1、第 8 章 航空电瓶电瓶是一种化学电源，可实现化学能与电能的相互转换。放电时，将化学能转化为电能向用电设备供电；充电时，又将电能转化为化学能储存起来，因此又称电瓶，可反复使用。航空电瓶在飞机上作为应急电源，当飞行过程中主电源和其他辅助电源失效以后，向飞机重要设备和仪表供电，维持飞机飞行至就近机场着陆。适航规定，在应急情况下，电瓶至少能维持半小时供电（ETOP 维持飞行时间为 1 小时）。飞机在地面进行通电检查时有时也用到电瓶。8.1 航空电瓶的分类和主要功能按电解液的性质区分，航空电瓶包括酸性电瓶和碱性电瓶两种。铅酸电瓶一般在小型飞机上和地面使用，大型飞机的电瓶目前一般采用镍镉碱性电瓶。电瓶的
2、功用主要有：（1）在直流电源系统中，切换大负载时起到维持系统电压稳定的作用；（2）用于启动发动机或 APU；（3）在应急情况下，向重要的飞行仪表和导航等设备供电，保证飞机安全着陆。典型的航空电瓶如下图8.1-1所示。图8.1-1飞机酸性电瓶和碱性电瓶8.2 酸性电瓶1.铅酸电瓶的结构飞机上常用的酸性电瓶为铅酸电瓶。主要部件包括：正负极板、电解液、隔板、电池槽、排气阀等。航空酸性电瓶一般由 12 个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为 2.1V，放电终止电压为 1.7V。单体电池的极板由铅-锑合金栅架组成，正极板上涂有糊状的二氧化铅（PbO2） ，负极板上涂有金属铅（Pb） 。二氧化铅和铅都
3、是参与化学反应的有效材料，称为活性物质。为充分利用活性物质，极板多为疏松多孔状，以便电解液渗 图 8.2-1 单体电池的结构入。正负极板间的隔板由多孔的高绝缘性能材料制成。电解液为稀硫酸（H2SO4） 。单体电池装在防酸容器中。由于电池充满电时，有气体逸出，所以每个单体电池上方装有排气阀，用于排出气体，但电解液不会因飞机机动飞行而溅出。2.铅酸电瓶的工作原理充满电时，正极为二氧化铅，负极为铅，电解液为1.285的稀硫酸。放电时，正负极板都成为硫酸铅，电解液中一部分生成水，所以比重下降。当充电时，硫酸从极板中析出，与水结合，所以电解液比重升高，而正负极板复原成充好电状态，即二氧化铅和铅。因此，酸
4、性电瓶可以用测量电解液的比重来判别电池的充放电状态。图8.2-2 铅酸蓄电池放电时的化学反应原理图3 充好电的标志有大量气泡析出，液面产生均匀细密的气泡。（如果气泡很大，说明极板质量下降）每单格电压达到 2.5-2.8V比重为 1.285连续充电2小时电压和比重保持稳定不变。4 维护注意事项（1）电瓶应该严格按照生产厂家的使用说明书和维护手册进行。（2）充电间严禁烟火，室内应有良好的通风设备，应采用防爆电气设备。因为酸性电瓶充满电时排出大量氢气。如室内空气中含 4%的氢气时遇到明火将引起爆炸。（3）充电过程中将排气阀打开，检查电解液的液面。一般情况下由于水分蒸发而使液面降低时，可添加蒸馏水调整
5、液面高度，若由于电解液溅出而造成液面降低时，可添加与电解液比重相同的稀硫酸溶液。（4）在充电过程中温度不宜过高，一般要求电瓶温度不超过125。（5）充电结束后测量电解液比重，各单格电瓶比重不同时进行调整。电解液比重调整后再补充充电1-2小时。（6）保持电瓶清洁，防止自放电。每月至少对电瓶补充电一次。8.3 碱性电瓶碱性电瓶与酸性电瓶相比，具有比能大、自放电小、低温性能好、耐过充电和耐过放电能力强、寿命长、内阻小（一般酸性电瓶的内阻为 30 毫欧左右，而碱性电瓶内阻只有10 毫欧左右）、维护性好、贮存期长等优点，尤其是大电流放电时，电压平稳，非常适合于启动发动机等短时大电流放电场合。但碱性电瓶也
