混動飛機儲能限制分析

于 燕王 偉舒泰歌

（1.中國商用飛機有限責任公司，中國 上海200126；2.中國民航大學適航學院，中國 天津300300；3.中國民航大學中歐學院，中國 天津300300）

1 國內外發展現狀

混動飛機是近年來多電飛機發展的一個熱門課題[1]。目前，世界各先進航空器制造商在混動 飛機儲能上進行了可行性探索，尋找未來商業航空發動機的綠色清潔方案[2]。鉆石、空客等公司探尋了混合動力推進以及儲能電池的可能性。相對于國外比較深入的混動飛機的儲能技術實驗與運用，國內的混動飛機技術尚在起步階段。國內基于某型混動飛機進行了供電系統、混動電機、仿真平臺進行了設計，為混動飛機電源設計提供了相關評估和可行性方法，但是對于混動飛機的儲能策略以及儲能限制分析仍缺乏比較合理的論證[3-8]。本文旨在針對混動飛機的儲能策略進行選擇和對儲能限制的分析，為混動飛機設計以及適航提供參考。

2 混動儲能飛機架構

混動飛機是一種具備二次能量儲存裝置系統的混合動力飛機，目前的研究多以電能作為二級能源。混動飛機的儲能廣義上分為燃料和電池，其中燃料以內能形式釋放的儲能設備，而電池是既能將電能儲存又能以電能形式釋放的儲能設備。一般地，根據儲能分配形式，混動飛機結構有三種，分為串聯式、并行式和串聯并行式。

串聯式構造為燃料儲存的能量通過熱機對電機進行做功，從而轉化為電能為電池充電，再由電池儲存的能量對發動機進行供能。由于能量傳遞路徑只有一條，一旦傳遞路徑中斷，則無法繼續為發動機供能，其整體架構如圖1（a）所示。并行式有兩種工作模式：一種為熱機和發電機同時驅動輸出；另一種為熱機單獨驅動輸出。相比于串聯式，有兩條完全獨立儲能和供能路徑，擁有足夠的安全冗余，但電池無法再充電補充能量,其儲能架構如圖1（b）所示。串聯并行結合了串聯和并行式的優點，燃料不僅可以為發動機供能，還能對電池供能充電，燃料和電池的供能路徑又可以是相互獨立的，二者也可以同時為發動機供能，其儲能架構如圖1（c）所示。

3 混動飛機儲能過程分析

3.1 混動飛機推力過程分析

為驗證混動飛機的推力過程，本文選取某航班典型飛行記錄，其發動機型號為CFM56-7B26/27，這里假設該飛機雙發均裝配有串聯并行式架構的混合動力和儲能系統，儲能設備雙發共享，其儲能架構同上圖1（c）。假設該系統對航班的飛行性能影響可忽略不計，并且儲能容量足夠大。飛機在第0秒起飛后，保持最高燃油效率開始爬升，其中一部分功率用于維持爬升狀態下的飛行剖面，剩余功率通過混動系統儲存在電池中，在第962秒以最經濟速度進入高度FL310巡航階段。在第7 052秒后僅用電池供能，飛機下降，全程共計145分鐘。實線為該航班的實際燃油流量，虛線為使用混動儲能系統的燃油流量，如圖2所示。

圖2 某航班實際飛行燃油流量

3.2 混動飛機儲能限制分析

本文采用燃油流量估計儲能過程，儲能剩余電量為電池存儲的等效燃油量與實際飛機下降所需的燃油量之差。若儲能能量轉化因子為0.953 9，儲能電量還有剩余。隨著飛機爬升燃油流量減少，儲能能量轉化因子改善儲能剩余電量是有效的但極其有限，故還需要合適的爬升燃油流量進行儲能，然而實際的儲能裝置空間受限，混動飛機儲能還受限于電池能量密度。

表1 儲能能量轉化因子表

4 結語

本文討論了混動飛機儲能架構，以串聯并行式儲能架構為例分析了混動飛機充能供能方案的儲能限制。混動飛機儲能限制可在于混電儲能容量和轉化效率，提高混動儲能能量密度和轉化效率對混電飛機的儲能設計具有參考意義。