民機應急電源系統分析和設計

卿濤

摘 要：以某型水陸兩棲飛機應急電源系統的設計為例，對航空蓄電池在大型民用飛機上的應用進行研究。通過對飛機使用要求和適航要求等進行分析，確定系統功能，并得出系統構架。通過負載統計和容量分析，確定電源系統中蓄電池的配置情況，并根據需求實現電氣原理的設計。

關鍵詞：飛機；應急電源；蓄電池；電路

中圖分類號：V242.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）06-0009-02

飛機電源系統的主要功能是產生或存儲機載用電設備所需的電能，以保證機上各用電設備工作時的電能供應。在應急狀態下，航空蓄電池常被用作能源存儲設備。隨著飛機機載用電設備類型和數量的不斷增加，各系統對電源系統的容量、供電質量和可靠性要求也不斷提高。因此作為機上最后的電能來源，應急供電系統已成為設計者、適航審查人員和用戶重點關注的部分。以某型水陸兩棲飛機的應急電源系統設計為例，對航空蓄電池在飛機上的應用進行研究。

1 系統需求介紹

某型水陸兩棲飛機用于森林滅火和水上救援，其應急電源主要是在主電源故障的情況下，向機上關鍵設備供電，或在地面時因為無地面電源的情況下為起動APU供電。考慮到成本和使用重復性等因素，飛機的應急電源均采用航空蓄電池。

根據飛機的使用環境、使用模式和適航規章要求，分析、總結出應急電源的功能需求：①應急電源能在飛機應急狀態下向機上關鍵設備供電，在地面無地面電源的情況下為起動APU供電；②每塊蓄電池電路中都設有控制裝置，能實現蓄電池與其他系統的隔離；③蓄電池在各種狀態下的參數和告警信息，需在駕駛艙進行顯示和告警；④蓄電池的安裝應考慮排氣，防止有害氣體聚集；⑤蓄電池的設計和安裝應確保電解液或其他有害物質的溢出不損壞鄰近部件和結構，并應有防止蓄電池過熱的措施。

2 系統分析

2.1 系統構架

根據功能需求分析，設置一個應急蓄電池配電盒作為應急電源系統的核心部件。其為蓄電池、地面電源和APU提供與機上電網對接的接口，接收駕駛艙控制信號，實現蓄電池的控制和正常/應急供電的轉換。此外，通過傳感器將參數信息傳給電源參數采集器，由其轉換成ARINC429信號后傳給EICAS系統，進而實現應急電源參數在駕駛艙的顯示和告警功能，并提供二次配電系統的接口，將應急電源分配到各個關鍵設備。

2.2 蓄電池的種類

按電解質的不同性質，航空蓄電池可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。酸性蓄電池有鉛酸蓄電池，而堿性蓄電池有銀鋅蓄電池和鎘鎳蓄電池。考慮到某型水陸兩棲飛機的使用環境、蓄電池的安裝和維護要求，要選用能適應大電流放電和自放電小、壽命長、低溫特性好的20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.3 應急電源的選擇

應急電源必須要有保證飛行安全所需的關鍵負載供電的能力。某型水陸兩棲飛機以直流供電為主，應急電源僅包含應急蓄電池。根據咨詢通告AC25-7A，僅用蓄電池作為應急電源的飛機，應急電源必須能對飛行安全所必需的儀表顯示、系統、設備或在儀表氣象條件（IMC）飛行期間，對各部件至少進行30 min的供電。因此，在應急狀態下，由蓄電池組向機上關鍵設備供電，關鍵負載所需的安裝時數按下式計算：

Q =∑It. （1）

式中：Q——所需總容量；

I——設備用電量；

t——設備工作時間。

通過對各系統關鍵負載的統計，確定30 min負載應急用電需求為65 Ah。

在選擇應急蓄電池時，應該先滿足用電需求，但同時蓄電池容量不宜過大，以免帶來重量負擔。飛行狀態蓄電池選用浮充電的方式。計算蓄電池容量時，需考慮浮充電修正系數，此外，還應考慮壽命修正系數。根據咨詢通告AC23-8B可知，浮充電修正系數取0.9，壽命修正系數取0.8，蓄電池修正容量計算公式為：

