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民用飞机蓄电池充电器交直流输入方案对比分析

  • 投稿狗子
  • 更新时间2015-09-22
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魏 娟

(上海飞机设计研究院,中国 上海 201210)

【摘 要】介绍了民用飞机蓄电池充电器主要的两类交直流充电输入方案,分析了对应的优点与缺点,可为民用飞机蓄电池充电器的输入设计方案选择提供参考

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关键词 民机;蓄电池充电器;交直流电输入

The Comparison Analysis of Battery Charger AC/DC Power Input Approach for Civil Aircraft

WEI Juan

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

【Abstract】The two kinds of AC and DC input power source of battery charger on civil aircraft is introduced, and their corresponding advantages and defects are analyzed. The aim for this article is to provide reference for the input design approach of battery charger on civil aircraft.

【Key words】Civil aircraft; Battery charger; AC/DC power input

作者简介:魏娟(1983.08—),女,工程师,主要研究方向为飞机电源系统。

0 引言

由于目前民用飞机上普遍装备了了机载蓄电池等作为独立应急备用电源,其蓄电池类型以镍镉、铅酸蓄电池为主(少量如B787飞机配备的是锂离子蓄电池),这些都需要配合蓄电池充电器来实现对蓄电池充电的控制,使得蓄电池能处于一个良好的运行维护状态,故蓄电池充电器的重要性日益增加。

1 蓄电池系统概述

蓄电池系统是民用飞机电源系统的机载独立备用电源,为全机重要负载提供应急电源,同时也可以保证直流重要负载的不中断供电转换。

蓄电池系统主要由蓄电池、蓄电池充电控制器、蓄电池接触器、蓄电池直接汇流条及线路保护元器件等构成。单通道窄体客机通常设置主蓄电池和APU蓄电池,为全机提供应急电源并提供辅助动力装置(APU)起动电源。在飞机主电网正常供电时,蓄电池处于充电状态。蓄电池系统中的蓄电池充电控制器,对蓄电池的充电过程进行监测及控制。蓄电池接触器,保证电源系统正常工作时蓄电池直接汇流条与直流重要汇流条的隔离。应急状态下,蓄电池接触器将被接通,蓄电池可为全机提供应急电源。

2 蓄电池充电控制器要求与功能

民用飞机蓄电池内部或系统通道中一般需要设置温度传感器,电流电压传感器等。蓄电池充电控制器采集上述信号,监测蓄电池充电状态,实现充电控制,并将蓄电池状态传送给电源系统级控制器及飞机航电网络。当检测到蓄电池的失效或其他故障时,蓄电池充电控制器可停止为蓄电池提供充电电流。以满足中国民用航空规章25部运输类飞机适航标准CCAR 25 R4. 1353 中b6条款的要求:

“(6)镍镉蓄电池的安装必须具有:

(i) 一个能够自动控制蓄电池充电速率的系统,以防止蓄电池过热;

(ii) 一个蓄电池温度敏感和超温告警的系统,该系统具有一旦出现超温告警情况即可将蓄电池与其充电电源断开的措施;或者

(iii)一个蓄电池失效敏感和告警系统,该系统具有一旦发生蓄电池失效即可将蓄电池与其充电电源断开的措施。”

典型的民机蓄电池充电控制器具备以下三种功能:

a)控制蓄电池的充放电状态以及充电速率;

b)监测并向上级电源系统报告蓄电池的状态,如温度,电流;

c)通过合理的充电控制,延长蓄电池使用时间。

3 民机蓄电池充电器输入方案

充电器方案设计需要结合所应用的目标飞机的电网拓扑进行综合考虑。目前民用飞机主流的蓄电池充电输入设计方案可分为两大类,以A320机型为代表的直流输入的蓄电池控制器和以MD 82、B737 NG 机型为代表的交流输入蓄电池充电器。表1是民用飞机中空客及波音的机载蓄电池充电方案的调研和类比数据。

