民用飛機蓄電池充電技術方案綜述

摘 要：蓄電池通常被視作民用飛機的起動能源也是最后可用的能源，其重要性不言而喻。民用飛機蓄電池系統為全機重要負載提供應急電源，同時也保證了重要直流負載的不中斷供電轉換。蓄電池的充放電設計不僅決定了蓄電池充電速率、可靠性及使用壽命，同時也受到適航當局的重點關注。文章將基于在役民用飛機蓄電池及其充放電設計方案及作者具體的工程實踐，闡述歸納蓄電池充放電方案的設計考慮。

關鍵詞：民用飛機；蓄電池；蓄電池充電器

1 民用飛機電源系統

通常來講，現代民用飛機的電源系統主要由下述幾部分組成：

（1）兩個三相主交流通道：正常工作時，兩臺額定輸出電源為115V交流（AC）的主發電機（恒頻或變頻）分別為全機交流用電設備提供交流電源，一臺APU（Auxiliary Power Unit， APU）發電機可代替失效的主發電機供電，飛機在地面時，可由APU發電機或地面外電源提供電源輸入；（2）兩個主直流通道：正常工作時，兩臺額定輸出電壓為28V直流（DC）的變壓整流器（Transformer Rectifier Unit， TRU）以及兩臺額定輸出電壓為24V DC的蓄電池（Battery）為全機直流用電設備提供直流電源；（3）一個與主通道相互隔離、并采用非相似性實現方式的應急通道：應急交流通道可由主交流通道、沖壓空氣渦輪發電機或靜止變流器提供電源輸入，應急直流通道可由應急變壓整流器（Essential TRU）或主直流通道提供電源輸入。

2 民用飛機蓄電池系統

2.1 蓄電池系統

作為飛機關鍵的備用能源，蓄電池系統為全機重要負載提供應急電源，同時也保證了重要直流負載的不中斷供電轉換。

蓄電池系統主要由蓄電池、蓄電池充電器、蓄電池接觸器、蓄電池直接匯流條及線路保護元器件等構成。單通道窄體客機通常設置主蓄電池和APU蓄電池，為全機提供應急電源并按設計需要可為APU提供起動電源。在主交流電源工作時，蓄電池處于充電狀態。電源系統設置了蓄電池充電器，對蓄電池的充電過程進行了監測及控制。同時蓄電池系統設置了蓄電池接觸器，保證電源系統正常工作時蓄電池直接匯流條與直流重要匯流條的隔離。應急狀態下，蓄電池接觸器將被接通，蓄電池可為全機提供應急電源。

2.2 蓄電池充電/控制器

蓄電池系統通常需要設置蓄電池充電控制器來滿足CCAR25 1353 b6條款的要求：

“鎳鎘蓄電池的安裝必須具有：（1）一個能夠自動控制蓄電池充電速率的系統，以防止蓄電池過熱；（2）一個蓄電池溫度敏感和超溫告警的系統，該系統具有一旦出現超溫告警情況即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施；（3）一個蓄電池失效敏感和告警系統，該系統具有一旦發生蓄電池失效即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施。”

為表明對上述條款要求的符合性，蓄電池內部或系統通道中設置了溫度傳感器，電流電壓傳感器等。由蓄電池充電器采集信號，監測蓄電池充電狀態，并將其傳送給電源系統控制器，提供了蓄電池溫度，充電率的控制。當檢測到蓄電池的失效或相關故障時，蓄電池充電器可停止為蓄電池提供充電電流。通常，民用飛機的蓄電池充電器通常應具備以下三項功能：

（1）控制蓄電池的充放電狀態以及充電速率；（2）監測并向電源系統報告蓄電池的狀態，如溫度、電量的監測；（3）通過合理的充電控制，延長蓄電池使用壽命。

3 蓄電池充電技術方案

3.1 民用飛機的主流方案

目前民用飛機主流的蓄電池充電控制設計分為兩大類，以單通道客機A320為代表的直流輸入蓄電池控制器和以B737NG、麥道82為代表的交流輸入蓄電池充電器。

A320飛機上蓄電池系統采用了蓄電池充電限制器（BCL），該控制器件由直流匯流條上取電，兩臺鎳鎘蓄電池均配有一臺專用的蓄電池充電限制器。蓄電池直接匯流條經接觸器連接到直流匯流條上，BCL控制蓄電池接觸器，當蓄電池電壓低于設定閾值時，充電循環開始；當蓄電池充電電流低于設定閾值后充電循環結束。同時，蓄電池充電限制器有自檢測（BIT）功能。