C修=0.8×0.9×C. （2）

式中：C修——蓄電池修正容量；

C——蓄電池額定容量。

根據公式（2）可以算出所需蓄電池額定容量為90.28 Ah，而應急電源系統的容量裕度一般要求為10%以上。最終選擇4塊20GNC28-（2）（總容量為112 Ah）的鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.4 蓄電池安裝

根據系統需求，在進行機械安裝時，需考慮蓄電池與其他系統的物理隔離、危險氣體的排放和蓄電池的保溫等。通過設計用于安裝蓄電池的保溫箱，實現其物理隔離和保溫。保溫箱內部設置有單向排氣管，用于連接蓄電池組的排氣孔，將危險氣體排到機外。

2.5 電路設計

應急蓄電池供電系統原理圖如圖1所示。駕駛員通過控制開關，將應急蓄電池接入飛機電網。地面電源和APU通過正常/應急轉換接觸器接入飛機正常匯流條。在沒有地面電源時，可采用蓄電池直接為APU起動供電，而不經過機上電網。在正常情況下，應急蓄電池由正常匯流條進行浮充電。在全部發電機出現退網的情況下，應急接觸器將自動轉換，將應急蓄電池接到應急匯流條進行應急供電。此外，設置手動模式在緊急情況下實現正常/應急供電的手動切換。

20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池自帶超溫告警開關，當蓄電池溫度超過（71±3）℃時，接通并輸出超溫信號。蓄電池電流信號通過電流傳感器采集，而電壓信號則直接采集蓄電池輸出端電壓，電流、電壓信號和超溫告警信號傳輸到參數采集器，并最終發送到EICAS系統，實現蓄電池參數顯示和告警。EICAS系統同時接收發電機狀態信息，通過發電機狀態信息和蓄電池電流狀態來判斷蓄電池是否出現不正常放電現象。

3 結論

依據民用飛機適航條款并結合飛機使用要求，對飛機應急電源供電系統進行需求分析。通過負載計算得出蓄電池的容量需求，選取符合使用需求的蓄電池，最終設計出滿足系統要求的應急供電原理的方法，并對其進行了研究。結合飛機設計經驗和設計需求，提出蓄電池在飛機上應用時需要考慮的諸多問題，并提出了相應的解決措施，以期為類似的系統設計提供參考。

參考文獻

[1]周潔敏.飛機電氣系統[M].北京：科學出版社，2010：40-60.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以某型水陸兩棲飛機應急電源系統的設計為例，對航空蓄電池在大型民用飛機上的應用進行研究。通過對飛機使用要求和適航要求等進行分析，確定系統功能，并得出系統構架。通過負載統計和容量分析，確定電源系統中蓄電池的配置情況，并根據需求實現電氣原理的設計。

關鍵詞：飛機；應急電源；蓄電池；電路

中圖分類號：V242.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）06-0009-02

飛機電源系統的主要功能是產生或存儲機載用電設備所需的電能，以保證機上各用電設備工作時的電能供應。在應急狀態下，航空蓄電池常被用作能源存儲設備。隨著飛機機載用電設備類型和數量的不斷增加，各系統對電源系統的容量、供電質量和可靠性要求也不斷提高。因此作為機上最后的電能來源，應急供電系統已成為設計者、適航審查人員和用戶重點關注的部分。以某型水陸兩棲飛機的應急電源系統設計為例，對航空蓄電池在飛機上的應用進行研究。

1 系統需求介紹

某型水陸兩棲飛機用于森林滅火和水上救援，其應急電源主要是在主電源故障的情況下，向機上關鍵設備供電，或在地面時因為無地面電源的情況下為起動APU供電。考慮到成本和使用重復性等因素，飛機的應急電源均采用航空蓄電池。

