Аккумуляторные батареи для авиационной отрасли

Аккумуляторные батареи широко используются в авиационной отрасли. По назначению они делятся на аэродромные и бортовые АКБ, применяемые на борту летательных аппаратов. Часто они играют роль буферных и аварийных источников питания. От аккумуляторов работают:

проигрывающие устройства для пассажиров;

• медиа-системы, создающие звуковое оформление в салоне самолета;
• другие виды медиа-оборудования;
• системы резервного и аварийного освещения;
• гаджеты, подключаемые к USB/Type-C разъемам на пассажирских сидениях;
• электростартеры и система зажигания при автономном запуске авиационных двигателей;
• жизненно важные приборы в процессе полета, при неисправности генераторов;
• электрооборудование летательных аппаратов на земле – при проведении проверочных и регламентных работ, предварительной и предполетной подготовки;
• тележки, погрузчики и другая техника для перевозки багажа и оборудования.

История развития аккумуляторов, используемых в авиации

На летательных аппаратах применяются кислотные и щелочные аккумуляторы, соединяемые в батареи. Среди кислотных аккумуляторов для авиационной отрасли доминируют свинцово-кислотные модели, а среди щелочных АКБ – серебряно-цинковые и никель-кадмиевые. Ни один из видов ХИТ не соответствует на 100% современным требованиям. В разных условиях один из видов имеет преимущества перед другими, но в последние годы лучшими по большинству параметров остаются Li-ion аккумуляторы.

Свинцово-кислотные АКБ

На летательных аппаратах используют свинцовые АКБ типа:

• 12-А-30, 12-САМ-28, 12-САМ-55, 12-АСАМ-23 (бортовые модели);
• 12-АО-50, 12-АО-52, 12-АСА-140 (аэродромные модели).

Первые цифры в маркировке соответствуют числу последовательно соединенных ячеек в сборке. Буквы расшифровываются так: А – авиационный, дополнительная А – с абсорбированным электролитом, С – стартерный, М – модернизированный, АО – аэродромного обслуживания. Число в конце маркировки соответствует номинальной емкости батареи в А·ч.

Батареи категории САМ рассчитаны на более высокую токоотдачу, чем модели класса А. По номинальной емкости модели категории А обеспечивают 10 часов работы, а батареи типа САМ – 5 часов. Модели категории А рассчитаны на работу на высоте до 15 км, при температуре от -50 до +50 °С. Батареи класса САМ работают на высоте до 17–18 км, а модели категории АСАМ – до 35 км и при любом положении в пространстве.

Ориентировочные характеристики свинцовых АКБ для авиации:

• напряжение 24 В;
• емкость 23, 28, 55 А·ч и др., в зависимости от модели;
• удельная энергия до 36 Вт·ч/кг;
• отдаваемые в нагрузку токи – 800, 750, 1500 А и др., в зависимости от модели;
• для стартерных моделей категории АСАМ – запуск авиационного двигателя за 45 или 25 секунд, 4–5 запусков при 25 °С;
• саморазряд до 30% за месяц;
• коэффициент отдачи по емкости 85–90%;
• масса – порядка 30–60 кг;
• срок службы – у бортовых моделей 1–2 года, у аэродромных – 2 года эксплуатации, 50–100 циклов с сохранением 70–75% емкости, у некоторых моделей до 300 циклов.

Серебряно-цинковые аккумуляторы

Среди щелочных батарей для авиации распространены модели 15СЦС-45Б – самолетные серебряно-цинковые АКБ, состоящие из 15 последовательно соединенных аккумуляторов и имеющие номинальную емкость 45 А·ч при 5-часовом режиме разряда. Их используют в роли аварийных источников питания при автономном запуске авиадвигателей, для питания электрооборудования самолета при отказе стартер-генератора, для обеспечения связи при неработающих двигателях. Как правило, на самолетах устанавливают 2 такие АКБ суммарной емкостью 80–90 А·ч.

