讨论大型飞机电力系统的测量和控制技术要求
Lee Kaisheng
（航空业航空航空系统有限公司，北京100028）
摘要：引入了大型飞机电力系统的结构，与其他飞机系统的关系以及电源系统的关键技术。以波音787多电飞机电力系统为例，讨论了电源系统的体系结构和特征。测量和控制技术是现代飞机的关键技术之一，对于飞机的成功非常重要。初步讨论了大型飞机的电力系统测量和控制技术的需求，并引入了美国混合动力和电动飞机电力系统中NASA的测试示例。它在我国大型飞机电力系统测量和控制技术的发展中起着指导作用。
关键字：大型飞机；电力系统；测量和控制技术；电飞机
中国分类编号：V242; TP37文档识别代码：文章编号：1000-8829（2021）05-0001-06
doi：10.19708/j.ckjs.2021.05.001
随着我国家的“皮带和道路”战略的实施，对大型飞机技术的研究变得越来越重要。在大型飞机中，随着多电飞机技术和电动推进技术的开发，电力系统已成为未来大型飞机开发的关键系统。同时，电动推进技术和新的电池储能技术的开发使电飞机成为可能。因此，大型飞机电力系统的研究是当务之急。
大型飞机的电力系统的开发是一项全新的技术。它改变了传统的飞机设计概念，是大型飞机开发的革命。由于电能已成为飞机上重要的能源机构，因此它已大大提高了飞机的可靠性和可维护性，飞机电力系统的测量和控制技术也已成为未来飞机开发的重点。下面我们将对大型飞机的电力系统以及测量和控制技术需求进行一些初步研究，以加速我国大型飞机技术的快速发展。
大型飞机电力系统和相关系统的关系和顶级要求
电力系统承担了发电，发电，电力传输，电力转换和飞机上的电气操作的功能。它与飞机的机身结构，航空电子系统，环境控制系统等密切相关。与此同时，它与飞行员和机组人员，飞行器和地面支撑密切相关。只有深入了解顶级需求，我们才能阐明大型飞机电力系统的未来测量和控制技术需求的正确方向。我们不会测试测试，而是根据飞机电力系统的需求进行飞机测量和控制技术研究。
飞机上大型飞机和其他系统的电力系统的赌注如图1所示。
目前，大型飞机提出了针对电源系统的新功能要求。为了提高效率，通常需要电力系统是可变的频率交流电源系统。同时，发电系统具有启动和发电的双重功能，可以自动管理飞机。随着电力电子技术的快速发展，尽可能多地使用固态分销技术来实现系统容错，重建和管理，以及系统高功率重量比和低功耗。
在大型飞机中，提出了三个要求对电力系统的安全性提出的要求：①在所有阶段，所有电力系统故障的可能性应小于每飞行小时1e-9； ②所有四个电力系统故障的可能性应小于每次飞行小时1E-8； ③所有电力系统故障的可能性应小于每次飞行小时1E-3。因此，可以看出，大型飞机对电力系统提出了更严格的安全要求。
两架大型飞机的电源系统的功能架构和参考范式
大型飞机电源系统的功能架构如图2所示。它是一个独立的电力系统，也称为独立的电力网络，它具有独立的电网的所有特性。同时，与地面独立电网相比，它更加复杂，更困难。这是因为飞机独立电源网络中使用的电气设备都安排在飞机的主体中。电气设备，复杂的结构，小尺寸，高效率和高功率密度有许多类型。此外，大型飞机电源系统对电网的稳定性，电磁兼容性和噪声提出了严格的要求。一般而言，它由以下部分组成：有效的启动/发电系统，主要分配系统，有效的电力转换和次要配电系统，以及电力消耗设备以及有效的能源存储系统。
在下面，以多电动波音787飞机为参考范式作为详细分析其功能架构的示例。
波音787飞机电源系统采用4组250 kVA主变量频率AC启动/发电系统配置，辅助发电系统采用2套225 KVA AC AC启动/发电系统配置。紧急发电系统是50 kVA交替的发电系统配置，总发电能力为1500 kVA。它是一个真正的空中发电站，也是一架真正的多电飞机。
图1大型飞机电力系统和其他系统的利益相关者图
图2大型飞机电力系统的功能架构