根據飛機的使用環境、使用模式和適航規章要求，分析、總結出應急電源的功能需求：①應急電源能在飛機應急狀態下向機上關鍵設備供電，在地面無地面電源的情況下為起動APU供電；②每塊蓄電池電路中都設有控制裝置，能實現蓄電池與其他系統的隔離；③蓄電池在各種狀態下的參數和告警信息，需在駕駛艙進行顯示和告警；④蓄電池的安裝應考慮排氣，防止有害氣體聚集；⑤蓄電池的設計和安裝應確保電解液或其他有害物質的溢出不損壞鄰近部件和結構，并應有防止蓄電池過熱的措施。

2 系統分析

2.1 系統構架

根據功能需求分析，設置一個應急蓄電池配電盒作為應急電源系統的核心部件。其為蓄電池、地面電源和APU提供與機上電網對接的接口，接收駕駛艙控制信號，實現蓄電池的控制和正常/應急供電的轉換。此外，通過傳感器將參數信息傳給電源參數采集器，由其轉換成ARINC429信號后傳給EICAS系統，進而實現應急電源參數在駕駛艙的顯示和告警功能，并提供二次配電系統的接口，將應急電源分配到各個關鍵設備。

2.2 蓄電池的種類

按電解質的不同性質，航空蓄電池可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。酸性蓄電池有鉛酸蓄電池，而堿性蓄電池有銀鋅蓄電池和鎘鎳蓄電池。考慮到某型水陸兩棲飛機的使用環境、蓄電池的安裝和維護要求，要選用能適應大電流放電和自放電小、壽命長、低溫特性好的20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.3 應急電源的選擇

應急電源必須要有保證飛行安全所需的關鍵負載供電的能力。某型水陸兩棲飛機以直流供電為主，應急電源僅包含應急蓄電池。根據咨詢通告AC25-7A，僅用蓄電池作為應急電源的飛機，應急電源必須能對飛行安全所必需的儀表顯示、系統、設備或在儀表氣象條件（IMC）飛行期間，對各部件至少進行30 min的供電。因此，在應急狀態下，由蓄電池組向機上關鍵設備供電，關鍵負載所需的安裝時數按下式計算：

Q =∑It. （1）

式中：Q——所需總容量；

I——設備用電量；

t——設備工作時間。

通過對各系統關鍵負載的統計，確定30 min負載應急用電需求為65 Ah。

在選擇應急蓄電池時，應該先滿足用電需求，但同時蓄電池容量不宜過大，以免帶來重量負擔。飛行狀態蓄電池選用浮充電的方式。計算蓄電池容量時，需考慮浮充電修正系數，此外，還應考慮壽命修正系數。根據咨詢通告AC23-8B可知，浮充電修正系數取0.9，壽命修正系數取0.8，蓄電池修正容量計算公式為：

C修=0.8×0.9×C. （2）

式中：C修——蓄電池修正容量；

C——蓄電池額定容量。

根據公式（2）可以算出所需蓄電池額定容量為90.28 Ah，而應急電源系統的容量裕度一般要求為10%以上。最終選擇4塊20GNC28-（2）（總容量為112 Ah）的鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.4 蓄電池安裝

根據系統需求，在進行機械安裝時，需考慮蓄電池與其他系統的物理隔離、危險氣體的排放和蓄電池的保溫等。通過設計用于安裝蓄電池的保溫箱，實現其物理隔離和保溫。保溫箱內部設置有單向排氣管，用于連接蓄電池組的排氣孔，將危險氣體排到機外。

2.5 電路設計

應急蓄電池供電系統原理圖如圖1所示。駕駛員通過控制開關，將應急蓄電池接入飛機電網。地面電源和APU通過正常/應急轉換接觸器接入飛機正常匯流條。在沒有地面電源時，可采用蓄電池直接為APU起動供電，而不經過機上電網。在正常情況下，應急蓄電池由正常匯流條進行浮充電。在全部發電機出現退網的情況下，應急接觸器將自動轉換，將應急蓄電池接到應急匯流條進行應急供電。此外，設置手動模式在緊急情況下實現正常/應急供電的手動切換。

