大型飛機電力系統測控技術需求探討

李開省

(航空工業中航機載系統有限公司，北京 100028)

隨著我國“一帶一路”戰略的實施，大型飛機技術的研究顯得越來越重要。在大型飛機中，電力系統隨著多電飛機技術、電推進技術的發展，已經成為未來大型飛機重點發展的系統。同時，電推進技術、新型電池儲能技術的發展，使電動飛機成為可能。因此，對大型飛機電力系統的研究是重中之重。

大型飛機電力系統的發展是一項全新的科技，它改變了傳統的飛機設計理念，是對大型飛機發展的一次革命。由于電能成為飛機上重要的能源體，極大地提高了飛機的可靠性和可維護性，飛機電力系統測控技術也隨之成為未來飛機發展的重點。下面就大型飛機電力系統及測控技術需求進行一些初步研究與探討，以加速我國大型飛機技術快速發展。

1 大型飛機電力系統與相關系統的關系和頂層要求

電力系統承擔著飛機上電能產生、電能分配、電能輸送、電能變換和電作動等功能，它與飛機的機體結構、航電系統、環控系統等密切相關。同時，它又與飛行員和機組人員、機務地勤人員和地面保障等密切相關。只有深入了解頂層需求，才能明確未來大型飛機電力系統測控技術需求的正確方向，不是為了測試而測試，而是基于飛機電力系統需求來進行飛機測控技術研究。

大型飛機電力系統和飛機上其他系統利益攸關關系如圖1所示。

圖1 大型飛機電力系統和其他系統利益攸關關系圖

目前，大型飛機對電力系統提出了新的功能需求。為了提高效率，一般要求電力系統為變頻交流電力系統，同時發電系統具備起動和發電雙功能，能夠對飛機進行自動管理。隨著電力電子技術的快速發展，盡可能采用固態配電技術，實現系統的故障容錯、重構和管理，以及系統的高功重比、低功耗。

在大型飛機中，對電力系統的安全性方面提出了3條要求：① 在全部階段，所有電力系統失效的概率應小于1E-9每飛行小時；② 全部四套電力系統失效的概率應小于1E-8每飛行小時；③ 全部一套電力系統失效概率應小于1E-3每飛行小時。因此，可以看出，大型飛機對電力系統提出了更加嚴格的安全性要求。

2 大型飛機電力系統功能架構和可借鑒的范式

大型飛機電力系統的功能架構如圖2所示，是一個獨立的電力系統，也被稱為獨立電網絡，它有獨立電網所具有的一切特征。同時，與地面獨立電網相比，它更加復雜、難度更大，這是由于飛機獨立電網絡用電設備都在飛機體內布局，用電設備種類繁多、結構復雜、體積小、效率高、功率密度大。并且，大型飛機電力系統對電網絡的穩定性、電磁兼容性和噪聲提出了嚴格要求。一般情況下，它由以下幾個部分組成：高效的起動/發電系統、一次配電系統、高效電力變換和二次配電系統以及用電設備和高效儲能系統。

圖2 大型飛機電力系統的功能架構

下面以多電波音787飛機作為可借鑒的范式為例，詳細分析它的功能架構。

波音787飛機電力系統采用4套250 kVA主變頻交流起動/發電系統構型，輔助發電系統采用2套225 kVA交流起動/發電系統構型，應急發電系統是50 kVA交流發電系統構型，總發電容量達到1500 kVA，是一座真正的空中電站，也是一架真正的多電飛機。

主變頻交流電力系統采用四余度，進一步加強了飛機的安全性。采用230 V主變頻交流供電，使飛機的電網質量極大地降低，取消了飛機發動機引氣和燃氣渦輪起動機，采用電起動、電作動、電環控、電防冰和電剎車等先進技術，大量采用了電力電子技術和各種先進變換技術，使飛機朝著更加智能化的方向邁進。

