CTM蓄电池飞机锂电池应急供电时间试验方法

时间：2025-11-22 11:50:00 点击数：

ctm蓄电池飞机锂电池应急供电时间试验方法

针对影响锂电池放电时长的环境温度、放电倍率和健康状态（充放电循环次数），讨论了在飞机锂电池应急供电试验中如何考虑三种因素的影响，并给出了通用性试验方法，具有与锂电池特性相似的其他飞机蓄电池在进行试验时可参照进行。

关键词：飞机应急供电；应急供电时间；应急供电试验方法

0引言

航空锂电池作为飞机的应急电源，是飞机供电系统保障飞行安全的的最后一道屏障，其性能是否达标是关系到飞机安全的重要因素。在一型飞机鉴定或者取证阶段，锂电池/蓄电池应急供电时间是飞机供电系统试飞试验中重要的一项。现有的蓄电池应急供电时间专项试验通常采用机上地面试验方式对其进行考核，但在试验中存在一些问题，比如飞机系统工作状态和空中时不一致导致的蓄电池放电倍率和真实状态下的不一致；其次，地面试验时的蓄电池环境温度也和在飞机在空中时或使用中所能遇到的最严苛环境温度不一致；最后，新机所配装的蓄电池一般充放电循环次数较少，其性能也优于服役或者运营飞机所允许装机的蓄电池最低性能。因此，充分完善的蓄电池应急供电地面试验需要合理规划，在试验设计时需要考虑上述因素。

1影响锂电池性能的因素

锂电池的放电特性会受多种因素影响，但总体上锂电池放电过程中的输出电压时间历程曲线均表现为在放电开始阶段电压降低比较快，然后进入一个相对稳定阶段，为电压平台阶段，在接近放电截止电压时，输出电压降低速率明显增加且电压降低速率越来越大。以NASA公开的18650型锂电池试验数据为例，锂电池在不同放电条件下的输出电压时间历程曲线如图1所示，图例注释规则为：电池序号-环境温度-放电电流-充放电循环次数（cy）。18650型锂电池额定容量为2Ah，满容量时开路输出电压为4.2V，在放电试验中终止电压为2.0V至2.7V不等，图1中取输出电压高于2.6V之前的数据。

图1 同型锂电池在不同放电条件下的输出电压变化

1.1 温度对锂电池放电时间的影响

从图1的放电电压曲线可以看出，在放电电流相同的情况下，环境温度高时，锂电池可放电时间高于环境温度较低时。分别对比05#、55#放电电压曲线和32#、34#放电电压曲线，可发现环境温度为24℃时的放电时间明显大于环境温度为4℃，而环境温度为43℃时的放电时间虽然大于环境温度为24℃时的放电时长，但区别并不明显。这是因为锂电池的最佳工作环境温度一般在20℃~40℃之间，在此范围内接近上限附近达到最佳性能，温度继续升高对放电性能没有明显提升，反而会引起寿命缩短[1,2]；而低温时电池内部锂离子会析出形成锂枝晶，电池损失了锂离子，导致容量损失[3,4]。

1.2 放电倍率对锂电池放电时间的影响

在环境温度相同时，放电电流越大，放电时间越短，这是很直观的。但若将05#锂电池和34#锂电池的放电电流分别对时间进行积分，求出整个放电过程中放出的总电量（NASA锂电池数据集中也包含了每次放电过程中从开始放电到电压降至2.7V过程中所放出的总电量），可知05#锂电池和34#锂电池对应的放电量分别为1.846Ah和1.662Ah。因此隐含在其中的关系为，放电电流（放电倍率）越大，锂电池可放出的总电量也越小。这是因为当大电流放电时，会导致电极、电解质界面极化，电池内部活性体扩散极化等现象，且高倍率放电会缩短电池的寿命[5]。因此，放电电流翻倍并不简单意味着放电时间变为50%。