主频转电机交流电源系统采用超过四度，进一步提高了飞机的安全性。使用230 V主变量AC电源大大降低了飞机电网的质量，并取消了飞机发动机气体诱导的和燃气轮机启动器。采用了高级技术，例如电动启动，电动操作，电动环境控制，电气防冰和电动制动器。采用了电力电子技术和各种先进的转型技术，使飞机朝着更聪明的方向发展。
主分配系统采用±270 V直流电源分布，从而使飞机网格更加简化；该配电系统使用大量的固态设备，使飞机配电系统更快，更智能且更可靠，并且该系统的容错和重建功能得到了进一步增强。同时，已经使用大量电子断路器来改善飞机系统的性能。使用自动负载管理的新技术，使用电力更合理。高效的能源电池首次使用锂离子电池，这进一步增加了飞机的储能密度。充电和排放采用智能反控制技术，这使电池充电和排放更合理，飞机的电池寿命进一步扩展。
三架大型飞机的电力系统的关键技术
（1）高功率高速油冷的起始/发电设计技术。
由于航空启动器/发电机的设计需要尺寸较小，重量轻和可靠的工作，因此电机设计必须考虑发动机的启动特性和发电特性。因此，启动器/发电机的设计很困难，该技术已成为大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。
（2）用于大型飞机的电源系统的强大设计技术。
由于大型飞机电力系统是独立的电网，因此大量使用电子非线性负载，因此发电系统需要能够承受各种负载的变化。同时，功率电网的谐波和噪声增加给独立电网的稳定操作带来了很大的困难，并且功率系统需要能够承受负载非线性变化的影响。因此，强大的电源系统的设计是大型飞机电源系统的核心和关键技术之一。
（3）大型飞机中电力系统的固态发电技术。
随着大型飞机负载的增加，负载控制和转换需要更快，更高效，更可靠的分配系统。因此，将越来越多的转换组件从原始接触点部分替换为非接触式固态设备。同时，更智能的飞机要求配电系统具有容错和重建功能。因此，固态分销技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。
（4）大型飞机电源系统的电源转换技术。
随着越来越多的电压，DC，AC和各种电压的转换已成为大型飞机电源系统的关键。由于电力电子技术的快速发展，尤其是高温电力电子技术的快速发展，因此大型飞机的功率转换量更小，更有效，尤其是碳化硅电源电子设备的应用，这导致了整个电力电子系统的革命。因此，高温电力电子技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。
（5）大型飞机电源系统的储能技术。
随着大型飞机电力系统消耗越来越多的电力，能源存储技术已成为大型飞机电力系统的核心。使用高能量密度和短充电和排放时间的电池是飞机电力系统的最佳选择。将来，随着电气推进技术的发展，电池将成为飞机的主要驱动力，人们将真正进入电动飞机的绿色航空时代。因此，锂离子电池的应用以及快速充电技术是大型飞机电力系统的核心和关键技术之一。
四个大型飞机电源系统的测量和控制技术
对利益相关者的大型飞机，参考范例和大型飞机的关键技术进行了初步讨论。更重要的是，将对大型飞机的测量和控制技术需求进行分析和讨论，以促进飞机电力系统的未来开发。
随着飞机多电动，全电动和电气化的发展，大型飞机电力系统技术变得越来越重要。未来大型飞机的电气化是开发趋势，因此飞机电力系统将成为未来飞机开发的首要任务，而飞机电力系统的测量和控制技术也将成为未来飞机开发的重点。大型飞机电力系统开发的核心是专注于高功率电机，电力系统转换和控制和电池电池（即通常称为三电动电源），这比电动汽车或其他电动汽车的电动系统开发更加困难，复杂，因为飞机电力系统进入高海拔高度，因此它们必须在高度高的环境下进行高度高度的环境。因此，在地面温度环境，高海拔，振动和其他条件下测试和控制大型飞机电力系统更加紧迫。以下是分析性的，并从三个电力的角度讨论了大型飞机的测量和控制需求。
4.1高功率起动器/发电机测量和控制要求以及核心技术简介
当飞机启动时，大型飞机起步/发电机实际上是电动机，并且是正常工作时的发电机。将来，大型飞机实现了混合和电动推进系统，电动机是飞机发动机或发动机的一部分。因此，电动机测试技术是飞机的核心和关键，其测量和控制需求与大型飞机开发的成功或故障有关。对要求的初步审查如下。
