Khi một máy bay loại hình vận tải ở độ cao mất cả hai máy phát do động cơ dẫn động, tổ bay không đơn giản «chuyển sang pin». Hệ thống điện khẩn cấp trên máy bay là một hệ thống được phân tầng cố ý, được xây dựng từ nhiều nguồn lần lượt hoạt động theo một trình tự xác định và cấp điện cho một tập hợp các thanh cái thiết yếu được thu gọn cố ý; pin chỉ là một mắt xích trong chuỗi đó. Hiểu pin nằm ở đâu – nó phải cấp điện cho cái gì, trong bao lâu và theo cấu hình dòng điện nào – chính là điều phân biệt một bộ pin được chứng nhận và hữu ích với một cell danh mục đơn thuần trong vỏ hàng không. Paper A này, phần trình bày cấu hình vận hành và nguyên lý trong loạt bài về điện khẩn cấp máy bay, lần theo kiến trúc từ các máy phát chính cho đến các nguồn pin khẩn cấp chuyên dụng (Emergency Battery Power Supplies, EBPS) giữ cho hệ thống chiếu sáng cabin và lối thoát cùng các thiết bị quan trọng tiếp tục hoạt động, sau đó vẽ lại cấu hình tải mà hóa chất thực sự phải gánh chịu. Bài viết dựa trên khung chứng nhận quy định các hệ thống sạc lại được lắp đặt cố định – RTCA DO-311 và DO-311A, FAA TSO-C179 và hướng dẫn lắp đặt AC 20-184A – cũng như các tiêu chuẩn riêng dùng cho việc cấp điện chiếu sáng khẩn cấp, và dựa trên một ví dụ cụ thể, đã được chứng nhận: các nguồn pin khẩn cấp bằng niken-kim loại hydru (NiMH) ngày nay thay thế trực tiếp các bộ niken-cadmi (NiCad) cũ trên máy bay thương mại và máy bay thương nhân. Paper B và C sẽ đề cập đến việc chọn kích thước, thiết kế bộ pin và kiểm định; ở đây mục tiêu là thiết lập một cách trung thực chế độ vận hành, bao gồm cả ranh giới quan trọng rằng NiMH giữ vai trò được chứng nhận trong các nguồn chiếu sáng khẩn cấp và thiết bị quan trọng, chứ không phải vai trò pin chính trên máy bay để khởi động động cơ.
Máy bay phản lực hiện đại tạo ra điện từ một số nguồn độc lập, và kiến trúc khẩn cấp được tổ chức sao cho việc mất một, thậm chí mất toàn bộ nguồn chính vẫn còn lại một đường dẫn đến các đồng hồ. Trong chuyến bay bình thường, các máy phát do động cơ dẫn động – mỗi chiếc cỡ 90 kVA trên máy bay thân hẹp – cấp điện cho toàn bộ lưới, với máy phát của bộ phận năng lượng phụ (Auxiliary Power Unit, APU) sẵn sàng làm nguồn dự phòng trên không và nguồn chính trên mặt đất. Nếu cả hai máy phát động cơ đều hỏng, biện pháp dự phòng quy mô lớn đầu tiên không phải pin mà là tuabin khí động (Ram Air Turbine, RAT), một cối xay gió tự động bung ra trong luồng không khí trên một tốc độ tối thiểu và thông qua một mạch thủy lực dẫn động một máy phát khẩn cấp chuyên dụng, nhỏ hơn nhiều so với các máy phát chính – trên dòng Airbus A320 là khoảng 5 kVA, ba pha 115/200 V. RAT cung cấp phần lớn điện khẩn cấp liên tục và ở nhiều loại máy bay cả thủy lực trong khi máy bay đang bay. Các bộ pin trên máy bay nằm dưới tầng này: chúng bắc cầu vài giây giữa lúc mất máy phát và lúc RAT đi vào hoạt động, cấp điện cho lưới DC thiết yếu trong các cấu hình mà máy phát khẩn cấp không chạy (đặc biệt khi càng đáp hạ xuống trong giai đoạn tiếp cận thấp) và khởi động APU. Trên A320, hai bộ pin chính là các bộ NiCad 23 Ah, 24 V, có thể duy trì các dịch vụ DC thiết yếu trong khoảng 30 phút. Tầng phân tán cuối cùng được tạo thành từ các nguồn pin khẩn cấp chuyên dụng, được lắp đặt riêng để cấp điện cho chiếu sáng cabin và lối thoát cùng các thiết bị quan trọng được chọn, độc lập với pin chính. Sự tách biệt này tồn tại vì không có hóa chất hay đơn vị nào là tốt nhất cho mọi nhiệm vụ: khởi động động cơ đòi hỏi dòng rất lớn trong vài giây, việc bắc cầu đến RAT đòi hỏi một xung dòng trung bình chắc chắn, còn chiếu sáng khẩn cấp đòi hỏi mức tiêu thụ bền vững dài, thấp và độ tin cậy cao sau nhiều năm được cất giữ im lặng.
