民用飛機(jī)蓄電池充電器交直流輸入方案對(duì)比分析

魏娟

【摘 要】介紹了民用飛機(jī)蓄電池充電器主要的兩類交直流充電輸入方案，分析了對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，可為民用飛機(jī)蓄電池充電器的輸入設(shè)計(jì)方案選擇提供參考。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)；蓄電池充電器；交直流電輸入

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

0 引言

由于目前民用飛機(jī)上普遍裝備了了機(jī)載蓄電池等作為獨(dú)立應(yīng)急備用電源，其蓄電池類型以鎳鎘、鉛酸蓄電池為主（少量如B787飛機(jī)配備的是鋰離子蓄電池），這些都需要配合蓄電池充電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的控制，使得蓄電池能處于一個(gè)良好的運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)，故蓄電池充電器的重要性日益增加。

1 蓄電池系統(tǒng)概述

蓄電池系統(tǒng)是民用飛機(jī)電源系統(tǒng)的機(jī)載獨(dú)立備用電源，為全機(jī)重要負(fù)載提供應(yīng)急電源，同時(shí)也可以保證直流重要負(fù)載的不中斷供電轉(zhuǎn)換。

蓄電池系統(tǒng)主要由蓄電池、蓄電池充電控制器、蓄電池接觸器、蓄電池直接匯流條及線路保護(hù)元器件等構(gòu)成。單通道窄體客機(jī)通常設(shè)置主蓄電池和APU蓄電池，為全機(jī)提供應(yīng)急電源并提供輔助動(dòng)力裝置（APU）起動(dòng)電源。在飛機(jī)主電網(wǎng)正常供電時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)。蓄電池系統(tǒng)中的蓄電池充電控制器，對(duì)蓄電池的充電過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制。蓄電池接觸器，保證電源系統(tǒng)正常工作時(shí)蓄電池直接匯流條與直流重要匯流條的隔離。應(yīng)急狀態(tài)下，蓄電池接觸器將被接通，蓄電池可為全機(jī)提供應(yīng)急電源。

2 蓄電池充電控制器要求與功能

民用飛機(jī)蓄電池內(nèi)部或系統(tǒng)通道中一般需要設(shè)置溫度傳感器，電流電壓傳感器等。蓄電池充電控制器采集上述信號(hào)，監(jiān)測(cè)蓄電池充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電控制，并將蓄電池狀態(tài)傳送給電源系統(tǒng)級(jí)控制器及飛機(jī)航電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的失效或其他故障時(shí)，蓄電池充電控制器可停止為蓄電池提供充電電流。以滿足中國民用航空規(guī)章25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR 25 R4. 1353 中b6條款的要求：

“（6）鎳鎘蓄電池的安裝必須具有：

（i） 一個(gè)能夠自動(dòng)控制蓄電池充電速率的系統(tǒng)，以防止蓄電池過熱；

（ii） 一個(gè)蓄電池溫度敏感和超溫告警的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一旦出現(xiàn)超溫告警情況即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施；或者

（iii）一個(gè)蓄電池失效敏感和告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一旦發(fā)生蓄電池失效即可將蓄電池與其充電電源斷開的措施。”

典型的民機(jī)蓄電池充電控制器具備以下三種功能：

a）控制蓄電池的充放電狀態(tài)以及充電速率；

b）監(jiān)測(cè)并向上級(jí)電源系統(tǒng)報(bào)告蓄電池的狀態(tài)，如溫度，電流；

c）通過合理的充電控制，延長蓄電池使用時(shí)間。

3 民機(jī)蓄電池充電器輸入方案

充電器方案設(shè)計(jì)需要結(jié)合所應(yīng)用的目標(biāo)飛機(jī)的電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行綜合考慮。目前民用飛機(jī)主流的蓄電池充電輸入設(shè)計(jì)方案可分為兩大類，以A320機(jī)型為代表的直流輸入的蓄電池控制器和以MD 82、B737 NG 機(jī)型為代表的交流輸入蓄電池充電器。表1是民用飛機(jī)中空客及波音的機(jī)載蓄電池充電方案的調(diào)研和類比數(shù)據(jù)。

通過調(diào)研類比可知，A320、A330、A340等飛機(jī)采用了直流輸入的蓄電池充電控制器或者蓄電池充電限制器，由于其機(jī)上裝備的蓄電池容量均小于40 Ah，此種充電輸入方案簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布置，但卻增大了直流系統(tǒng)變壓整流器（TRU）的輸出功率；B737NG、B767、B777、A380等飛機(jī)，蓄電池系統(tǒng)均采用了交流輸入的蓄電池充電控制器，由交流匯流條供電，其裝載的蓄電池容量均大于40 Ah。而且此類交流輸入的蓄電池充電技術(shù)方案在實(shí)現(xiàn)蓄電池充電控制功能的同時(shí)，可以為直流系統(tǒng)提供額外的用電容量（如B737 NG、A380以及A400M在蓄電池達(dá)到滿充電狀態(tài)時(shí)，每臺(tái)蓄電池充電控制器均可為部分直流負(fù)載提供電源）。另外，由于鋰離子蓄電池對(duì)充電及放電階段均有電流控制要求，故B787采用了直流輸入的蓄電池充電控制器以保證鋰離子電池放電階段同樣可控。