通过调研类比可知,A320、A330、A340等飞机采用了直流输入的蓄电池充电控制器或者蓄电池充电限制器,由于其机上装备的蓄电池容量均小于40 Ah,此种充电输入方案简化了系统布置,但却增大了直流系统变压整流器(TRU)的输出功率;B737NG、B767、B777、A380等飞机,蓄电池系统均采用了交流输入的蓄电池充电控制器,由交流汇流条供电,其装载的蓄电池容量均大于40 Ah。而且此类交流输入的蓄电池充电技术方案在实现蓄电池充电控制功能的同时,可以为直流系统提供额外的用电容量(如B737 NG、A380以及A400M在蓄电池达到满充电状态时,每台蓄电池充电控制器均可为部分直流负载提供电源)。另外,由于锂离子蓄电池对充电及放电阶段均有电流控制要求,故B787采用了直流输入的蓄电池充电控制器以保证锂离子电池放电阶段同样可控。

4 两类蓄电池充电器输入方案对比分析

4.1 直流(DC)输入蓄电池充电控制方案

以A320飞机为例,该蓄电池系统采用了蓄电池充电限制器(BCL),由直流汇流条为其供电。两台镍镉蓄电池均配有一台专用的蓄电池充电限制器。

蓄电池直接汇流条经接触器连接到直流汇流条上,BCL控制蓄电池接触器,当蓄电池电压低于26.5V时,充电循环开始;当蓄电池充电电流低于4安培(A)充电循环结束。同时,BCL具有自检测功能。

A320上采用的蓄电池充电限制器(BCL)方案,系统结构简单,需要从直流汇流条上取电,无需集成变压整流装置,结构比较简单,但因受限于直流汇流条前一级变压整流器容量,装置的蓄电池容量有限,较难扩容。

4.2 交流(AC)输入蓄电池充电控制方案

以B737NG飞机为例,其蓄电池系统采用了蓄电池充电器(BC),由交流汇流条为其供电。两台镍镉蓄电池均配有一台专用的蓄电池充电器(BC)。

与A320飞机相比,B737NG蓄电池充电器实质上内部集成一台独立的TRU,将交流电转换为直流电输出,对蓄电池进行充电及控制,结构较复杂。在蓄电池达到满电量状态后,每台充电器可为蓄电池直接汇流条提供至多约65A的直流电源。

4.3 具体优缺点对比

交流输入的充电器方案:

1)优点:

(1)降低了TRU的功率需求;

(2)在波音空客的众多机型中已作为主流的蓄电池技术方案,其已被广泛使用,技术成熟且积累了相当的适航取证经验。

2)缺点:

(1)系统集成度不高导致蓄电池充电器内部需要集成变压整流器,重量体积加大;

(2)内部设计和线路布置较为复杂,散热性能及可靠性受到影响。

直流输入的充电器方案:

1)优点:

(1)不用集成变压整流装置,充电器重量体积减小;

(2)设计简单,有效减少了控制器内部的温度疲劳循环。

2)缺点:

(1)增大了TRU的输出功率。容量在300A以上的TRU,其选型、设计和安装布置有较高的要求,需要考虑体积、散热等诸多问题;

(2)相应的对蓄电池的容量有一定限制和影响。

5 结论

直流电源输入的蓄电池充电器减少了充电器体积、重量,设计简单可靠性高;但对TRU设计要求较高并相应限制了蓄电池装机容量。交流电源输入的蓄电池充电器使用广泛,技术成熟有较丰富的适航经验;但蓄电池充电器内部需要集成变压整流器,重量体积加大,线路布置较为复杂,散热性能及可靠性受到影响。民用飞机蓄电池充电器输入方案应结合飞机电源系统设计要求如系统集成度、线缆布置、TRU容量、体积、散热等,以及蓄电池负载分析进行综合权衡考虑。

另外,蓄电池控制器的功能集成也是将来的一个趋势,如能够实现蓄电池健康状态诊断,即于蓄电池充电控制器内部集成蓄电池故障预测和寿命预测功能,将系统信号采集、故障监测告警、故障预测以及后勤维护决策功能的一体化和高度自动化,减少蓄电池的周期定检,降低飞机运营时的维护成本,同时可为下一代型号积累健康管理系统设计的工程经验。

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参考文献

[1]王汝文,宋政湘,杨伟,等.电器智能化原理及应用[M].电子工业出版社,2004.

[2]朱新宇.民航飞机电气系统[M].西南交通大学出版社,2012.

[3]Ian Moir, Allan Seabridge. Aircraft Systems Mechanical, electrical, and Avionics Subsystems Integration [M]. John Wiley &Sons, Ltd. 2008.

[责任编辑:邓丽丽]