，APU 发电机可为任一汇流条提供备用辅助电源。

蓄电池充电机连接于2号地面勤务汇流条。

备用直流汇流条的正常来源是变压整流器，应急来源是机载蓄电池。

利用图1实
验系统在实验室内完成飞机运行实验，采集系统中各个环节实验数据，蓄电池ELA 稳态分析所需的重要参数如表2所示。

2.2蓄电池启动发动机容量分析
连接检测设备，实际检测机载蓄电池启动飞机发动机过程中的电流值和电压值，检测数据随时间变化的曲线如图2～图3所示。

由图2可知，发动机启动之初蓄电池输出电流最高达645A ，其后电流逐渐降低至82A 。

图3中，在发动机启动瞬间，蓄电池输出电压被拉低至13.4V ，而后逐渐升高至20V 。

直至发
运行状态 地面维修 装载和准备
启动和预热
滑行 起飞和爬升
巡航 夜航或除冰
着陆 应急 运行时间/min 15 15 5 15 10 15 20 8 >30 蓄电池充电时间/min — — — 15 10 15 20 8 — 蓄电池放电时间/min
—
15
5
—
—
—
—
—
>30
28V ()i i n i i i P I Q I t ì=ïïíï=´ïîå76.5%n i
Q Q ≥I A C
=´
蓄电池
发电
机1 交流转换汇流条1 TR U 2
发电
机2
交流转换汇流条2
交流主汇流条2
TR U 1
直流汇流条1
直流汇流条2
APU 发电机
地面勤务汇流条1 地面勤务
汇流条
2
交流主汇流条1
蓄电池充电机
备用直流汇流条
图1飞机电源模拟实验系统
实测参数名称
实测值 蓄电池启动发动机电流值/A 见图2 蓄电池启动发动机电压值/V 见图3 飞机装载和准备电流需求/A 30 飞机重要汇流条正常工作电流值/A
30
700600500400
3002001000
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
t /s
I /A
图2
20℃下实测发动机启动时所测蓄电池电流曲线
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24t /s
0 26
302520
1510
5
V /V
图320℃下实测发动机启动时所测蓄电池电压曲线
动机启动完成，
蓄电池基本无输出电流，两端电压稳定回至28V 。

根据实测曲线，计算发动机启动所需电量
：
(4)
通过式(4)和实测曲线计算该飞机使用机载蓄电池启动发动机所需的总电量为1.95Ah 。

2.3蓄电池供电飞机装载和准备过程容量分析
飞机装载和准备工作包括乘客进舱、
飞机加油、机内外照明、
无线电通信和厨房设备加热等。

表2中飞机地面装载和准备工作过程持续电量需求30A ，根据表1中地面装载和准备时间为15min ，计算蓄电池此阶段所需容量==7.5Ah 。

在表1的9个飞行状态中，
蓄电池在装载和准备、启动和预热阶段处于放电状态，所需总容量为+
=9.45Ah 。

由
式(2)可知，该飞机选装蓄电池可用容量应大于负载电量需求，
由此可计算得
逸9.45Ah/76.5%=12.35Ah 。

通过计算可知，
选装容量大于12.35Ah 的蓄电池便可满足该飞机地面装载和准备以及蓄电池启动发动机和预热所需的电量总需求。

2.4应急情况下蓄电池容量分析
飞机主电源在飞行过程中出现任何故障状况，将启动应急模式，备用直流汇流条将由正常供电来源TRU1和TRU2自动转接为蓄电池供电，见图1。

此时，蓄电池将作为应急电源为飞机必要设备提供电力。

应急情况下，蓄电池可提供的最大飞行时间包括：
(5)
式中：
为应急预卸载时间；为应急时最大巡航时间；
为安全着陆时间。

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。

飞机上所有自动卸载立即执行，
不需将其加入预卸载计算。

表2中实测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，预卸载阶段所需蓄电池容量值
为2.5Ah 。

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5.3Ah 。

飞机蓄电池的容量选择则需满足如下公式：
(6)
式中：
为飞机应急巡航阶段负载电流需求。

假设该飞机应急巡航飞行时间为25min ，负载电流需求值为20A ，根据式(5)～(6)计算可得，该飞机发生应急情况，最大飞行总时间为38min ，所选蓄电池额定容量至少为
21.09Ah 才可满足飞机应急需求。

2.5蓄电池负载分析
飞机完成地面装载和准备、
启动发动机后，蓄电池转为飞机主电源充电模式，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。

通过航空蓄电池容量分析仪，在实验室内完成额定容量为22Ah 蓄电池的充电实验，检测充电曲线如图4所示。

通过
实际检测可知，该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4，由式(3)计算滑行、起飞和爬升、巡航、夜航和着陆状态下蓄电池的充电电流值，
如表3所示。