主配電系統采用±270 V直流配電，使飛機電網更加簡化；配電系統大量采用固態器件，使飛機配電系統更加快速、智能和可靠，系統容錯和重構能力進一步加強。同時，大量采用電子斷路器，使飛機系統的性能得到了提升。采用自動負載管理的新技術，使用電更加合理。高效的儲能電池第一次采用鋰離子電池，使飛機儲能密度進一步增大；充放電采用智能計數機控制技術，使電池充放電更加合理、飛機電池壽命進一步延長。

3 大型飛機電力系統關鍵技術

(1) 大功率高速油冷起動/發電設計技術。

由于航空起動/發電機設計要求體積小、質量輕、工作可靠，電機設計要考慮發動機起動特性又要考慮發電特性，因此，起動/發電機設計技術難度大，該技術成為大型飛機電力系統的核心和關鍵技術之一。

(2) 大型飛機電力系統魯棒性設計技術。

由于大型飛機電力系統是一個獨立電網，電子非線性負載大量使用，需要發電系統能夠承受各種各樣負載的變化，同時，電網的諧波和噪聲加大，對獨立電網的穩定運行造成很大的困難，需要電力系統能夠承受負載非線性變化造成的影響，因此，魯棒性電力系統設計是大型飛機電力系統的核心和關鍵技術之一。

(3) 大型飛機電力系統固態配電技術。

由于大型飛機負載越來越多，負載控制與轉換需要配電系統速度更快、效率更高且更加可靠，因此，越來越多的轉換部件由原來的有接觸點部件更換為無觸點固態器件。同時，飛機更加智能化需要配電系統具備容錯和重構功能，因此，固態配電技術是大型飛機電力系統的核心和關鍵技術之一。

(4) 大型飛機電力系統電力變換技術。

由于電壓的品種越來越多，直流、交流及各種電壓的轉換成為大型飛機電力系統的關鍵。由于電力電子技術的快速發展特別是耐高溫電力電子技術的快速發展，使大型飛機電力轉換體積更小、效率更高，特別是碳化硅電力電子器件的應用，使整個電力電子系統進行了一次革命，因此，耐高溫電力電子技術是大型飛機電力系統的核心和關鍵技術之一。

(5) 大型飛機電力系統儲能技術。

由于大型飛機電力系統用電量越來越多，儲能技術就成為大型飛機電力系統的核心，使用能量密度大、充放電時間短的電池是飛機電力系統的最佳選擇。未來，隨著電推進技術的發展，電池成為飛機的主要動力，人們會真正走進電動飛機的綠色航空時代。因此，鋰離子電池的應用和快速充放電技術是大型飛機電力系統的核心和關鍵技術之一。

4 大型飛機電力系統測控技術

對大型飛機的電力系統從利益攸關方、可借鑒的范式和大型飛機的關鍵技術進行了初步的探討，其中更為重要的是對大型飛機的測控技術需求進行分析探討，為未來飛機電力系統發展做出貢獻。

大型飛機電力系統技術隨著飛機多電、全電和電動化的發展越來越重要，未來大型飛機的電動化是發展趨勢，因而飛機電力系統就成為未來飛機發展的重中之重，飛機電力系統測控技術也會成為未來飛機發展的重點。大型飛機電力系統的發展核心是聚焦大功率電機、電力系統變換與控制和動力電池(也就是通常說的三電)，它比電動汽車或其他電動交通工具電力系統的研制更為困難和復雜，因為飛機電力系統隨著飛機進入高空飛行，在高空的條件下要承受更加嚴苛的自然環境條件。因此，對大型飛機電力系統在地面常溫環境、高空、振動等條件下的測試和控制就顯得更加迫切。下面就大型飛機的測控需求從三電的角度進行分析探討。

4.1 大功率起動/發電機的測控需求和核心技術簡介

大型飛機起動/發電機實際上在飛機起動狀態時是電動機，在正常工作狀態時是發電機；未來大型飛機實現混動和電動推進系統，電動機就是飛機發動機或者發動機的一部分，因此，電機測試技術是飛機的核心和關鍵，它的測控需求的梳理關系到大型飛機研制成敗。初步梳理的需求如下。