6、有缺点，例如成本高、有“记忆”效应等。目前大多数运输机上都采用碱性电瓶，飞机常用的碱性电瓶为镍镉电瓶。8.3.1 碱性电瓶的结构和工作原理镍隔碱性电瓶主要有两种结构形式：一种是阀控式镍隔电瓶，当电瓶过充时的产生氧气和氢气从泄气阀（排气阀）中排出；另一种是密封式镍隔电瓶，目前飞机大多采用阀控式镍隔电瓶，如无特殊说明，本书讨论的电瓶即为阀控式镍隔电瓶。飞机常用的镍镉电瓶由20个或19个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为1.22V。单体电池的基本结构与铅酸电瓶相同，主要由正负极板、电解液、隔膜、泄气阀等组成，现在飞机上的碱性电瓶还有温度控制组件。单体电池的结构如图3.1-1所示。1极板镍镉电瓶
7、正极板为活性物质三价镍的氢氧化物（NiOOH） ，负极板为镉（Cd） 。航空电瓶一般为极板烧结式极板。一个单体电池有多个正负极板组成的极板组构成。2隔膜在正极板和负极板之间有一层隔膜，隔膜由多孔多层的尼龙和中间一层玻璃纸构成。隔膜的主要作用有两个：一是防止正极板和负极板接触，使电瓶失效。二是气体隔离作用（玻璃纸的作用） ，防止在过充时正极板产生的氧气流到负极板与负极的镉起化学反应而产生热量，从而导致电池热击穿。3电解液电解液为氢氧化钾（KOH）水溶液（30%氢氧化钾和 70%的水） ，KOH 的密度为1.241.30g/cm3。在镍镉电瓶中，电解液不起化学反应，只是作为离子的导体来传递离子，因
8、此，在充放电过程中，电解液的比重基本不变，因此不能象酸性电瓶一样用测量比重的办法来判断电瓶的充放电状态。而应用电解液的温度高低与相对应的电压为依据，从而判断充放电程度。4泄气阀每个单体电池上安装有泄气阀也称为释压阀或排气阀。泄气阀有三个作用：（1）拧开时用于加蒸馏水或电解液；（2）防止飞机飞行时电解液泄露；（3）为保护电瓶，防止电瓶内气体压力太大而引起爆炸。电瓶的泄气阀可以使单体电池内的气体排出，又可以防止外界物质进入电池内部。泄气阀开启压力范围为 210PSI（13.869Kpa） 。当气压小于 2PSI 时，泄气阀关闭，防止空气中的酸性气体与电瓶的电解液起反应而降低电瓶容量和飞机不在平飞或
9、颠簸时电解液泄露溅出。当电瓶充放电时，尤其是过充时，会产生气体，当电瓶内部气体压力大于 2 个PSI 时，泄气阀打开。如果泄气阀在压力大于 10PSI 时不能打开，必须对泄气阀进行清洁和修理；如果泄气阀在压力小于 2PSI 时打开，说明泄气阀密封圈已损坏，必须更换。5.温度控制组件由于电瓶的充放电特性都与温度有关，因此，多数电瓶温度控制元件，以防止电瓶在超温或低温时充放电而损坏电瓶，超温时停止给电瓶充电，低温时为电瓶加热，以提高充电效率和放电容量。温度控制主要有两种形式，一种是热敏开关（超温和低温） ，另一种温度传感器。另外，有些电瓶还装有温度保护开关，当电瓶温度超过 130（54.44）时切
10、断电瓶的充电电源。由于碱性电瓶在低温充放电时，会导致充电不足或放电容量下降。某些碱性电池上装有低温敏感开关和加热装置，当温度低于 30（2）时，接通加热电路，当温度达 40（5）时断开。图 8.3-1 镍隔蓄电池放电时的化学反应原理图8.3.2 碱性电瓶充好电的标志：有大量气体放出。每单格电池电压达到 1.5-1.8V，并将保持不变，防止过充电。8.3.3 碱性电瓶的适航要求：（1）电瓶的外观良好。（2）电瓶的有效容量应不低于额定容量的 85%。（3）在飞机上加双倍负载电流，电压不低于 24V。（4）泄气阀压力应在 210psi 之间.8.3.4 密封式镍隔电瓶介绍密封式镍隔电瓶一般为纤维式镍