20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池自帶超溫告警開關，當蓄電池溫度超過（71±3）℃時，接通并輸出超溫信號。蓄電池電流信號通過電流傳感器采集，而電壓信號則直接采集蓄電池輸出端電壓，電流、電壓信號和超溫告警信號傳輸到參數采集器，并最終發送到EICAS系統，實現蓄電池參數顯示和告警。EICAS系統同時接收發電機狀態信息，通過發電機狀態信息和蓄電池電流狀態來判斷蓄電池是否出現不正常放電現象。

3 結論

依據民用飛機適航條款并結合飛機使用要求，對飛機應急電源供電系統進行需求分析。通過負載計算得出蓄電池的容量需求，選取符合使用需求的蓄電池，最終設計出滿足系統要求的應急供電原理的方法，并對其進行了研究。結合飛機設計經驗和設計需求，提出蓄電池在飛機上應用時需要考慮的諸多問題，并提出了相應的解決措施，以期為類似的系統設計提供參考。

參考文獻

[1]周潔敏.飛機電氣系統[M].北京：科學出版社，2010：40-60.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以某型水陸兩棲飛機應急電源系統的設計為例，對航空蓄電池在大型民用飛機上的應用進行研究。通過對飛機使用要求和適航要求等進行分析，確定系統功能，并得出系統構架。通過負載統計和容量分析，確定電源系統中蓄電池的配置情況，并根據需求實現電氣原理的設計。

關鍵詞：飛機；應急電源；蓄電池；電路

中圖分類號：V242.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）06-0009-02

飛機電源系統的主要功能是產生或存儲機載用電設備所需的電能，以保證機上各用電設備工作時的電能供應。在應急狀態下，航空蓄電池常被用作能源存儲設備。隨著飛機機載用電設備類型和數量的不斷增加，各系統對電源系統的容量、供電質量和可靠性要求也不斷提高。因此作為機上最后的電能來源，應急供電系統已成為設計者、適航審查人員和用戶重點關注的部分。以某型水陸兩棲飛機的應急電源系統設計為例，對航空蓄電池在飛機上的應用進行研究。

1 系統需求介紹

某型水陸兩棲飛機用于森林滅火和水上救援，其應急電源主要是在主電源故障的情況下，向機上關鍵設備供電，或在地面時因為無地面電源的情況下為起動APU供電。考慮到成本和使用重復性等因素，飛機的應急電源均采用航空蓄電池。

根據飛機的使用環境、使用模式和適航規章要求，分析、總結出應急電源的功能需求：①應急電源能在飛機應急狀態下向機上關鍵設備供電，在地面無地面電源的情況下為起動APU供電；②每塊蓄電池電路中都設有控制裝置，能實現蓄電池與其他系統的隔離；③蓄電池在各種狀態下的參數和告警信息，需在駕駛艙進行顯示和告警；④蓄電池的安裝應考慮排氣，防止有害氣體聚集；⑤蓄電池的設計和安裝應確保電解液或其他有害物質的溢出不損壞鄰近部件和結構，并應有防止蓄電池過熱的措施。

2 系統分析

2.1 系統構架

根據功能需求分析，設置一個應急蓄電池配電盒作為應急電源系統的核心部件。其為蓄電池、地面電源和APU提供與機上電網對接的接口，接收駕駛艙控制信號，實現蓄電池的控制和正常/應急供電的轉換。此外，通過傳感器將參數信息傳給電源參數采集器，由其轉換成ARINC429信號后傳給EICAS系統，進而實現應急電源參數在駕駛艙的顯示和告警功能，并提供二次配電系統的接口，將應急電源分配到各個關鍵設備。