4 兩類蓄電池充電器輸入方案對(duì)比分析（下轉(zhuǎn)第115頁）

（上接第99頁）4.1 直流（DC）輸入蓄電池充電控制方案

以A320飛機(jī)為例，該蓄電池系統(tǒng)采用了蓄電池充電限制器（BCL），由直流匯流條為其供電。兩臺(tái)鎳鎘蓄電池均配有一臺(tái)專用的蓄電池充電限制器。

蓄電池直接匯流條經(jīng)接觸器連接到直流匯流條上，BCL控制蓄電池接觸器，當(dāng)蓄電池電壓低于26.5V時(shí)，充電循環(huán)開始；當(dāng)蓄電池充電電流低于4安培（A）充電循環(huán)結(jié)束。同時(shí)，BCL具有自檢測(cè)功能。

A320上采用的蓄電池充電限制器（BCL）方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要從直流匯流條上取電，無需集成變壓整流裝置，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但因受限于直流匯流條前一級(jí)變壓整流器容量，裝置的蓄電池容量有限，較難擴(kuò)容。

4.2 交流（AC）輸入蓄電池充電控制方案

以B737NG飛機(jī)為例，其蓄電池系統(tǒng)采用了蓄電池充電器（BC），由交流匯流條為其供電。兩臺(tái)鎳鎘蓄電池均配有一臺(tái)專用的蓄電池充電器（BC）。

與A320飛機(jī)相比，B737NG蓄電池充電器實(shí)質(zhì)上內(nèi)部集成一臺(tái)獨(dú)立的TRU，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電及控制，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在蓄電池達(dá)到滿電量狀態(tài)后，每臺(tái)充電器可為蓄電池直接匯流條提供至多約65A的直流電源。

4.3 具體優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

交流輸入的充電器方案：

1）優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低了TRU的功率需求；

（2）在波音空客的眾多機(jī)型中已作為主流的蓄電池技術(shù)方案，其已被廣泛使用，技術(shù)成熟且積累了相當(dāng)?shù)倪m航取證經(jīng)驗(yàn)。

2）缺點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)集成度不高導(dǎo)致蓄電池充電器內(nèi)部需要集成變壓整流器，重量體積加大；

（2）內(nèi)部設(shè)計(jì)和線路布置較為復(fù)雜，散熱性能及可靠性受到影響。

直流輸入的充電器方案：

1）優(yōu)點(diǎn)：

（1）不用集成變壓整流裝置，充電器重量體積減小；

（2）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有效減少了控制器內(nèi)部的溫度疲勞循環(huán)。

2）缺點(diǎn)：

（1）增大了TRU的輸出功率。容量在300A以上的TRU，其選型、設(shè)計(jì)和安裝布置有較高的要求，需要考慮體積、散熱等諸多問題；

（2）相應(yīng)的對(duì)蓄電池的容量有一定限制和影響。

5 結(jié)論

直流電源輸入的蓄電池充電器減少了充電器體積、重量，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠性高；但對(duì)TRU設(shè)計(jì)要求較高并相應(yīng)限制了蓄電池裝機(jī)容量。交流電源輸入的蓄電池充電器使用廣泛，技術(shù)成熟有較豐富的適航經(jīng)驗(yàn)；但蓄電池充電器內(nèi)部需要集成變壓整流器，重量體積加大，線路布置較為復(fù)雜，散熱性能及可靠性受到影響。民用飛機(jī)蓄電池充電器輸入方案應(yīng)結(jié)合飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如系統(tǒng)集成度、線纜布置、TRU容量、體積、散熱等，以及蓄電池負(fù)載分析進(jìn)行綜合權(quán)衡考慮。

另外，蓄電池控制器的功能集成也是將來的一個(gè)趨勢(shì)，如能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池健康狀態(tài)診斷，即于蓄電池充電控制器內(nèi)部集成蓄電池故障預(yù)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)功能，將系統(tǒng)信號(hào)采集、故障監(jiān)測(cè)告警、故障預(yù)測(cè)以及后勤維護(hù)決策功能的一體化和高度自動(dòng)化，減少蓄電池的周期定檢，降低飛機(jī)運(yùn)營時(shí)的維護(hù)成本，同時(shí)可為下一代型號(hào)積累健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程經(jīng)驗(yàn)。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]