（1）高功率电机测量和控制要求：①测试运动效率； ②测试电动机输出扭矩； ③电机和核心组件的测试和温度监测； ④运动与重量比的测试和分析； ⑤电动机输入电压测试； ⑥电机输入电流测试； ⑦电动机输出功率测试； ⑧测试电动机输出速度； ⑨测试运动健康状况分析和监测。
（2）高功率发电机的测量和控制要求：①发电机效率测试； ②发电机输出电压测试； ③发电机输出电流的测试； ④发电机速度测试； ⑤发电机输出功率的测试； ⑥发电机和核心组件的测试和温度监测； ⑦测试和分析发电机的功率重量比； ⑧发电机输入电压谐波含量的测试； ⑨测试发电机健康状况分析和监测。
在对多电和全电动飞机的测量和控制中，核心测量和控制技术是测试发动机的实际扭矩曲线。然后，电动机的控制和启动曲线必须与发动机扭矩曲线匹配。是否可以准确测量两者的扭矩曲线，然后电动机模拟发动机的启动特性是多电和全电动飞机功率系统成功的关键。在电动飞机中，以螺旋桨飞机为例，有必要准确测量飞机螺旋桨的扭矩曲线和特性，然后电动机的扭矩曲线必须与螺旋桨的扭矩曲线匹配，这是电动飞机成功的关键。此处未详细描述混合飞机测量和控制的核心技术。它是上述两种测量和控制技术的集合。
4.2测量和控制要求以及功率转换和分配控制系统的一些核心技术
大型飞机的电源转换和分配控制系统实际上是飞机的电源系统控制中心。对于混合动力和电动飞机，它是飞机能量控制的中心，控制整个飞机的推进能力，并且是混合动力和电动飞机的核心和关键。对其测量和控制需求的审查与混合和电动飞机开发的成功或失败有关。
初步排序的系统要求如下：①测试和控制大型飞机电源系统的谐波； ②大型飞机电力系统的电磁兼容性测试和控制； ③测试大型飞机电源系统的稳定性； ④测试大型飞机电源系统的动态电压，当前和恢复时间； ⑤对电源转换和分配系统以及关键组件的温度进行测试和监视； ⑥测试功率转换和分配系统效率； ⑦测试功率转换和分配系统； ⑧测试功率转换和分配系统逻辑功能； ⑨测试输入和输出电压以及电源转换和分配系统的电流； ⑩测试功率转换和分配系统随外部环境变化的测试。
对于功率转换和分配系统，效率转换部分的效率测量和控制非常复杂。它与功率转换部分的热设计，冷却方法和结构设计密切相关。转换器温度的测量和控制与功率转换系统的可靠性有关，测试点的选择非常重要，这与测试的准确性和信誉有关。
功率密度的测试是功率转换系统的重要指标。像电力系统的效率测试一样，它与电源转换系统的结构设计，热设计和冷却方法密切相关。功率密度决定了电源转换系统的水平，尤其是使用宽带隙设备，从而大大提高了电源转换部分的效率和功率密度。
分配控制系统的测试主要涉及固态功率设备和控制逻辑。飞机电力系统的电磁兼容性性能有许多国际标准和规格。这部分是电力系统控制的中心。测试方法和测试点的选择非常关键，通常是测试准确性和信誉的关键。必须通过理论计算和实际测试来确定它。
4.3电池的测量和控制要求简介以及核心测量和控制技术
大型飞机的电池是多电飞机飞机的紧急能源。对于混合动力和电动飞机，电池是飞机的主要能源。它存储的能源决定了混合动力和电飞机的范围。它的能量密度是电池的关键指标之一，也是大型飞机电源系统的核心和关键。电池状态和测试需求的审查与大型飞机的飞行安全有关。
初步要求如下：①测试电池电量电压的充电和排放电压； ②测试电池电池的充电和排放电流； ③测试电池电池的充电和排放能力； ④对电池的充电温度进行测试和监测； ⑤测试和监视电池的最大能量密度； ⑥测试和分析和监测电池的健康状况； ⑦测试功率转换和分配系统外部温度变化对电池充电和排放的影响； ⑧测试电池电池各个单元之间的当前平衡； ⑨对电池的外部短路测试和监视。
对于电池系统，充电和排放管理，测量和控制是其核心关键技术。如果充电和放电管理的控制精度很差，则很容易引起电池系统的异常充电和放电，甚至损坏电池系统。如果充电和排放管理高并且充电器具有完整的功能，则可以极大地延长电池寿命，从而大大延长飞机的寿命。因此，准确测量和控制电池非常重要。