2.2 蓄電池的種類

按電解質的不同性質，航空蓄電池可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。酸性蓄電池有鉛酸蓄電池，而堿性蓄電池有銀鋅蓄電池和鎘鎳蓄電池。考慮到某型水陸兩棲飛機的使用環境、蓄電池的安裝和維護要求，要選用能適應大電流放電和自放電小、壽命長、低溫特性好的20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.3 應急電源的選擇

應急電源必須要有保證飛行安全所需的關鍵負載供電的能力。某型水陸兩棲飛機以直流供電為主，應急電源僅包含應急蓄電池。根據咨詢通告AC25-7A，僅用蓄電池作為應急電源的飛機，應急電源必須能對飛行安全所必需的儀表顯示、系統、設備或在儀表氣象條件（IMC）飛行期間，對各部件至少進行30 min的供電。因此，在應急狀態下，由蓄電池組向機上關鍵設備供電，關鍵負載所需的安裝時數按下式計算：

Q =∑It. （1）

式中：Q——所需總容量；

I——設備用電量；

t——設備工作時間。

通過對各系統關鍵負載的統計，確定30 min負載應急用電需求為65 Ah。

在選擇應急蓄電池時，應該先滿足用電需求，但同時蓄電池容量不宜過大，以免帶來重量負擔。飛行狀態蓄電池選用浮充電的方式。計算蓄電池容量時，需考慮浮充電修正系數，此外，還應考慮壽命修正系數。根據咨詢通告AC23-8B可知，浮充電修正系數取0.9，壽命修正系數取0.8，蓄電池修正容量計算公式為：

C修=0.8×0.9×C. （2）

式中：C修——蓄電池修正容量；

C——蓄電池額定容量。

根據公式（2）可以算出所需蓄電池額定容量為90.28 Ah，而應急電源系統的容量裕度一般要求為10%以上。最終選擇4塊20GNC28-（2）（總容量為112 Ah）的鎘鎳蓄電池作為應急電源。

2.4 蓄電池安裝

根據系統需求，在進行機械安裝時，需考慮蓄電池與其他系統的物理隔離、危險氣體的排放和蓄電池的保溫等。通過設計用于安裝蓄電池的保溫箱，實現其物理隔離和保溫。保溫箱內部設置有單向排氣管，用于連接蓄電池組的排氣孔，將危險氣體排到機外。

2.5 電路設計

應急蓄電池供電系統原理圖如圖1所示。駕駛員通過控制開關，將應急蓄電池接入飛機電網。地面電源和APU通過正常/應急轉換接觸器接入飛機正常匯流條。在沒有地面電源時，可采用蓄電池直接為APU起動供電，而不經過機上電網。在正常情況下，應急蓄電池由正常匯流條進行浮充電。在全部發電機出現退網的情況下，應急接觸器將自動轉換，將應急蓄電池接到應急匯流條進行應急供電。此外，設置手動模式在緊急情況下實現正常/應急供電的手動切換。

20GNC28-（2）鎘鎳蓄電池自帶超溫告警開關，當蓄電池溫度超過（71±3）℃時，接通并輸出超溫信號。蓄電池電流信號通過電流傳感器采集，而電壓信號則直接采集蓄電池輸出端電壓，電流、電壓信號和超溫告警信號傳輸到參數采集器，并最終發送到EICAS系統，實現蓄電池參數顯示和告警。EICAS系統同時接收發電機狀態信息，通過發電機狀態信息和蓄電池電流狀態來判斷蓄電池是否出現不正常放電現象。

3 結論

依據民用飛機適航條款并結合飛機使用要求，對飛機應急電源供電系統進行需求分析。通過負載計算得出蓄電池的容量需求，選取符合使用需求的蓄電池，最終設計出滿足系統要求的應急供電原理的方法，并對其進行了研究。結合飛機設計經驗和設計需求，提出蓄電池在飛機上應用時需要考慮的諸多問題，并提出了相應的解決措施，以期為類似的系統設計提供參考。

參考文獻

[1]周潔敏.飛機電氣系統[M].北京：科學出版社，2010：40-60.

〔編輯：白潔〕