11、隔电瓶 FNC（Fiber Nickel Nadmium） ，当电瓶过充时的正极产生氧气由负极吸收，或加装 AquaGen 水分重组系统，AquaGen 水份重组系统内含有催化剂，当充电时产生的氧气和氢气与催化剂接触后，形成蒸馏水回流到电极单元。密封式镍隔电瓶具有较高的体积能量比，重量相对轻一点，放电电流大。由于是密封式的，没有气体排出，不需要泄气阀，电解液也不会溢出，不用加蒸馏水，没有记忆效应，不需要进行深度放电，允许在飞机上做容量测试，是一种免维护电瓶，理论上不需要进行离位到电瓶车间维护和检测。8.4 电瓶的常用充电方法当电瓶安装在飞机上时，由飞机电源向电瓶充电或浮充电。飞机电瓶充电器有两
12、个作用：一是充电作用，二是作变压整流器用，为飞机提供直流电源。根据适航要求，飞机电瓶必须定期离位检查，即送内场进行检查、容量测试和充电，确保电瓶的容量符合适航要求。本节重点讨论电瓶在内场的充电方法和要求。电瓶的常用充电方法从充电方式看，有恒压充电、恒压限流充电、恒流充电、二阶段恒流充电、恒压恒流充电、快速充电和浮充电方式等基本充电方式。1恒压充电：恒压充电是指在充电过程中，充电电压恒定不变，同时，充电设备的输出电压应高于电瓶电压。由于充电初期电瓶电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流逐步减小。充电曲线如图 8.4-1 所示。图 8.4-1 恒压充电法曲线恒压充电方式的优点是： 在充电设
13、备能提供足够充电电流的情况下（大于 10C） ，充电速度快。在开始充电的 30分钟内，就可以将完全放电的电瓶充到 90的容量。 充电设备简单。 电解液的水分损失比较小。恒压充电方式的缺点是： 冲击电流大。当电瓶完全放电以后，电压很低，而充电电压保持不变，这时冲击电流很大。 由于各单体电池的内阻、极板、电解液不能完全一样，恒压充电时，每个单体电池分配的电压不相等，容易造成单体电池充电不平衡，有些单体过充，有些单体充不足。 当充电设备的电压设定过高或过低时，容易造成电瓶过充或充电不足。为了防止冲击电流过大，损伤电瓶和充电设备，有些充电设备采用恒压限流的充电方式，即在电瓶开始充电时进行电流限制，当然
14、这种充电方式充电时间相对比较长。在早期飞机上使用酸性电瓶，飞机电瓶直接连接到飞机直流汇流条上进行的充电方式即为恒压充电。现在恒压充电模式主要用于给电瓶浮充电，并向热电瓶汇流条供电。在地面一般都采用二阶段恒流充电。2恒流充电方式（Constant Current Charging）恒流充电是指在充电过程中，电流维持恒定，充电设备的输出电压随电瓶电压的变化而改变。充电曲线如图 8.4-2 所示。图 8.4-2 恒流充电曲线恒流充电方式的优点是： 没有过大的冲击电流。 不会引起单体电池充电不平衡。 容易测量和计算出充入电瓶的电能（Ah） 。恒流充电方式的缺点是：开始充电阶段电流过小，在充电后期充电电
15、流又过大，充电时间长。 过充时析出气体多，对极板冲击大，能耗高，电解液水分损失相对要多。 充电设备比较复杂。采用二阶段恒流充电法可以克服恒流充电时间长的缺点，一般先采用大电流，再用小电流充。这种充电方式有效地克服了恒流充电法充电时间长的缺点，并且减小了充电过程中的水分损失，但充电设备比较复杂。实现恒流充电有两种基本方式，一种是采用模拟控制的方法实现电流恒定，另一种方法是采用脉宽控制方法，即控制导通比。充电电流是间断的，当控制管导通时间上升，截止时间下降时平均充电电流上升，反之平均电流下降。电流波形如下图所 1.3-3 示电流波形如下图所 8.4-3 示It平 均 值图 8.4-3 脉宽控制恒流