(1) 大功率電動機測控需求：① 電動機效率的測試；② 電動機輸出扭矩的測試；③ 電動機及核心部件發熱的測試和溫度監控；④ 電動機功重比的測試與分析；⑤ 電動機輸入電壓的測試；⑥ 電動機輸入電流的測試；⑦ 電動機輸出功率的測試；⑧ 電動機輸出轉速的測試；⑨ 電動機健康狀況的測試分析與監控。

(2) 大功率發電機測控需求：① 發電機效率的測試；② 發電機輸出電壓的測試；③ 發電機輸出電流的測試；④ 發電機轉速的測試；⑤ 發電機輸出功率的測試；⑥ 發電機及核心部件發熱的測試和溫度監控；⑦ 發電機功重比的測試與分析；⑧ 發電機輸入電壓諧波含量的測試；⑨ 發電機健康狀況的測試分析與監控。

在多電和全電飛機的測控中，核心測控技術是要測試出發動機的實際扭力曲線，然后，電動機的控制起動曲線要和發動機扭力曲線相吻合，能否精確測量二者的扭力曲線，進而由電動機模擬發動機起動特性，是多電和全電飛機電力系統成功的關鍵；在電動飛機中，以螺旋槳飛機為例，要精確測出飛機螺旋槳的扭力曲線和特性，然后電動機的扭力曲線要和螺旋槳的扭力曲線吻合，是電動飛機成功的關鍵。混動飛機的測控核心技術這里不做詳述，它是上述二者測控技術的集合。

4.2 電力變換和分配控制系統的測控需求和部分核心技術簡介

大型飛機的電力變換和分配控制系統實際上就是飛機的電力系統控制中心。對混動和電動飛機來說就是飛機能源控制的中心，控制著整個飛機的推進動力，是混動和電動飛機的核心和關鍵。對其測控需求的梳理關系到混動和電動飛機研制的成敗。

初步梳理的系統需求如下：① 大型飛機電力系統諧波的測試與控制；② 大型飛機電力系統電磁兼容的測試與控制；③ 大型飛機電力系統穩定性的測試；④ 大型飛機電力系統動態電壓、電流和恢復時間的測試；⑤ 電力變換和分配系統及關鍵部件溫度的測試和監控；⑥ 電力變換和分配系統效率的測試；⑦ 電力變換和分配系統功率密度的測試；⑧ 電力變換和分配系統邏輯功能的測試；⑨ 電力變換和分配系統輸入和輸出電壓、電流的測試；⑩ 電力變換和分配系統隨外界環境變化的測試。

對于電力變換和分配系統來說，電力變換部分的效率測控是非常復雜的，它和電力變換部分的熱設計、冷卻方式和結構設計密切相關，對變換器溫度的測控關系到電力變換系統的可靠性，而且測試點的選擇非常重要，關系到測試的精度和可信度。

功率密度的測試是電力變換系統的重要指標，它和電力系統的效率測試一樣，與電力變換系統結構設計、熱設計和冷卻方式密切相關，功率密度決定著電力變換系統水平，特別是寬禁帶器件的使用，極大地提升了電力變換部分效率和功率密度。

分配控制系統的測試主要是對固態功率器件和控制邏輯的測試，對飛機電力系統電磁兼容性能的測試有許多國際的標準和規范，這部分是電力系統控制的中心，測試方法和測試點的選取非常關鍵，往往是測試精度和可信度的關鍵，要通過理論計算和實際試驗來確定。

4.3 動力電池的測控需求和核心測控技術簡介

大型飛機的動力電池對多電飛機來說是飛機的應急能量來源，對于混動和電動飛機來說，動力電池是飛機的主要能量來源，它儲存的能量決定了混動和電動飛機的續航里程，其能量密度是動力電池的關鍵指標之一，也是大型飛機電力系統的核心和關鍵，動力電池狀況及測試需求的梳理關系到大型飛機的飛行安全。

