面向能量管理的飞机智能电力系统负载动态管理

面向能量管理的飞机智能电力系统负载动态管理

余鹤

陕西飞机工业有限责任公司  陕西汉中 723213

摘要：随着飞机综合性能的提升，不断朝着多电/全电、智能化方向发展，电力系统的能量需求越来越大，对电力系统的能量管理带来了相当严峻地挑战。F-22和F-35是美国先进战斗机的代表，应用了许多最新的电气技术，但是其能量管理能力方面技术应用研究较少，同时，美国军方对下一代飞机的重点研究方向之一就是能量优化。当前飞机的电源系统的供给总功率均按照所有负载同时工作时的峰值功率计算和设计。然而，飞机飞行包线的均值功率需求远低于负载的峰值功率，导致在低功率需求的时候效率十分低下，多消耗5%～10%的燃油。据统计分析，飞机全包线平均功率需求为峰值功率需求的1/8～1/5。飞机电力系统的功率需求如果按照均值功率设计，发电机的体积、重量和发热将减少一半以上。基于此，对面向能量管理的飞机智能电力系统负载动态管理进行研究，以供参考。

关键词：能量管理;电力系统;负载;动态管理

引言

飞机电子系统的智能设计特点是将人工智能集成到飞机动力系统的设计与验证中。它从飞机整个生命周期内的一系列性能测试开始，协调飞机各个子系统的资源，并进行模拟实验，以实现电力系统性能的优化设计。为了开发发电系统的智能设计/评估系统，飞机整个生命周期的多学科建模技术、模块化、设计平台的自动化软件技术以及标准化、分布式可视化技术是一个重要问题。

1飞机电力系统地位和作用

飞机电气系统是一个单独的电网，包括发电、输电、配电、储存和使用。它由发电机、电力传输用的电源线、配电和电子转换单元、电力储存电池系统和负责操作这些部件的飞机各组成部分以及控制这些部件的控制器组成。飞机的供电系统主要包括飞机、飞行控制系统、环境监测系统、防冰系统、子系统、通信系统(内部和外部)、飞机照明和飞机流量的其他重要组成部分。所有这些系统和组件都是可靠、小巧、轻便的，可提高飞机的效率。随着飞机上更多系统的电气替代方案的逐步引进，飞机的整体效率提高，污染进一步减少，飞机电力系统的地位和作用变得越来越重要。今后，飞机的电力系统将成为飞机的发动机，从而决定性地推动了飞机的技术进步。

2飞机智能电力系统负载动态管理策略

飞机的电力系统在能量管理方面的传统方法主要集中在负载配电回路中电气装置开关上，根据负载的关键、重要、一般的重要性程度分类划分，设定不同的配电优先等级，控制系统优先保障重要度等级高的设备供电。能量管理的目标是针对飞机全包线飞行的电能量需求，在各个飞行阶段，提供足够、持续、稳定的电力供给，保障飞机飞行安全并执行任务，同时，通过对电力系统优化设计和控制策略，减少能量消耗。随着多电/全电技术的进一步发展，大功率脉冲型负载的启停更加剧烈，对电力系统能量管理的暂态响应特性指标提出了更高要求。因此，需要在稳态功率控制的基础上，加入瞬态功率管理功能，满足大功率设备、电力作动机构和能量武器等的峰值功率需求。负载的动态管理是现代飞机智能电力系统能量管理策略中的一项重要组成部分，主要包括:负载的动态管理策略研究、负载特性的研究、配电系统的负载动态管理研究等。

3飞机电力系统功能架构

大型飞机的功能体系结构是一个独立的电气系统，也称为独立电网，具有独立电网的所有特点。与此同时，由于飞机机身中的飞机独立电网配置了各种电力设备和复杂结构，尺寸较小，影响程度高，能量密度高，因此比地面上的孤立电网更加复杂和困难。并且大型飞机的电力系统对电网的稳定性、电磁兼容性和噪声提出了很高的要求。一般而言，它由高效启动/电源系统、配电系统、高效电源过渡和二级配电系统以及电源和节能系统组成。