16、充电原理3恒流恒压充电方式（Constant Current Constant Potential Charging）当电瓶开始充电时采用恒流充电方式，当电瓶电压达到转折电压后自动转换到恒压充电方式。这种充电方式集中了恒压、恒流充电的优点，克服了恒压、恒流充电的不足，但充电设备比较复杂。现代飞机上安装的充电器大多采用这种方式，如图 8.4-4 所示。当恒电流充电至预定的电压值后，改为恒电压充电，同时充电器作为 TRU 向飞机提供直流电源。因此，这种充电器必须具有良好的电瓶超温保护功能和限流功能。图 8.4-4 恒压恒流充电曲线4快速充电方式(Fast Charging)为了能够最大限度地加快电
17、瓶的化学反应速度，缩短电瓶达到满充状态的时间，一般采用大电流（2C）充电。但是，大电流充电会使电池产生极化现象。极化现象是指电瓶在充（放）电过程中，尤其是大电流充（放）电时，电池的极板电阻增加（欧姆极化） ；另一方面，造成正负极板附近电解液浓度与其他地方不一样（浓差极化） ，从而使电化学反应速度减慢，导致温度上升，并产生大量气体。为了尽量减少电瓶极板的极化现象，提高电瓶使用效率，快速充电方式主要有脉冲式充电法和ReflexTM快速充电法等。（1）脉冲式充电法 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电瓶充电，然后让电瓶停充一段时间，如此循环，如图 8.4-5 所示。充电脉冲使电瓶充满电量，而间歇期使电瓶
18、经化学反应产生的氧气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使电瓶可以吸收更多的电量。间歇脉冲使电瓶有较充分的化学反应时间，减少了析气量，提高了电瓶的充电电流接受率。 图 8.4-5 脉冲式充电曲线在此基础上，为了能更好地克服电池的极化现象，消除碱性电瓶的记忆效应，在脉冲充电过程中还加入放电脉冲，即采用充电放电充电模式。当然是充入的电量多，放出的少。这种方式在航空和地面电瓶充电中得到了广泛应用。但这种方法缺点是容易出现过充或单体电池损坏的后果。（2） Reflex TM快速充电法ReflexTM充电法的一个工作周期包括正向充电
19、脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持 3个阶段，如图 8.4-6 所示， 。有效减小了浓差极化和欧姆极化，大大降低了电瓶的充电的时间，但充电设备比较复杂。图 8.4-6 ReflexTM快速充电法 注意：有些电瓶（尤其是密封式电瓶）不能用 ReflexTM快速充电法充电，在电瓶维护和充电时一定要注意。5浮充电(Float Charging)由于电瓶存在自放电现象，因此为维持电瓶容量不减少，必须对充满的电瓶进行浮充电。在飞机上进行浮充电时，将电瓶连接到比电瓶电压略高的直流电源上。浮充电电流的大小与电瓶的环境温度、清洁程度和容量有关。在 1533范围内，对于碱性电瓶来说，1Ah 需要浮充电电流 3mA