表3中，充电电流随着时间的增加逐渐降低，充电初期最高达74.1A ，飞机着陆阶段充电电流降至4.2A 。

图1中蓄电池充电机为恒压限流型，
输入工作电源为115V/200V 、频率400Hz 的交流电，输出为28V ，电流随着充电时间而改变，设备工作效率为85%。

充电器由地面交流汇流条提供电力，结合表3，计算蓄电池对电网的负载需求变化，如图5所示。

由图5可知，飞机在一个正常飞行循环的不同阶段对交流转换汇流条的需求不同，由计算可知，随着时间的增加，容量需求逐渐减少。

飞机滑行阶段的蓄电池充电初期，电量需求高达2.44kVA ，直至飞行结束的着陆阶段电量需求降至0.168kVA 。

实测图1的飞机电气模拟系统的运行数据，统计2号地
()d t
start Q i t t
=òtotal pre load cruise landing
T T T T -=++76.5%n pre load cruise cruise load landing load
Q Q T I Q ---=+
+ 3.53.0
2.52.01.51.00.5
0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0 50.0 100.0
经历时间/min
充电系数C
图4蓄电池充电曲线
运行状态 工作状态
持续时间/min
额定 时间/min 时间 总计/min 充电 系数 充电 电流/A 0.05 0.05 3.37 74.1 1.00 1.00 2.75 60.5 滑行 15
15.00 15.00 1.32 29.0 1.00 16.00 1.26 27.2 起飞和爬升 10 10.00 25.00 0.88 19.4 1.00 26.00 0.78 17.2 巡航 15 15.00 40.00 0.45 9.9
3.0
2.52.01.51.00.50.0
20
40 60 80 100
120
飞行时间/min
电池充电容量需求/k V A
图5蓄电池充电容量需求曲线
面勤务汇流条的总负载量。

飞机滑行阶段该汇流条的总负载量为26.2kVA ，图5中该阶段蓄电池的充电需求量占总需求的9.31%；起飞和爬升阶段总负载量为27kVA ，蓄电池充电需求占3.32%；巡航和夜航的占有量分别为2.11%和1.22%；着陆阶段总负载量为23.3kVA ，蓄电池的充电需求量占0.68%。

3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。

ELA 分析是飞机设计阶段和机型电气改装前的重要工作。

蓄电池是飞机装载和准备、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转变成飞机电源系统重要汇流条的用电负载，
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必须工作[4-5]。

本文以某型飞机的机载蓄电池为研究对象，结合实验实测数据，完成其ELA 稳态分析。

计算可知，使用蓄电池启动发动机并供电飞机装载和准备工作共消耗容量为9.45Ah ，该飞机应选装额定容量大于12.35Ah 的蓄电池可满足需求；计算应急情况下蓄电池容量的需求，为保证38min 的最长飞行时
间，机载蓄电池容量至少为21.09Ah 。

结合三种工作状态下的容量计算，选择22Ah 的蓄电池，完成其负载分析可知，该蓄电池最大充电电流值为74.1A ，最大电量需求为2.44kVA ，占所连接的飞机汇流条总负载量的9.31%。

蓄电池ELA 分析包括稳态和瞬态，本文成功实现了某型飞机的机载蓄电池的稳态ELA 分析。

通过实例计算结果表明，本文提出的飞机蓄电池ELA 分析方法和原理正确可行，将为后期对飞机电源系统和配电电网的ELA 分析，包括AC 、DC 系统稳态和瞬态分析奠定一定基础。

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[5]
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影响，那么计算结果将是一条水平线。

实际的分析结果是系统最终等价发电时和标准等价辐照时对太阳辐照量变化的响应波动最大，而使用PVUSA 方法在PTC 测试条件下进行计算的结果波动较小。

美国可再生能源实验室(NREL)对1kW 屋顶非晶硅光伏系统的性能研究显示，系统直流功率每年衰减10.2W (0.985%)，交流功率每年衰减10.8W (1.09%)[5]，在夏季温度较温暖的月份系统输出功率较高，系统年直流季节波动平均为4.9%～－5.4%。

同样采用
方法针对系统6年时间的性能
衰减进行分析，
结果显示系统年性能衰减1.13%[6]，与PVUSA 方法计算的系统交流功率衰减率－1.09%相吻合，每年的季节波动为4.6%～－7.8%，
与PVUSA 方法比较，正值接近，负值相差较大。

通过6年的研究，PVUSA 方法分析的直流年衰减0.985%，交流年衰减1.09%，季节波动约为10.5%，；方法分析，交流年衰减1.13%，季节波动约为12.5%。

4结论
两种针对并网光伏系统的性能评估方法中，使用PTC 条
件下的回归模型计算的系统性能波动较测试方法小，由于
PVUSA 测试过程中需要过滤一部分数据对回归系统进行确定，测试周期较长，
组件温度高，相比较而言，评估方法比
较简单且更能反映环境因素对系统性能的影响。

但是现有的评估方法需要大量的数据和更优化的计算方法针对环境温度进行修正，以便能更准确地反应光伏系统的性能。

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inprovements in PV degra-dation rate determination[J].IEEE,2010,10:2688-2693.
160120
80400
1月10月
9月8月7月6月4月
2月
月份
Y f /
h
图12015年1～9月并网系统最终等价发电时数
1月9月
8月7月6月4月
2月
月份
0.90.8
0.70.60.5
P R
图2
2015年1～9月并网系统
值
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