1.3 锂电池充放电循环次数对放电时间的影响

图2 锂电池放电容量随充放电循环次数变化趋势

在同样的环境温度和放电倍率下，锂电池充放电循环越多，放电时长越短，意味着电池的容量也越来越少，如图1中48#电池在充放电循环为2和充放电循环为72时的电压变化曲线；图2中的同一锂电池在同样放电条件下的放电容量随充放电循环的变化趋势，表明随着充放电循环的增加，锂电池可放电量减小，随之放电时间也缩短，这是锂电池自然老化导致的，锂电池内部的锂化合物在进行过多次氧化还原反应之后逐渐变质，且伴随多个轻微的不可逆副反应，这些效应逐渐累积，导致容量减小，电池老化[1]。

2飞机锂电池应急供电时间试验设计

近年来，装备试验鉴定体系改革，同时也提出了贴近实战，摸清底数的试验原则，这个原则虽然是针对军用装备的，但也适用民用航空装备的试验设计。基于此原则，针对第一节所分析的影响锂电池放电时间的三个因素，在设计飞机锂电池应急供电时间试验时均需要结合不同飞机系统的实际情况和试验对象的使用需求进行综合考虑。本节就实际试验中可能会遇到的情况进行分析。

2.1 环境温度在应急供电时间试验中的考量

飞机蓄电池在整个生命周期中所能遇到的最低环境温度一般考虑为地面环境温度，因为在空中正常飞行时，虽然巡航高度处外界温度可低至-40℃~-50℃，但在设计时即考虑了这种情况，一般有蓄电池加温措施来保障飞机蓄电池处于合适的环境温度中的，因此对蓄电池而言，最严苛的环境温度，反而是在地面停放阶段时遇到的。我国的地理环境特点是南北纬度跨度非常大，既有炎热的南部海岛气候，同时也有严寒的北方冬季，黑龙江省最北部最低温度可达-50℃以下。因此，飞机在设计时如果需要在类似环境中使用，在试验鉴定阶段是需要进行高寒环境专项试验的。对锂电池而言，温度最严苛的低温环境试验可安排在此阶段进行。事实也是如此，飞机应急供电试验一直是高寒试验的传统项目，这也是因为，不仅锂电池有低温环境性能降低的特性，传统的铅酸电池等其他类型蓄电池均有类似特性。

2.2 锂电池充放电循环次数在试验中的考量

飞机锂电池在正式装机使用后，是需要定期进行充电维护的，在维护时需要对其性能进行评估，确保其容量依然能够满足最低装机要求。因此，在进行应急供电时间考核时，需要综合考虑锂电池当前的健康状态，将当前状态最大可放电量下的试验折算到设计要求的飞机锂电池最低容量状态下试验，具体方法为：假设设计指标要求最低应急供电时间为，则在设计试验时，蓄电池最低持续时间不应小于

（1）

式中：为蓄电池最低持续时间；为指标要求最低应急供电时间；为当前状态最大可放电量；为设计要求的锂电池最低容量。

2.3 放电倍率在应急供电时间试验中考量

如果在地面应急供电试验中，飞机关键负载（应急供电状态仍然需要工作的负载）的工作状态同空中飞行时一致，那么试验执行起来就比较简单，只考虑2.1中的环境温度和和2.2中的蓄电池容量状态差异即可。但实际中，往往有很多负载在地面状态下无法工作或者无法长期工作，如空速管加温等负载，这就导致地面试验时锂电池负载电流比实际中小。这时可考虑两种处理方法，一种简单直接的办法是考虑加模拟负载代替不能工作或者不能长期工作的负载，使负载电流达到真实锂电池应急供电状态下的电流水平，或者在飞机系统允许时，使非关键负载工作，达到与加模拟负载类似的效果。第二种比较复杂，同时也会降低试验结果的置信度，但相较于不考虑放电倍率影响的情况，试验结果的置信度大大提高。

具体方法如下：假设锂电池在真实应急供电状态下的平均电流为，实际实验中能达到的负载电流水平为，，根据1.2所述，假设根据锂电池的试验室测试数据知，电流差异导致锂电池可放电量差异为，结合2.2，则有