Hệ thống khẩn cấp trước hết được kích hoạt bởi một sự kiện chứ không phải quyết định của tổ bay: tất cả động cơ tắt (flameout) hoặc hết nhiên liệu, đồng thời mất cả hai máy phát động cơ, một sự cố điện nghiêm trọng làm mở các contactor của máy phát, hoặc bất kỳ cấu hình nào mà lưới điện máy bay phát hiện không còn nguồn AC chính nào khả dụng. Trình tự sau đó diễn ra nhanh chóng và phần lớn là tự động. Các tải không thiết yếu được cắt bỏ bởi logic cắt giảm tải điện, để dung lượng khẩn cấp hạn chế được dành cho thiết bị quan trọng cho chuyến bay; nguồn cho các bếp nhỏ, hệ thống giải trí trên máy bay và các tải tiện nghi biến mất trước tiên. RAT được nhả ra tự động và khi luồng không khí đưa nó đạt tốc độ, máy phát khẩn cấp của nó được nối vào lưới thiết yếu. Có một giai đoạn chuyển tiếp ngắn nhưng quan trọng – cỡ vài giây, trên dòng A320 thường được nêu là khoảng tám giây – giữa việc mất các máy phát chính và việc máy phát khẩn cấp RAT đi vào hoạt động, và chính các bộ pin trên máy bay phải gánh lưới DC thiết yếu không gián đoạn trong khoảng hở đó. Khi máy phát khẩn cấp không khả dụng, ví dụ trong lần tiếp cận cuối cùng với càng đáp đã hạ, các bộ pin tiếp tục cấp điện trực tiếp cho lưới thiết yếu. Hình ảnh động đầu tiên trình bày tuần tự trình tự triển khai này; các mốc thời gian mang tính định tính và thay đổi theo loại máy bay cũng như cấu hình, nhưng thứ tự cắt tải, triển khai RAT, bắc cầu bằng pin và cấp điện cho các thanh cái thiết yếu là chung cho thiết kế loại hình vận tải.
Dòng điện mà một bộ pin được yêu cầu cung cấp trong một tình huống khẩn cấp thực tế không phải là một lần phóng điện bằng phẳng, và việc định cỡ bộ pin dựa trên một dòng trung bình duy nhất là một lỗi thiết kế kinh điển. Cấu hình có hai giai đoạn rõ rệt. Nó bắt đầu bằng một xung ngắn với dòng tương đối cao tại thời điểm cấu hình khẩn cấp được thiết lập: các contactor của pin đóng lại, bộ nghịch lưu tĩnh khởi động và các tụ điện đầu vào của nó được nạp (một dòng khởi động có thể trong chốc lát lên gấp nhiều lần dòng làm việc), và thanh cái DC thiết yếu được tiếp nhận. Trong các hệ thống cũng dùng pin để khởi động APU, một xung khởi động riêng và lớn hơn nhiều – hàng trăm ampe trong vài giây – thuộc về pin chính trên máy bay chứ không phải nguồn chiếu sáng. Một khi lưới đã ổn định, cấu hình chuyển sang mức tiêu thụ bền vững dài, thấp và thay đổi chậm. Vì các tải không thiết yếu đã bị cắt, pin chỉ cấp điện cho các thiết bị được giữ lại: đồng hồ dự phòng hoặc đồng hồ dự phòng tích hợp, các màn hình bay và dẫn đường chính phía cơ trưởng, màn hình động cơ/cảnh báo phía trên, các thiết bị điều khiển bay thiết yếu, chiếu sáng khẩn cấp và một đài VHF. Dòng điện trong giai đoạn bền vững này ở mức khiêm tốn và tương đối ổn định, giảm nhẹ khi điện áp thanh cái và tải màn hình thay đổi; nó phải được duy trì mà không để điện áp pin tụt dưới ngưỡng cắt của thiết bị trong suốt thời gian hoạt động yêu cầu. Hình ảnh động thứ hai thể hiện cấu hình này một cách định tính – xung khởi động cao theo sau là đường nền thấp dài – và mang tính minh họa cho chế độ chứ không phải phép đo của một máy bay cụ thể nào.