充电电池时，必须监控和测试电池六个保护功能：过度充电保护，过度发电保护，短语保护，过电流保护，过电压保护和电池反向保护。
（1）过度收费保护。
当充电器过度充电电池时，需要终止充电状态，以防止内部电压由于温度升高而导致上升。为此，充电器必须具有电池数据采集的功能，以监视电池电压。当它达到电池的过度充电电压时，激活了过冲的保护功能并终止充电过程。
（2）过度保管保护。
飞机上的电池系统应具有电池管理功能，该功能应具有过度放电的保护和其他功能，因为电池测量和控制数据非常重要。为了防止电池输入过度电荷状态，当电池电池低于其过度电压电压检测点时，激活了过度放电保护，电池系统被终止，并且电池系统保持在低静脉电流备用模式下。
（3）过电流和短路保护。
当电池系统检测到排放电流太大或发生短路时，激活过电流和短路保护以停止电池的排放，并同时警告，找到过电流和短路的原因，然后再次工作。
电池管理系统和充电系统是电池系统的重要组成部分，电池测量和控制技术是其中的重要组成部分。良好的电池管理系统可以监视每个电池的健康状况，阻止受损的电池及时工作，并断开电池的连接，而不会影响系统的正常操作。这要求电池系统具有数据采集（电荷和放电电压以及电池电池的电流，电荷和放电电压以及电池组和系统的电流等），热管理，安全管理，电池电池组和电池状态计算，系统能量管理和数据通信之间的平衡控制。该系统还应包括用于电池充电和放电的准确处理算法，该算法可以自动处理电池充电和放电以及电池加热。因此，电池的管理是未来电动飞机的关键技术之一，其测量和控制技术是电动飞机成功的关键，它需要大量的努力来研究和解决它。
五个大型飞机电源系统的测试和测试设备的示例
大型飞机电源系统的测试非常重要，但在我国并未系统地进行。我的国家没有用于大型飞机的完整电力系统测试实验室。许多测试在地面和飞机的空气测试中都完成，这大大增加了飞机的交付周期和风险。此外，测试通常不足，飞机会进行问题，并且经常发生质量问题。因此，我的国家迫切需要建立大型飞机电源测试和测试物理实验室，以满足飞机开发的需求。以下是对波音多电机787飞机，混合动力和电动飞机的电源系统的测试，以介绍大型飞机的电力系统的测试。
5.1波音787飞机测试装置
大型飞机电源系统的测试和测试非常关键。波音787大型多电飞机在美国的电源系统测试非常复杂，并且是波音787飞机成功的关键。它始于对飞机的仿真测试，以对整个飞机进行物理测试。它将飞机折叠成物理设计，并设计一个物理实验室进行验证，以确保波音787飞机的成功。波音787飞机电力系统测试实验室如图3所示。
大型飞机的电力系统非常复杂，系统的稳健性和稳定性与发电系统的稳定剩余设计，电源转换和配电系统的设计，飞机电缆的合理布局以及电力设备的特性密切相关。它的测试和控制非常复杂。
图3波音787飞机电力系统测试实验室
5.2混合和电动飞机测试设备的功能描述
关于混合动力和电动飞机的测试技术研究是飞机技术开发的重要组成部分，全世界的国家正在对电动飞机和混合飞机的测试技术进行创新研究。许多基于世界上燃气轮机发动机的飞机电源推进系统测试设施，燃气轮机混合动力系统测试设施也在不断改善，但是对电动飞机电力推进系统技术技术技术的研究才刚刚开始。目前，正在进行各种飞机电力推进系统的建筑研究，以进行未来的航空运输。但是，在对这些新建筑的研究应用于飞机测试飞行之前，必须在地面上进行各种大规模和高功率严格的测试和测试，以消除飞机的安全问题。
飞机电动推进系统必须具有小尺寸，轻度和高功率密度的特征，并且必须满足诸如高压，高功率和高海拔等严酷环境的要求，然后才能在飞机上使用它们，这些飞机从未遇到过电动汽车和其他运输方式。热管理，容忍故障控制，电磁干扰和谐波抑制，系统稳定性和剩余控制都是电力系统为飞机设计带来的新问题，并且必须进行足够详细的科学研究。
5.3实际混合动力和电动飞机电源系统测试设备
为了填补实验室和飞机实际飞行之间的测试验证差距，NASA建立了一个测试设施 - “ NASA Electric Aircraft测试台（NYEAT）”，以实现未来的全尺寸和实际飞行权重功率单位，以完成机能的技术成熟度6测试，为飞机的实际飞行做准备，为电动飞机的实际飞行做准备。