4飞机电力系统特点

飞机的供电系统集中在短距离、发电、配电和变换以及飞机内的供电设备上，核心是系统综合的电力系统。(1)飞机的电力系统设备体积小、重量轻、可靠性高。(2)飞机的电力系统设备比地面设备更耐用。(3)飞机供电系统的结构设计、热设计、冷却介质等比地面复杂，对所用设备和材料的要求较高。(4)飞机电子设备是一种现代化的高科技系统，集成在发电、配电和改造、仓储、驱动、电力、控制和通信等领域。

5关键技术

电气系统智能设计平台的关键技术如下:①多学科建模技术；②智能多学科设计优化技术；③基于虚拟现实的分布式仿真验证技术。(1)使用多学科建模技术开发多学科模型是电力系统设计、分析和优化的首要优先事项，包括关于系统体积、重量、电力和冷却以及可靠性和可用性的决策模型， 维护和成本。目前在商业软件中第二次开发的模型通常是物理或时间频域模型，适用于不符合成本计算要求且无法 在此基础上，需要在供应商和其他专门知识的支持下，开发具有通用接口的决策模型，以便为标准化的多学科模型奠定基础。(2)智能多学科设计优化技术是电力系统智能设计的基本工具 并解决飞机电气系统优化设计问题的主要途径，包括近似技术、灵敏度分析、系统分解技术、MDO和优化/决策算法。

6飞机电力系统测控技术

对于混合动力飞机和电动飞机，电池是飞机的主要动力来源，储存的能量决定混合动力飞机和电动飞机的行驶里程。能量密度是电力电池的主要指标之一，也是大型飞机电力系统的核心和关键。电力电池的状况和测试需求的沐浴与大型飞机的飞行安全有关。初次冲洗要求如下:①电力电池充放电电压试验；②电力电池充放电电流试验；③电力电池充放电容量试验；④测试和监测电力电池的充放电温度；⑤测试动力电池的最大能量密度；⑥电力电池健康状况测试监测分析；⑦测试变配电系统外部温度变化对电力电池充电放电的影响；⑧电力电池各单元间电流平衡试验；⑨动力电池外部短路的测试与监控。对于电力电池系统来说，充放电管理及测控是必不可少的技术，如果充放电管理的控制精度不好，容易引起电池系统的充放电异常，甚至损坏电池系统。如果装卸管理精度高，且充电器功能齐全，电池寿命可能会大大延长，从而大大延长飞机的使用寿命。因此，准确测量和控制电力电池非常重要。对电池充电时，要监控和测试过充电保护、过放电保护、短语保护、过流保护、过压保护和电池接反保护6种保护功能。

7负载动态管理研究

负载优先级设计，电气负载的自动管理是基于负载的重要度等级管理开展的，根据负载的重要程度设置负载管理的优先级别，电力系统参数包括主发电机功率、数量和各个飞行阶段电气负载工作功率需求等。通过对电气负载特性分析，梳理负载重要程度和功率需求特性，建立供电优先级。在飞行过程中，当某个主电源发生供电故障或大功率容性负载启动时，可能造成电源系统的供电能力无法满足当前正在工作的电气设备的功率需求，通过负载管功率匹配计算，根据电气负载优先级，首先保证飞行安全，关闭重要度低的部分电气负载，实现当前电气负载的功率需求和电源系统的供电能力的动态平衡。负载自动管理功能通过平衡当前负载功率需求和供电能力，确保负载用电需求低于电源供电能力，设定表征电气负载重要程度的优先级参数和负载自动管理的断电顺序。

结束语

由于电气、电机和电池技术的快速进步和技术突破，飞机动力系统在飞机上的位置变得越来越重要。飞机电子领域的技术研究对于下一代能源飞行器减少飞机排放和提高飞机能效至关重要。

参考文献：

[1]张永强.一种飞机智能配电系统的设计与实现[D].电子科技大学,2019.

[2]王佩.多电飞机电驱动负载能量管理技术研究[D].南京航空航天大学,2019.

[3]王莉,戴泽华,杨善水,毛玲,严仰光.电气化飞机电力系统智能化设计研究综述[J].航空学报,2019,40(02):5-19.

[4]徐洁.多电飞机分布式智能配电技术研究[D].电子科技大学,2013.

[5]吴晓辉.分布式智能配电系统[D].西安电子科技大学,2012.