20、 左右（酸性电瓶略高） ，一个 40Ah 的电瓶需浮充电 120 mA 左右。当温度升高时，浮充电流应有所增加。8.5 充电时的注意事项（1） 在电瓶充电之前，应做必要的检查、清洁及电瓶连接条间的力矩检查。（2） 连接充电电缆之前，将电瓶输出端子及单体电池之间的短路夹子拆除（如有） 。充电时，应将电瓶放置于竖立状态。（3） 开始充电之前，检查确认电瓶与充电机连接正确。（4） 避免短路，镍镉电瓶被短路时将产生巨大的能量释放，因此应避免将电瓶短路。在任何情况下，在电瓶上工作时都必须十分小心，不允许将工具或者其它金属物体放置于单体电池之间的连接片上，否则剧烈的火花放电将有可能导致人员伤害及电瓶损坏。
21、因此，维护电瓶所使用的工具都应是绝缘工具。（5） 充电电瓶温度不能过高。（6） 充电结束前 1015 分钟，测量每个单格电池的电压，必须在 1.51.7V（有的厂家规定 1.53V1.75V）具体数值应根据 CMM 手册。（7） 在小电流如果在电解液液面高度符合要求，低于 1.5V 或高于 1.7V 的单体电池必须更换。8.6 电瓶的常用术语（1）电瓶的电压无论是酸性电瓶还是碱性电瓶都是有多个单体电池（cell）串联而成，输出电压为各单体电池之和。铅酸电瓶一般有 12 个单体电池组成铅酸电瓶每个单体电池额定输出电压为 2V，电瓶额定输出电压为 24V；碱性电瓶由 20 个或 19 个单体电池组
22、成，每个单体电池输出电压为 1.2V，电瓶额定输出电压为 24V。铅酸电瓶最低每单体电池电压为 1.75V,电瓶电压为 21V, 镍镉电瓶最低每单体电池 1V,电瓶电压为 20V(或 19V)。（2）电瓶的容量电瓶的容量是指电瓶从充满电状态以一定电流放电到放电终止电压所放出的电量。常用的单位为安培小时，简称安时（A.h）或毫安时（mA.h） 。理论上讲，1 个 100Ah 的电瓶用 100A 放电能放一个小时，50A 可以放电 2 小时，20A 可以放电 5 个小时。实际上，这一结论对于碱性电瓶基本上是正确的（碱性电瓶内阻很小） 。而对于酸性电瓶，大电流放电时由于极板迅速被硫酸铅覆盖，使电瓶内
23、阻增加，电瓶容量迅速下降，这是酸性电瓶的主要缺点之一。为了准确定义酸性电瓶的容量，一般采用 5小时放电准则，即让一个充满电的电瓶用5小时放完。如一个40Ah的电瓶，用8A放电，应能持续5个小时。影响电瓶容量的因素主要有四个方面：a.极板活性物质的多少；b.极板面积的大小；c.电解液；d.放电时的温度；e.充放电速率。随着充放电次数的增加，电瓶容量会逐步下降。（3）放电速率放电速率简称放电率，常用 “C”表示。“C”速率（“C”rate）常用来描述电瓶的充放电速率，主要用来定义放电速率，也可用于充电，单位为安培。充足的电瓶用1小时放完（达到截止电压）的放电速率称为1C，如容量40Ah电瓶的“C”
24、为40A，1/2“C”则为20A，1/5“C”为8A，2“C”为80A。用1/2“C”充电（或放电）说明充电（或放电）电流为20A。（4）深度放电深度放电主要用于碱性电瓶，主要用于消除电瓶固有的记忆效应和电瓶在反复充电后产生的单体电池的电压不平衡（尤其在飞机上采用衡压充电时比较严重） ，恢复电瓶容量。深度放电在电瓶进行离位检查时在内场进行，就是在电瓶放电到终止电压后，继续放电，把所有电都放完，再用短路夹短接单体电池两端。（5）容量测试将飞机上拆下的电瓶先进行放电（初次放电） 、深度放电、再按要求充电，将充满电的电瓶放置12小时后，用电流C或C/2或C/4放电（二次放电、容量检测） ，放到第一个