Neat是一个完整的电气推进系统测试工作台，测试功率水平高达24兆瓦，母线电压高达4500V。整洁位于美国NASA绿色研究中心的Plumb Brook Test Station，此前是美国超音速风隧道和核热火箭测试设施的前测试中心。
翻新后，NASA在2017年9月在该设施进行了首次低功能测试，使用一对现成的电动机模拟GE CF34 Turbofan发动机。 Neat现在配备了波音737大型电推进动力装置来测试Starc-ABL（带有后边界层推进的单渠道涡轮推进飞机）。这架飞机是NASA的概念飞机，用于未来混合动力飞机。
Starc-Abl电动推进系统的测试始于2017年9月，测试电力为0.5兆瓦，到2018年增加到2.6兆瓦，并遵循了其他功率配置的试验。 NASA Green Center的混合电动推进技术总监Roger Dyson说：“从长远来看，我们计划在不同的电气化阶段测试150个座位的单门客运飞机的电气推进系统。”
NASA选择了Plum Brook作为整洁的位置，因为它以前是火箭测试设施和Mach 7风隧道，其设施可支持高功率常规和超导推进系统测试所需的功率和低温冷却。
NASA在设施进行翻新后进行了适度的初始测试，即由NASA和COOLING开发的125 kW电动机和控制软件，以及用于安装整洁设备的其他测试。该测试还提供了有关系统电磁干扰的数据，以支持X-57“ Maxwell”分布式电动推进验证机的开发。 X-57的功率为200 kW，类似于整洁的初始测试。该飞机于2018年进行了测试。
如图4所示，NASA目前在设施中安装了737机身和截止机翼，以为全尺寸的单渠道电动推进系统提供物理布线和布线长度。对于Starc-Abl配置，涡轮扇形的发电机在尾部驱动管风扇，它们之间的距离将达到9.75 m，并且从机翼根到尾推进器的长度为21.03 m。
对于Starc-Abl测试，将尾部高度限制在6.10 m以内，将飞机测试高度提高到15240 m，然后测试全功率电动机和转换器。因为在此高度上，高压弧对运动性能产生了很大的影响。整洁，旨在测试737尺寸狭窄车身喷气机的电推进系统设备，将在2024年后扩大范围，以测试更宽的电动推进飞机。
图4NASA在整洁的
全尺寸电源系统测试
图5显示了可以测试不同电推进系统（包括分布式电推进系统）的整洁的配置
图5 -NEAT可以测试不同电推进系统（包括分布式电推进系统）的配置。
整洁的测试长凳于2017年8月安装。测试始于混合电动机车辆中的架子产品牵引电机。帕克生产的125 kW永久磁铁电机是最轻，最小的。电动机安装在轴对连接中以推动负载。共同模拟发电机和运动推进管风扇。
In STARC-ABL, the duct fan at the tail of the aircraft can absorb the slowly moving boundary layer of the fuselage, injecting energy into the wake, thereby reducing drag. This also reduces the power of the turbofan engine required for aircraft cruising, and also reduces the quality and fuel consumption of the aircraft. NASA's design research shows that despite the addition of electrical components, fans and ducts (this part contributes 20% to fuel savings), electric propulsion systems can still save 7% to 12% of fuel consumption.
