引言

 

随着环境及能源问题的日渐突出，新能源飞机的研发和生产日渐趋热。电动飞机与普通的燃油飞机相比，具有低噪音、高效率、节能环保、结构简单、维修便捷等优点。并且它的电推进系统是一种新型的航空动力技术，是电动飞机的核心，决定着飞机的性能和用途。而锂电池组作为电动飞机动力系统的能源供应系统，它的性能直接影响着飞机运行的稳定性、安全性和耐久性。

 

 

 

振动测试是检测设备结构功能以及耐久性能的有效手段，常规动力的飞机，其关键部件在使用前必须经过相应的试验，且具备成熟的检验方法。但飞机动力电池系统尚处于研发阶段，包含了电、热、机械等特性于一身，结构复杂多变，安装部位和实际所处环境各不相同。关于新能源电动汽车动力电池组的振动试验已趋于完善，但是有关新能源电动飞机动力电池组的相关振动试验，还在不断地探索当中，现在还未有完全成熟和一致的振动测试程序和标准。

 

 

 

飞机在现实飞行当中会遇到各种不同的实际情况，进而会诱发和激励机械振动，严重时会破坏动力电池组的寿命和各项性能，导致相应的故障，甚至引发安全事故。由于我国电动飞机刚刚起步，相应的试验方法和标准还比较少，需要尽快建立相对完善的测试与适航的标准，以指导电动飞机的研发。

 

概述

 

“民机发展、适航先行。”适航是民用飞行器安全性能的保障，是民用飞行器迈入海内外航空市场的首要条件。适航标准是国家和企业民用飞机制造以及使用的重要程序，它对于保证民用飞机安全起着非常重要的作用。我们国家通过采用欧美等发达国家的适航管理制度和方法，逐渐制定了适于我们国家民用飞机发展的适航标准和制度。民用航空局通过制定颁布适航标准和规定，对民用飞行器设计、制造和使用进行审定、监督、检查和管理，来确保飞行安全。随着人们对能源问题的认识，以及锂电池技术的成熟和发展，锂电池逐渐被用于电动飞机的电动力系统，并且是电动飞机的最重要部分，其适航性也将成为适航审定的关键。由于电动飞机刚刚兴起的，目前国内还没有相应的动力电池的成熟的适航标准。根据RTCA−DO−311用于可充电锂电池系统最低运行性能标准和飞机的实际工况以及运行条件加以修改，用来适用于电动飞机的动力电池的适航标准。并且根据其要求对锐翔电动飞机的动力电池组进行了整机测试以及实验室测试，验证电池组性能是否符合标准。

 

整机振动测试

 

 

 

一、电池组特性与研究方法

 

 

比起传统的能源供应系统，电动飞机用动力电池组包括以下三个方面的优点：（1）电池的电力性能水平高。体现在电压高、电量大、充放电流大，工作负荷功率大，安全性能高等方面。（2）电池组系统结构复杂。电芯拼成电池模块，再拼成电池组，再加装电源管理模块及结构零件，构成一个复杂系统。（3）工作条件复杂。飞机飞行的实际工况复杂且多变，电池组长期工作在复杂的电场、磁场、温度场及力场联合作用的环境中。

 

 

 

飞机在运行过程中会受到各种动载荷及振动、噪声等激励作用，这些振动同样构成了电池组的振动源。引起振动的因素主要包括：（1）飞机本身动力系统产生的振动。（2）机场跑道对机身激励所产生的振动。（3）飞机飞行中气流扰动、非平稳气动作用、附面层紊流压力脉动或急剧激动飞行产生的各种动载荷。（4）飞机着陆、滑行、刹车等地面操纵产生的冲击及压力波作用。（5）外来物撞击和跌落产生的撞击载荷等。

 

 

 

研究振动的基本方法包括理论分析法、实验研究法和理论分析与试验相结合的方法。理论分析通过把研究对象以及外界对它的作用简化为一个既简单又能在动态特性方面与原来研究对象等效的力学模型和运动方程，求解方程得到响应规律，进行研究分析。实验研究通常是直接测量振动系统的振动响应，然后通过分析来认识振动特点，再采用已知的振源去激振研究对象，测取振动响应，来认识系统特点。采用的是理论与实验相结合的方法，首先通过实验测得工况的振级响应，结合理论数据和测试要求，再对研究对象进行实验测试，得出实验结果。