B737NG飛機上蓄電池系統采用了蓄電池充電器（BC），從交流匯流條上取電，兩臺鎳鎘蓄電池均配有一臺專用的蓄電池充電器（BC）。與A320飛機相比，B737NG蓄電池充電器內部集成了變壓整流裝置將交流電轉換為直流電輸出，對蓄電池進行充電和控制。在蓄電池得到完全充電后，每臺充電器可轉換為變壓整流設備使用，可為蓄電池直接匯流條提供直流電源。

在A320上應用了直流輸入的蓄電池充電控制器，其蓄電池容量均小于30Ah，簡化了系統布置但卻增大了直流系統變壓整流器（TRU）的輸出功率。在B737NG、B767、B777、A380等飛機，蓄電池系統均采用了交流輸入的蓄電池充電器，由交流匯流條供電，其蓄電池容量均大于30Ah。而且在這類蓄電池充電技術方案為直流系統提供了額外的用電容量，如B737NG與A380在蓄電池達到滿充電狀態時，每臺蓄電池充電器均可為直流負載提供電源。B787雖然使用了直流輸入的蓄電池充放電控制器，但是因為鋰離子電池的充放電控制要求。

3.2 蓄電池充電方案比較

A320上采用的蓄電池充電限制器（BCL）方案結構簡單，內部未集成變壓整流裝置，需從飛機電網的直流匯流條上取電。B737NG上采用的蓄電池充電器方案內部集成了變壓整流裝置，結構較為復雜，但其直可直接由飛機電網的交流匯流條供電。其優缺點對比如下。

交流輸入方案：

優點：降低了TRU的功率需求。

缺點：（1）充電過程是一個通過交流地面服務匯流條進行的地面操作，由地面服務開關來手動起動充電。（2）蓄電池充電器由于內部集成變壓整流器，其重量體積明顯加大，同時電磁干擾、散熱等因素也成了重要的設計考慮。

直流輸入方案：

優點：（1）充電過程由連接到28V直流匯流條上的充電限制器自動控制。（2）不包含變壓器，重量體積減小，可靠性提高。（3）蓄電池總保持在滿容量的同時使溫度疲勞循環最小化。

缺點：增大了TRU的輸出功率需求。

4 蓄電池系統充電方案設計考慮

交流輸入的蓄電池系統充電方案，系統集成度較低，線路布置較為復雜，系統集成度不高導致系統重量體積增加，同時可以預見可靠性也將低于采用直流輸入的充電方案。另外，由于在波音空客許多機型中已作為主流的蓄電池技術方案，已被廣泛使用，技術成熟且積累了相當的適航取證經驗。對于直流輸入的蓄電池系統充電方案，蓄電池直接匯流條的用電需求將由直流匯流條供電，加大了直流系統變壓整流器負載需求。然而直流輸入方案設計也具備了明顯的優點，諸如：設備體積，散熱及可靠性等。

綜上，民用飛機蓄電池充電方案應基于機型具體配電方案、設備安裝約束、可靠性要求等多方面因素綜合考慮。

5 其他設計考慮

除適航條款衍生出的設計需求，應同時考慮于蓄電池系統進一步加強蓄電池控制器的功能集成，如可通過新增蓄電池的熱備份功能，以實現直流重要匯流條的不中斷供電轉換，為飛機重要用電負載提供不中斷直流電源。

另外，健康管理作為飛機及機載系統研發的一個趨勢，將實現系統信號采集、故障監測告警、故障預測以及后勤維護決策功能的一體化和高度自動化。可嘗試在蓄電池系統進行初步嘗試-如蓄電池健康狀態診斷，給出蓄電池故障預測和壽命預測，減少蓄電池的周期定檢降低維護成本。

參考文獻

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[3]謝少軍，陳勇.一種通用型航空蓄電池充電器研制[S].南京航空航天大學學報，2003，35（1）：96-100.

作者簡介：熊天翔（1984-），男，籍貫江西，上海飛機設計研究院總體氣動部，工程師，碩士研究生，研究方向：系統工程及電氣系統健康管理。

張磊，男，上海飛機設計研究院電氣系統設計研究部。

范瑞杰，男，上海飛機設計研究院電氣系統設計研究部。