Lý do mức tiêu thụ bền vững có thể được giữ thấp đến vậy là vì trong tình huống khẩn cấp chỉ còn các thanh cái thiết yếu được cấp điện, và kiến trúc nêu rõ tải nào được giữ lại. Máy bay phân biệt các thanh cái thiết yếu AC và DC, và bên trong chúng phân biệt giữa các tải luôn được giữ trên thanh cái thiết yếu với các tải «bị cắt» có độ ưu tiên thấp hơn, tự động bị loại bỏ khi cấu hình xấu đi. Khi máy phát khẩn cấp hoặc một bộ chỉnh lưu-biến áp khả dụng, nó cấp điện cho các thanh cái thiết yếu AC và DC; khi một mình pin gánh lưới, dòng một chiều của nó được bộ nghịch lưu tĩnh chuyển ngược lại thành dòng xoay chiều. Trên dòng A320, một bộ nghịch lưu tĩnh 1.000 VA chuyển dòng một chiều của pin thành dòng xoay chiều một pha 115 V ở 400 Hz, được kích hoạt tự động trong cấu hình khẩn cấp, để các đồng hồ thái độ, tốc độ và độ cao vốn cần dòng xoay chiều có thể tiếp tục hoạt động. Các nguồn pin khẩn cấp chuyên dụng thực hiện một chức năng song song nhưng độc lập: chúng được lắp đặt để đảm bảo chiếu sáng cabin và lối sơ tán cùng các thiết bị quan trọng cụ thể ngay cả khi pin chính trên máy bay đang bận hoặc đã cạn, và được giữ ở trạng thái sạc từ thanh cái điện của máy bay để luôn sẵn sàng đầy đủ. Việc giữ nguồn chiếu sáng tách biệt về mặt điện với pin chính là một quyết định dự phòng – đảm bảo lối đi đến các lối thoát không thể bị tối đi do một sự cố ở nơi khác – và chính cho vai trò dài, thấp và chủ yếu là chờ đợi này, các nguồn NiMH hiện đại đã được chứng nhận là sản phẩm thay thế trực tiếp cho các bộ NiCad cũ.