 

 

 

二、测试方案与测试系统

 

 

 

试验以锐翔双座电动飞机的2块动力电池为研究对象，在飞机运行的六种工况下对其电池的典型部位进行振动测试和数据采集。六种工况包括：（1）地面静止时发动机最大状态；（2）地面滑跑空速40km∕h（逆风）；（3）地面滑跑空速40km∕h（顺风）；（4）地面滑跑空速60km∕h（逆风）；（5）地面滑跑空速60km∕h（顺风）；（6）空中飞行。每个测试点同时测量X，Y，Z轴三个方向的振动加速度，三个轴的方向，如图1所示。采用时域分析、频域分析联合的方式，对此双座电动飞机电池振动信号进行多角度、全方面分析，完成测试规定的主要内容。

 

 

 

图1 振动加速度传感器布置位置

 

 

测试系统框图，如图2所示。系统主要由三向ICP加速度传感器、便携式数据采集仪LMS SCADAS Mobile SCR202、移动工作站M4600等设备组成。测试仪器设备的简介，如表1所示。试验时，2个加速度传感器分别固定在2块电池上，振动信号采样频率设为4096Hz。

 

 

 

图2 电池振动信号测试系统图

 

 

 

表1 测试设备简介

 

 

 

三、测试结果及分析

 

 

 

首先进行时域分析，通过实际测量，得到各测点的时域波形图和加速度总振级图，一般从时域信号中可以得到振动加速度在时间上的分布，从加速度总振级图中可以度量出振动强弱程度。随机振动的强弱通常用加速度的均方值根值Grms表示。其中：

 

 

 

 

 

式中：E[ÿ2]—加速度的均方值；T—一个周期的时间；ÿ2(t)—加速度−时间函数；p(ÿ2)—概率密度函数。

 

 

 

对两电池组各工况各方向时域信号加速度的峰值、均方值根的峰值统计分析得出电池所处振动环境可能出现的最恶劣情形。整个测试过程中时域信号最大值出现在“2号电池工况⑥、X轴向（即2号电池在工况⑥空中飞行情况下，X轴方向上的测量值）”数值中，为3.38g，如图3所示。均方根值最大值出现在“1号电池工况①、Z轴向（1号电池在工况①地面静止时发动机最大状态下，Z轴方向上的测量值）”数值中，为1.46g，如图4所示。

 

 

 

图3 2号电池工况⑥、X轴向时域波形

 

 

 

图4 1号电池工况①、Z轴向振动加速度总振级

 

 

频域分析，对于随机过程在频率域内的描述，主要是应用功率谱密度函数来表征随机振动过程在各频率成分上的统计特性。自功率谱密度函数可由自相关函数作傅里叶变换得到：

 

 

 

 

我们把在整个频率域范围内定义的Sx( f)叫作双边功率谱。但实际应用中，−f不可能出现，只有正值的频率才是有意义的，为此，将只在非负频率范围内定义的功率谱称为单边功率谱，记作Gx( f)。单边谱和双边谱的关系为：Gx( f)=2Sx( f)。功率谱密度是用来衡量随机振动强弱的物理量，它可以用来判断振动量均方值的大小，分析随机振动含有哪些频率的简谐分量，确定各简谐分量均方值以及所占总量的比例。

 

 

 

由各工况下电池振动加速度PSD（功率谱密度）图观察得出：总的趋势是频率越高，功率谱密度值越小；电池振动的能量和功率谱密度较大值主要集中分布在（0～500）Hz 范围内，而（500～1000）Hz范围内的功率谱密度值要比（0～500）Hz范围内的值小；PSD值在各工况下X轴方向上的最大值为19.0e−3g2∕Hz，出现在1号电池在工况：①地面静止时发动机最大状态下，如图5所示；在各工况下Y轴方向上的最大值为83.8e−3g2∕Hz，出现在1号电池在工况①地面静止时发动机最大状态下，如图5所示。在各工况下Z轴方向上的最大值为19.6e−3g2∕Hz，出现在2号电池在工况⑥空中飞行情况下，如图6所示。

 

 

 

图5 工况①、1号电池振动加速度PSD图

 

 

图6 工况⑥、2号电池振动加速度PSD图