In the NEAT test bench, each turbofan is simulated by a pair of motors that must match the speed, torque and inertia curves of the gas turbine engine. The tail thruster is also simulated by paired motors that must simulate the propulsion of ducted fans of different heights.
The test first provided 0.5 MW of power to the duct fans by eight 250 kW motors, but by late 2018, when the high-power motors developed for NASA arrived, the test bench produced 1.4 MW of power to drive the tail thruster to reach its full load 2.6 MW power level.
NASA is funding five different project teams to develop 1 MW motors that are highly efficient, high power-to-weight ratio and light weight in the aviation sector. "The motors they developed have different architectures, but preliminary demonstration trials showed that they had an efficiency of nearly 99% and a work-to-weight ratio of 13 kW/kg, and that by 2018 there will be a motor that meets the specifications." High-power superconducting motors and power electronic converters will be put into use around 2019.
STARC-ABL is a series hybrid propulsion system from engine to generator, motor to fan. Next, NASA plans to test the Boeing SUGAR Volt's parallel hybrid propulsion system architecture in NEAT. This architecture uses an electric motor mounted on the turbofan engine shaft, increasing the thrust of the aircraft during the take-off and climb phases by using a battery. NEAT can test the ECO-150 distributed turbine electric propulsion system, which uses turbine generators mounted on the wings to propel the ducted fan array embedded in the wings to achieve aircraft flight.
Six Outlooks
In the future, as the aviation industry has an increasingly greater impact on the environment, reducing carbon emissions will be the focus of the development of the aviation industry. Aircraft power systems and their measurement and control technologies should vigorously carry out emission reduction work for large aircraft around the general requirements of international civil aircraft emission reduction. Large multi-electric, all-electric and electric aircraft are the important guarantees for achieving this goal. From the future development direction of aircraft, it can be seen that the position of aircraft's power system in aircraft is becoming increasingly important, and it determines the future development of large aircraft. In the future, the power system of aircraft will have advanced architecture, higher voltage levels, more intelligent and integrated, power electronics can withstand higher temperatures, and power batteries will have higher energy density, so as to meet the requirements of aircraft to reduce emissions. At the same time, the aviation industry will inevitably put forward higher requirements for the measurement and control system of aircraft power systems in the future, so it will take more energy to study the measurement and control technology of the power system.
If you want to occupy the commanding heights of world aviation technology, aviation companies must concentrate on studying aircraft power system technology and measurement and control technology. Only in this way can they catch up with the development of the world's aviation industry. To make an aircraft a boutique, the aircraft's power system and its testing technology are its core and key. I believe that this article will make more people pay attention to the development of multi-electric, all-electric and electric aircraft, and pay more attention to the aircraft's power system and testing technology, so that aircraft power can enter people's lives, and large aircraft can truly use robust power systems, so that large green and pollution-free electric aircraft can truly fly higher and farther, and also enable enterprises to enter the world's strongest aviation industry as soon as possible.
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