Для таких батарей характерны:

• напряжение 22,5 В;
• токоотдача 9 А при 5-часовом режиме разряда;
• удельная энергия 90 Вт·ч/кг, но при низких температурах падает;
• допустимый ток разряда 750 А;
• затраты емкости на 1 запуск двигателя – до 5 А·ч;
• 3 запуска при температуре 20 °С и выше;
• коэффициент отдачи по емкости 95–98%;
• саморазряд до 10% за месяц, но с повышением температуры увеличивается;
• ресурс 18 месяцев, 50–300 циклов;
• работоспособность при температуре от -50 до +50 °С, на высоте до 25 км;
• масса около 17,5 кг;
• высокая цена;
• при перезарядах – рост дендритов цинка, провоцирующих КЗ между электродами и выход АКБ из строя.

Никель-кадмиевые АКБ

Аккумуляторные батареи для авиационной отрасли имеют маркировку 20НКБН-25, 20НКБН-40. Число вначале указывает на то, сколько ячеек последовательно соединено в никель-кадмиевой безламельной намазной АКБ, а в конце значится ее номинальная емкость в А·ч. Такие батареи производятся в стальном корпусе, а ячейки изолируются друг от друга пленкой из винипласта.

Основные характеристики Ni-Cd аккумуляторов, применяемых в авиации, таковы:

• напряжение 1,36 В;
• внутреннее сопротивление – примерно как у свинцовых АКБ той же емкости;
• допустимость больших стартерных токов;
• высокая надежность;
• простота в эксплуатации;
• большой срок службы;
• коэффициент отдачи по емкости – 67%, по энергии – 50%;
• удельная энергия – до 38 Вт·ч /кг;
• саморазряд – до 20% за месяц;
• ресурс – 150–400 циклов у безламельных моделей и до 1000 циклов у ламельных;
• при глубоких разрядах (ниже 1 В) – разрушение пластин, снижение емкости.

Нынешние требования к АКБ в авиации

Ученые России и других стран непрерывно работают над созданием новых перспективных аккумуляторов и улучшению характеристик существующих ХИТ. В основном исследования касаются литиевых АКБ разных подвидов. Многие виды литий-ионных батарей (LiMn2O4, LiNiCo, LiNMC, Li-Pol, LiFePO4) уже широко используются в авиации и других отраслях промышленности.

Новые разработки, такие как литий-воздушные (Li-O2) и литий-серные (Li-S) АКБ, подлежат завершающим лабораторным исследованиям и опытному производству. Также разрабатываются другие перспективные технологии: воздушно-цинковые (Zinc-Air, уже доступные потребителям, используемые в миниатюрных устройствах малой мощности), фторид-ионные (F-Ion), магниево-серные (Mg-S), натрий-ионные (Na-Ion).

От современных АКБ требуется:

• долгий срок службы;
• компактность;
• легкий вес;
• эффективная система предохранителей и защиты;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• непроливаемость электролита;
• высокая удельная энергоемкость;
• способность работать при низких и/или высоких температурах, в широком диапазоне, без значительного снижения характеристик;
• ограничение мощности аккумуляторных батарей до 120 Вт·ч;
• быстрое восполнение заряда;
• экологическая безопасность.

Преимущества литий-ионных АКБ

Li-ion батареи обладают высокой удельной энергоемкостью (до 270 Вт·ч/кг). Они безопасны в использовании – при установке дополнительной системы защиты от перезаряда/переразряда и изоляции аккумуляторной батареи от внешней среды. К тому же, у них высокие нагрузочные характеристики, невыраженный «эффект памяти», высокое напряжение (у большинства подвидов – 3,6 В на элемент).

Они обеспечивают стабильную токоотдачу и относительно быстро заряжаются, выдерживают более 1000 рабочих циклов и имеют малый саморазряд. С точки зрения экологической безопасности литий-ионные АКБ более предпочтительны, чем модели на основе свинца или кадмия. Преимущественно Li-ion аккумуляторы в авиационной сфере используют на беспилотных летательных аппаратах в качестве основных и аварийных источников питания.

Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec.ru об аккумуляторах для медицинского оборудования