初步梳理的需求如下：① 動力電池充放電電壓的測試；② 動力電池充放電電流的測試；③ 動力電池充放電容量的測試；④ 動力電池充放電溫度的測試與監控；⑤ 動力電池最大能量密度的測試；⑥ 動力電池健康狀態的測試分析與監控；⑦ 電力變換和分配系統外界溫度變化對動力電池充放電影響的測試；⑧ 動力電池各個單元之間電流均衡性的測試；⑨ 動力電池外部短路的測試與監控。

對于動力電池系統來說，充放電管理和測控是其核心關鍵技術，如果充放電管理的控制精度不佳，容易造成電池系統充放電異常，甚至損壞電池系統。而如果充放電管理精度高，充電器功能齊全，就可以極大地延長電池使用壽命，從而極大地延長飛機壽命。因此，動力電池的精確測控非常重要。

對電池充電時，要監控和測試過充電保護、過放電保護、短語保護、過流保護、過壓保護和電池接反保護6種保護功能。

(1) 過充電保護。

當充電器對動力電池過充電時，為防止因溫度上升所導致的內電壓上升，需終止充電狀態。為此，充電器須有電池數據采集的功能，以監控電池電壓，當其達到電池的過充電電壓時，激活過沖保護功能，終止充電過程。

(2) 過放電保護。

飛機上的動力電池系統應該具有電池管理功能，其中應該具有過放電保護等能力，這是由于動力電池測控數據非常重要。為了防止動力電池進入過放電狀態，當動力電池低于其過放電電壓檢測點時，激活過放電保護，終止電池系統放電，并將電池系統保持在低靜態電流待機模式。

(3) 過流及短路保護。

當動力電池系統檢測到放電電流過大或發生短路的時候，激活過流和短路保護，使電池終止放電，同時告警，找到過流和短路的原因，再重新工作。

動力電池管理系統和充電系統是動力電池系統的重要組成部分，而電池的測控技術是其重要的一環。好的電池管理系統能夠對每一節電池的健康狀態進行監控，及時終止損壞的電池繼續工作并斷開電池，而不影響系統正常工作。這就需要動力電池系統具有數據采集(電芯充放電電壓和電流、電池組和系統的充放電電壓和電流等)、熱管理、安全管理、電芯及電池組之間均衡控制、狀態計算、系統能量管理和數據通信等功能。該系統還應該包含電池充放電的精確處理算法，能自動處理電池充放電以及電池發熱等問題。因此，動力電池的管理是未來電動飛機的關鍵技術之一，而其測控技術是電動飛機成功的關鍵，需要花費大力氣來研究解決。

5 大型飛機電力系統的試驗測試裝置實例

大型飛機電力系統的測試十分重要，但在我國還沒有系統地開展。我國沒有大型飛機完整的電力系統的測試試驗室，許多試驗是在飛機的地面上和空中試驗中來完成的，極大地增加了飛機的交付周期和風險；而且，試驗往往不充分，飛機帶著問題進行試飛，質量問題經常發生。因此，我國亟需建立大型飛機電力系統測試試驗物理實驗室，來滿足飛機研制的需要。下面以波音多電787飛機、混動和電動飛機電力系統測試試驗為例，介紹大型飛機電力系統的測試試驗。

5.1 波音787飛機測試試驗裝置

大型飛機電力系統測試試驗是非常關鍵的。美國波音787大型多電飛機的電力系統測試非常復雜，是波音787飛機成功的關鍵，它從飛機的仿真測試開始、到整個飛機的物理測試，是把一架飛機實物進行折疊設計了一個物理實驗室來進行驗證，以確保波音787飛機成功。波音787飛機電力系統試驗測試實驗室如圖3所示。

圖3 波音787飛機電力系統試驗測試實驗室

大型飛機的電力系統是非常復雜的，系統的魯棒性和穩定性與發電系統穩定余度設計、電力變換和分配系統設計、飛機電纜的合理布局以及用電設備的特性等密切相關。它的測試和控制是非常復雜的。