Bốn hóa chất pin xuất hiện trong hệ thống khẩn cấp trên máy bay, mỗi loại gắn với một vai trò khác nhau, và điều quan trọng là không được nhầm lẫn chúng. Pin chính trên máy bay của các máy bay cũ và hiện tại chủ yếu là NiCad mở (có thông hơi), được đánh giá cao nhờ độ bền cơ học cao, khả năng cấp dòng lớn trong thời gian ngắn và khả năng chịu sử dụng sai, nhưng đi kèm các nhược điểm đã biết là hiệu ứng bộ nhớ, cần kiểm tra dung lượng sâu định kỳ và bảo trì nước cũng như cân bằng cell; một số máy bay dùng các bộ axit-chì điều áp bằng van. Pin chính lithium sạc lại được lắp cố định là một lựa chọn mới hơn, được quy định bởi các tiêu chuẩn hiệu suất vận hành tối thiểu RTCA DO-311 và DO-311A và được phê duyệt theo FAA TSO-C179 (cùng các tiêu chuẩn tương đương CAAC CTSO-C179), lắp đặt theo hướng dẫn AC 20-184A. Vì lithium mang lại hành vi thermal runaway mà NiCad và axit-chì không có, các nhà quản lý đã ban hành các điều kiện đặc biệt cho việc lắp đặt lithium, và các sự cố pin được chú ý rộng rãi năm 2013 trên Boeing 787 minh họa vì sao các thử nghiệm thermal runaway ở cấp cell, mô-đun và hệ thống được mô tả trong DO-311 và các phương pháp hỗ trợ của NASA được xem trọng. Hóa chất thứ tư là niken-kim loại hydru, và ở đây một sản phẩm thực tế, đã được chứng nhận xác định vai trò. Các nguồn pin khẩn cấp dòng True Blue Power TS32 (32 watt-giờ) và TS56 (56 watt-giờ) dùng hóa chất NiMH để cung cấp dòng một chiều cho chiếu sáng khẩn cấp và thiết bị quan trọng sau khi nguồn chính bị hỏng; chúng được chứng nhận theo TSO-C173a, RTCA DO-293A và RTCA DO-160G như là sản phẩm thay thế trực tiếp cho các bộ NiCad cũ của các nhà sản xuất như Radiant trong các ứng dụng Embraer, Bombardier, Boeing và Airbus. Việc dùng NiMH loại bỏ hiệu ứng bộ nhớ của các bộ NiCad mà nó thay thế, và việc kiểm tra dung lượng chỉ được yêu cầu hai năm một lần thay vì chu kỳ cũ thường xuyên hơn. Ví dụ TS56 nhận đầu vào 20–30 VDC, cung cấp đầu ra danh nghĩa 24,6 VDC lên đến 3 A, nặng khoảng 2,9 lb và cho khoảng 132 phút khi phóng điện ở 1 A. Việc định vị là cố ý và cần được nêu rõ ràng: NiMH được chứng nhận đã vững chắc cho các nguồn chiếu sáng khẩn cấp và thiết bị quan trọng, nơi chất điện ly kali hydroxit dạng nước, không bắt lửa của nó có nghĩa là không có thermal runaway kiểu lithium; nó không được bán như một bộ pin trên máy bay dòng lớn để khởi động động cơ – vai trò đó vẫn thuộc về NiCad và ngày càng thuộc về lithium được chứng nhận.
Một bộ pin hàng không không đối mặt với một thế giới ôn hòa ở nhiệt độ phòng, và bộ pin phải được kiểm định cho môi trường trên máy bay được định nghĩa trong RTCA DO-160, chính tài liệu điều kiện môi trường được trích dẫn cùng các chứng nhận nguồn khẩn cấp ở trên. Các hạng mục liên quan bao gồm các điều kiện khắc nghiệt mà đơn vị sẽ thực sự gặp tại vị trí lắp đặt: dải nhiệt độ vận hành và lưu trữ rộng, từ điều kiện lạnh sâu ở độ cao và trên sân đỗ mùa đông cho đến sức nóng kéo dài trong các khoang thiết bị và cabin bị nung nóng bởi mặt trời; áp suất thấp và khả năng làm mát giảm ở độ cao, kể cả hành vi khi giảm áp nhanh; phổ rung của khung máy bay; và các quy định về va chạm cũng như an toàn khi tai nạn. Các điều kiện này tương tác với hóa chất theo những cách mà người thiết kế phải tôn trọng. Các cell NiMH mất khả năng nhận sạc ở nhiệt độ thấp, vì vậy việc sạc được giới hạn trong một khoảng nhiệt độ và được bộ điều khiển sạc quản lý thay vì bị ép trong cái lạnh; ở độ cao, bộ pin phải thông hơi an toàn dưới áp suất giảm mà không bị khô hay mất cell; còn hóa chất dạng nước, dù loại bỏ rủi ro thermal runaway như lithium, vẫn cần các đường xả áp và bảo vệ chống ngắn mạch cũng như sạc quá mức. Do đó, chế độ sạc giữ cho nguồn khẩn cấp luôn sẵn sàng – sạc dòng không đổi với việc kết thúc bằng delta-V âm (-dV/dt), dự phòng bằng delta-nhiệt độ theo thời gian (dT/dt) và cắt nhiệt độ tuyệt đối – được quy định cả cho môi trường DO-160 lẫn tuổi thọ chu kỳ. Máy phát vị trí khẩn cấp riêng (Emergency Locator Transmitter, ELT), phát ở 406 MHz và được chứng nhận theo TSO-C126, minh họa cùng kỷ luật môi trường bằng chính bộ pin của nó: bộ pin của nó được thay thế theo chu kỳ do nhà sản xuất nêu, thường vào khoảng năm đến sáu năm, và trong khai thác tại Mỹ theo FAR 91.207 phải được thay thế ngay khi máy phát đã được sử dụng tích lũy hơn một giờ.