25、单体电池电压低于1V时停止放电，放电电流乘上放电时间就是该电瓶的有效容量。8.7 电瓶在飞机上的检查检查电瓶箱、电瓶盖、电瓶插座和接头是否有明显的破坏或损坏。检查输出插头连接是否良好。检查电瓶是否存在过热（接触时手感不良）或有过热的迹象。如果存在，将电瓶拆下，并在电瓶车间进行检查。检查泄气阀是否有堵塞、泄漏等损坏情况，如果有则修理或更换泄气阀。检查电瓶箱排气孔是否有堵塞或裂纹，如果有则修理或更换。打开电瓶盖，检查步骤如下：（1）清洁情况：正常情况下，除了一些灰尘和轻微的沉积物（K2CO3）在连接片和电池单格顶部之外，电瓶应保持清洁。可以采用干净的抹布或毛刷去掉这些沉积物，若沉积物过多，则需要将
26、电瓶拆下并清洁。（2）电池单格附件：如果电池单格之间的连接片和接线端腐蚀比较严重，某些附件过热或损坏（如裂纹等），则电瓶需从飞机上拆下，放电之后再更换腐蚀或损坏的附件。如果这些附件保持清洁，则将螺母重新拧到规定的力矩即可。（3）泄气阀：检查泄气阀、O形密封圈是否有堵塞、裂纹或密封不良等问题，清洁这些附件上存在的盐份并檫干。如果损坏，则更换。（4）多余的电解液：如果在电池单格顶部有大量的电解液出现，或者电瓶箱内存在有少量的电解液，则应将电瓶拆下并维修。（5）电解液液面高度：检查每个电池单格的电解液液面，如果液面低于要求的最低高度，则应拆下电瓶并在电瓶修理车间根据要求加注蒸馏水。不允许在飞机上直接
27、加注电解液，因为电瓶的充电状态未知。10电池的使用寿命电瓶的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电瓶可供使用的时间，包括电瓶的存放时间。使用周期是指电瓶可供重复使用的次数。电瓶每经历一次全充电和全放电叫做一个周期或一个循环。若以循环方式考核，铅酸电瓶为300次500次；碱性镍镉电瓶较长，为500次-1000次循环，纤维式镍镉电瓶（FNC）可达3000次。8.8 电瓶在飞机上的安装安装电瓶的电瓶舱必须清洁干燥。当将电瓶安装在飞机上的固定位置时，应仔细检查所有紧固件是否牢固，所有的电气连接是否可靠。电气连接点的接触不良会使电瓶的放电电压降低、造成局部发热从而导致电瓶性能下降。因此，应保证所
28、有的电气连接点清洁并连接正确，以避免接触不良。应定期检查电瓶的快卸式插座，其上是否有烧蚀、电弧、变色、腐蚀等，金属销钉是否有过渡的磨损，非金属部分是否老化等。如果有损坏或白色粉末存在，将插座从电瓶上拆下，使用欧姆表，设置为电阻最小档，测量插座两个销钉之间的电阻，如果有任何偏转，或销钉磨损比较严重，则更换电瓶插座。8.9 应急电池组件应急电池组件独立于飞机电源系统，在飞机电源和主电瓶失效的情况下，可以为机上人员进行紧急撤离提供飞机内部和外部照明，为释放逃生设备提供直流电源，向飞机发动机和APU应急燃油关断活门供电，以切断发动机供油。在一架飞机上，由安装在不同位置的多个应急照明电池组件供电，即使机
29、体断成两段，也能提供应急照明。应急电池的工作原理及维护与主电瓶基本相同。应急电池组件将电池、充电电路、检测电路等组合在一个组件内。只有当主电瓶失效或电压太低时，应急供电电池才有可能提供电源。在正常情况下应急电池组件与飞机电瓶汇流条相连，对应急电池进行充电或浮充电，确保电池在充满状态。应急电池组件作为航线可更换件（LRU），必须定时送内场，对电池和电子线路进行检测和维护。航空电瓶维护实做项目：1 充电间的环境和充电员的要求：2 铅酸蓄电瓶的维护按照工卡施工。3 镍镉碱性电瓶的冲放电检查正确读取电瓶型号例如：察看充电设备说明根据电瓶型号设置充电设备。按照工卡进行充放电。4 航空电瓶测试分析仪使用。认真读说明书按照工卡施工5 碱性电瓶泄气阀压力测试。按照工卡施工6 碱性电瓶拆装。 。根据 AMM 手册了解电瓶的安装结构和施工要求，根据工卡进行施工