5.2 混動和電動飛機測試試驗裝置功能說明

混動和電動飛機的測試技術研究是飛機技術發展的重要一環，其中世界各國都在對電動飛機、混合動力飛機的測試技術開展創新性研究。世界上有很多基于燃氣渦輪發動機的飛機電力推進系統試驗設施，燃氣渦輪混合動力推進系統試驗設施也在不斷進步，但對于電動飛機電力推進系統技術的測試試驗設施的研究剛剛開始。目前，正在開展未來航空運輸的各種飛機電力推進系統的架構研究，但是這些新型架構的研究在應用到飛機上試飛之前，必須先在地面經過各種大規模和大功率的嚴格試驗和測試，以排除飛機存在的安全性問題。

飛機電力推進系統必須具有體積小、質量輕和功率密度高的特點，而且必須滿足高壓、大功率和高空等嚴酷環境的要求，才能在飛機上使用，而這些條件是電動汽車和其他交通運輸工具未曾遇見過的。熱管理、容錯控制、電磁干擾和諧波的抑制、系統的穩定性與余度控制等都是電力系統給飛機設計帶來的新問題，必須進行充分和詳細科學的研究。

5.3 實際的混動和電動飛機電力系統測試試驗裝置

為了填補在試驗室和飛機實際飛行之間的測試驗證空缺，美國NASA建造了一個試驗設施——“NASA電動飛機試驗臺(NEAT)”，以實現未來單通道飛機全尺寸、實際飛行重量的動力裝置在地面完成技術成熟度6級的試驗測試，為電動飛機實際飛行做好準備。

NEAT是一個測試功率水平高達24 MW、匯流條電壓高達4500 V的完整電推進系統測試試驗臺。NEAT坐落于美國NASA格林研究中心Plumb Brook試驗站，此前這里是美國超音速風洞和核熱火箭測試設施的試驗中心。

經過翻新改建后，NASA于2017年9月在該設施中進行了第一次低功耗測試，使用一對現成的電動機來模擬通用電氣CF34渦扇發動機。NEAT現在配備了波音737大小電推進動力裝置來測試STARC-ABL(帶后邊界層推進的單通道渦輪電推進飛機)。該機是NASA面向未來混合電動客運飛機的概念機。

STARC-ABL 電推進系統的測試于2017年9月開始，測試電功率為0.5 MW，到2018年增至2.6 MW，其他功率配置的試驗隨后進行。NASA格林中心的混合動力電推進技術主管羅杰·戴森說：“從長遠來看，我們計劃對不同電氣化階段的150座級單通道客機的電推進系統進行測試”。

NASA選擇Plum Brook作為NEAT所在地，是因為它以前是火箭測試設施和馬赫數7的風洞，具有支持大功率常規和超導電推進系統測試所需的功率和低溫冷卻的設施。

NASA在該設施翻新改建之后進行了適度的初始試驗，即運行一對125 kW的電動機和NASA開發的控制軟件以及為NEAT安裝的設備進行冷卻和其他試驗。該測試還提供了系統電磁干擾的數據，以支持X-57“麥克斯韋”分布式電推進驗證機的開發。X-57的功率為200 kW，與NEAT初始試驗類似。該機已于2018年進行試飛。

如圖4所示，NASA目前在設施內安裝一個737機身和截斷翼，為全尺寸單通道電推進系提供實物物理的布線和接線長度。對于STARC-ABL配置，其中翼下渦輪風扇的發電機在尾部驅動涵道風扇，之間的距離將達9.75 m，從翼根到尾部推進器長度為21.03 m。

圖4 NASA將737的機身和截斷的機翼安裝于NEAT

對于STARC-ABL測試，將尾部高度限制在6.10 m之內，將飛機試驗高度升至15240 m，測試滿功率的電機和變換器。因為在這個高度下，高電壓電弧對電機性能有較大影響。NEAT設計用于測試737尺寸窄體噴氣式飛機的電推進系統裝置，將在2024年之后進行范圍的擴展，以測試更寬的電推進飛機。