Cách tiếp cận kỹ thuật của chúng tôi xuất phát trực tiếp từ cấu hình vận hành đã nêu ở trên. Chúng tôi coi nguồn chiếu sáng khẩn cấp và thiết bị quan trọng là một sản phẩm khác biệt với bất kỳ bộ pin trên máy bay dòng lớn nào, và định cỡ nó theo cấu hình hai pha – xung khởi động ngắn của bộ nghịch lưu và các contactor, cùng mức tiêu thụ bền vững thấp dài – chứ không theo một dòng định danh duy nhất. Các cell được chọn lựa dựa trên điện áp ổn định dưới tải bền vững của thanh cái thiết yếu và mức tự xả thấp, để một nguồn đã nằm im hàng tháng vẫn sẵn sàng đầy đủ khi thanh cái máy bay gọi đến; cấu trúc các tab hàn và đường thông hơi xác định bảo vệ chống lại các điều kiện rung và áp suất giảm của DO-160, còn bộ điều khiển sạc dùng kết thúc -dV/dt với dự phòng dT/dt và cắt nhiệt độ tuyệt đối, để bộ pin được giữ đầy mà không sạc quá mức. Vì hóa chất là NiMH chứ không phải lithium, bộ pin không mang rủi ro thermal runaway và nằm ngoài chế độ vận chuyển lithium, điều này thực chất giúp đơn giản hóa việc gửi các bộ pin thay thế đến các trạm tuyến và kho của nhà khai thác. Mỗi bộ pin được giao kèm một hồ sơ bằng chứng có thể truy vết – dữ liệu hiệu suất cell, kết quả an toàn của hệ thống niken, bản vẽ bộ pin thể hiện số cell mắc nối tiếp, các tab hàn, thông hơi và bất kỳ bảo vệ nhiệt nào, đặc tả bộ điều khiển sạc và một tuyên bố về hóa chất/vận chuyển – để một OEM hoặc nhà khai thác đang tìm sản phẩm thay thế trực tiếp cho nguồn khẩn cấp NiCad cũ có thể chứng nhận và lắp đặt nó với một hồ sơ bảo vệ được, chứ không phải một khẳng định không có cơ sở.
Weijiang Power sản xuất các cell niken-kim loại hydru kín và các bộ pin công nghiệp tương ứng dùng cho các nguồn chiếu sáng khẩn cấp và thiết bị quan trọng, cùng với một loạt các bộ pin NiMH công nghiệp cho thiết bị giao thông, hàng hải và y tế, và cung cấp cho các đối tác OEM và nhà khai thác một hồ sơ bằng chứng đầy đủ: báo cáo hiệu suất cell, báo cáo an toàn hệ thống niken, đặc tính dòng lớn và nhiệt độ thấp, bản vẽ bộ pin với các tab hàn thể hiện thông hơi và bảo vệ nhiệt, cùng kiểm định bộ điều khiển sạc và một tuyên bố rõ ràng về vận chuyển không chứa lithium. Hãy gửi cho chúng tôi cấu hình tải của nguồn khẩn cấp, xung khởi động của bộ nghịch lưu và các contactor, dòng bền vững của thanh cái thiết yếu, phạm vi nhiệt độ và độ cao của vị trí lắp đặt, thời gian hoạt động yêu cầu và các tiêu chuẩn mà đơn vị phải đáp ứng; các kỹ sư của chúng tôi sẽ định cỡ, kiểm định và lập hồ sơ một bộ pin luôn sẵn sàng đầy đủ qua nhiều năm phục vụ. Hãy xem dòng cell và bộ pin trên trang sản phẩm.