圖5為NEAT可以測試不同的電推進系統的配置(包括分布式電推進系統)。

圖5 NEAT可以測試不同的電推進系統的

NEAT試驗臺于2017年8月安裝完成。測試從混合電動地面車輛中使用的貨架產品牽引電機開始。派克公司生產的125 kW永磁電機是最輕、最小的一種。電機以軸對的連接方式安裝來推進負載。一起模擬發電機和電機推進的涵道風扇。

在STARC-ABL中，飛機尾部的涵道風扇可吸收在機身上緩慢移動的邊界層，為尾流注入能量，從而減少阻力。這也減少了飛機巡航所需的渦輪風扇發動機的功率，還減少了飛機的質量和燃油消耗。NASA的設計研究表明，盡管增加了電氣部件、風扇和涵道(這部分對節省燃油貢獻20%)，電推進系統還是可以節省7%～12%的燃油消耗。

在NEAT試驗臺中，每個渦輪風扇由一對電動機模擬，這對電動機須匹配燃氣渦輪發動機的速度、扭矩和慣性曲線。尾部推進器也是由成對的電動機模擬的，這些電動機須模擬不同高度的涵道風扇的推進動力。

測試先由8個250 kW的電動機為涵道風扇提供0.5 MW功率，但到2018年后期，為NASA開發的大功率電機到達時，該試驗臺每個模擬渦輪風扇可產生1.4 MW電力以驅動尾部推進器，達到其滿負荷的2.6 MW功率水平。

NASA正在資助5個不同的項目團隊來開發1 MW的電機，這些電機在航空領域具備高效、高功重比和質量輕的特點。“他們開發的電機有不同的架構，但是初步的演示試驗顯示其具有接近99%的效率和13 kW/kg的功重比，到2018年將有符合規格要求的電機完成”。大功率超導電機和電力電子變換器在2019年左右投入使用。

STARC-ABL是從發動機到發電機、電機到風扇的串聯混合動力推進系統。下一步，NASA計劃在NEAT中測試波音SUGAR Volt的并聯混合動力推進系統架構。這種架構采用安裝在渦輪風扇發動機軸上的電動機，通過使用電池在起飛和爬升階段增加飛機的推力。NEAT可以測試ECO-150分布式渦輪電推進系統，這種系統是采用安裝在機翼上的渦輪發電機推進嵌入在機翼中的涵道風扇陣列來實現飛機飛行。

6 展望

未來，隨著航空業對環境的影響越來越大，減少碳排放將是航空業發展的重點，飛機電力系統及其測控技術要圍繞國際民機減排的總要求，大力開展大型飛機減排的工作。而大型多電、全電和電動飛機正是實現這一目標的重要保證。從未來飛機的發展方向可以看出，飛機的電力系統在飛機上的地位越來越重要，它決定著大型飛機未來的發展。未來飛機的電力系統具有先進的架構、更高的電壓等級、更加智能和集成，電力電子器件可耐受更高的溫度，動力電池具有更高的能量密度，這樣才能滿足飛機減少排放的要求。同時，未來航空業必然會對飛機電力系統的測控體系提出更高的要求，因此要花費更多的精力對電力系統測控技術進行研究。

要想占領世界航空技術的制高點，航空企業就要集中精力研究飛機電力系統技術和測控技術，只有這樣才能趕上世界航空工業的發展。要想使飛機成為精品，飛機電力系統和其測試技術就是其核心和關鍵。相信本文會使更多人關注多電、全電和電動飛機的發展，更加關注飛機的電力系統及其測試技術，從而使飛機電力走進人們的生活，使大型飛機真正用上魯棒性的電力系統，使大型綠色無污染的電動飛機真正的飛起來，進而飛的更高、更遠，也使企業能夠盡快進入世界航空的強者之林。