Hãy bước ra sân đỗ của sân bay trong một lượt quay đầu máy bay, và các thiết bị tụ lại quanh máy bay sẽ kể một câu chuyện rõ ràng. Xe kéo hành lý kéo những đoàn xe đẩy dài giữa nhà ga và vị trí đỗ, xe băng chuyền nâng hành lý lên khoang hàng, còn các bộ nguồn mặt đất và hệ thống điều hòa giữ cho máy bay hoạt động khi động cơ đã tắt. Một phần lớn các phương tiện này - đặc biệt là xe kéo hành lý và thiết bị - đã chạy điện bằng pin từ nhiều thập kỷ, và việc điện khí hóa bắt đầu từ đội xe kéo nay đang lan sang các thiết bị công suất cao hơn mà trước đây chỉ chạy bằng diesel. Paper A này mở đầu một loạt ba phần về thiết bị hỗ trợ mặt đất chạy điện (eGSE), giải thích năng lượng pin thực sự hoạt động ra sao trên sân đỗ: những phương tiện nào chạy điện, chúng được chế tạo theo những tiêu chuẩn nào, chu trình làm việc thực tế có hình dạng gì, giao diện điện giữa thiết bị mặt đất và máy bay được nối như thế nào, và hóa học pin phải cung cấp những gì. Paper B và Paper C sẽ biến hồ sơ vận hành này thành quy trình lựa chọn và tính toán kích thước, sau đó thành lộ trình thử nghiệm và chứng nhận. Ranh giới cần được nêu ngay: đây là thiết bị phía mặt đất hoạt động ngoài trời trên sân đỗ và bên trong các nhà hàng hóa, không phải pin khẩn cấp trên máy bay đã được chứng nhận đã trình bày trong loạt bài hàng không trước.
Thiết bị hỗ trợ mặt đất là thuật ngữ chung cho các phương tiện và hệ thống cố định phục vụ máy bay giữa các chuyến bay; bên trong nó, đội xe được điện khí hóa chia thành hai nhóm theo lịch sử. Nhóm thứ nhất chạy điện ngay từ đầu. Xe kéo hành lý và thiết bị - những xe kéo gọn, thấp kéo các đoàn xe đẩy hành lý, hàng hóa và bưu phẩm - theo truyền thống là phương tiện dùng pin, vì nhiệm vụ của chúng phù hợp với một cỗ máy êm ái, linh hoạt, không có khí thải tại cổng và có thể sạc giữa các ca. Nhóm thứ hai hiện đang được điện khí hóa. Khí thải diesel tại vị trí đỗ, các quy định chất lượng không khí của sân bay và chi phí pin giảm đã thúc đẩy các nhà sản xuất chế tạo phiên bản dùng pin cho những thiết bị có yêu cầu công suất cao và liên tục hơn nhiều: bộ nguồn mặt đất chạy điện cấp cho lưới điện máy bay, thiết bị điều hòa và tiền điều hòa không khí dùng pin, và ở mức cao nhất là xe kéo đẩy (pushback) chạy điện. Cùng các dòng phương tiện đó cũng được cung cấp dưới dạng máy lai hoặc năng lượng kép, chỉ dùng một động cơ nhỏ khi riêng pin không thể đảm nhận một ca làm việc dài. Đối với nhà cung cấp pin, kết quả thực tế là một tập hợp các hồ sơ làm việc rộng lớn và đang tăng trưởng - từ bộ pin kéo khiêm tốn, giàu xung của xe kéo đến bộ pin năng lượng cao cỡ lớn của bộ nguồn mặt đất dùng pin.
Thiết bị hỗ trợ mặt đất của châu Âu được thiết kế theo một cặp tiêu chuẩn, và hiểu cách chúng phân chia là cách nhanh nhất để hiểu các cỗ máy được định tính ra sao. EN 1915, Thiết bị hỗ trợ mặt đất cho máy bay - Yêu cầu chung, chứa các quy tắc áp dụng cho toàn đội xe: Phần 1 bao gồm các yêu cầu an toàn cơ bản, Phần 2 các yêu cầu về độ ổn định và độ bền cùng với tính toán và phương pháp thử, Phần 3 quy định phương pháp đo rung và giảm rung, Phần 4 phương pháp đo ồn và giảm ồn. EN 12312, Thiết bị hỗ trợ mặt đất cho máy bay - Yêu cầu cụ thể, sau đó chia đội xe thành các phần theo thiết bị, mỗi phần quy định một loại máy. Liên quan nhất đối với sân đỗ chạy điện là Phần 3 cho xe băng chuyền (xe băng tải), Phần 15 cho xe kéo hành lý và thiết bị, Phần 16 cho thiết bị khởi động bằng khí, Phần 17 cho thiết bị điều hòa không khí và Phần 20 cho bộ nguồn mặt đất chạy điện; các phần khác bao gồm thiết bị khử băng, thang và bệ phục vụ, thiết bị vệ sinh và các dòng phương tiện còn lại. Tiêu chuẩn chung cung cấp nền tảng chung về an toàn, độ ổn định và đo đạc, còn tiêu chuẩn cụ thể bổ sung các yêu cầu riêng của xe kéo, xe băng tải hay bộ nguồn. Đối với mô hình điện khí hóa, sự phân chia này quan trọng vì pin, bộ sạc và các hệ thống bảo vệ của nó phải thỏa mãn cả các quy tắc an toàn ngang lẫn yêu cầu cụ thể của thiết bị - ví dụ độ ổn định dưới một bộ pin nặng và các giới hạn ồn, rung đặt cho vị trí người vận hành.
Điều hữu ích nhất cần hiểu về một phương tiện sân đỗ là chu trình làm việc của nó không phải là tải không đổi. Nó là một chuỗi các đỉnh dòng điện cao ngắn, ngăn cách bởi những giai đoạn dài dòng điện thấp hoặc chạy không tải. Hãy xem xét một xe kéo hành lý dùng pin trong một ca điển hình. Nó bắt đầu tại nhà hàng hóa, được móc vào một đoàn xe đẩy đã chất đầy và khởi hành; thời điểm khởi động, đặc biệt trên dốc hoặc với đoàn nặng, đòi hỏi dòng điện cao nhất trong chu trình khi động cơ phát sinh lực kéo ở móc để tăng tốc toàn bộ khối lượng đang lăn. Một khi đoàn xe chuyển động với tốc độ sân đỗ, dòng điện giảm mạnh, vì cần ít mô-men hơn nhiều để giữ nó lăn so với làm nó khởi động. Bên cạnh máy bay, người lái tháo móc và xe kéo sau đó dành một khoảng thời gian dài để điều động, định vị lại và chờ đợi - dùng điều khiển tiến từng bước (inching) cho các chuyển động chính xác ở tốc độ thấp và ở chế độ chờ trong khi hành lý được chất lên. Sau đó nó quay lại với một đoàn khác và mô hình lặp lại; giữa các lượt, và ngày càng nhiều trong các giờ nghỉ theo kế hoạch, bộ pin được sạc tranh thủ thay vì chờ một chu trình sạc ban đêm duy nhất. Các thông số kỹ thuật công khai làm cho sự tương phản giữa đỉnh và không tải trở nên cụ thể. Một xe kéo hành lý chạy điện tiêu biểu được chế tạo quanh một bộ pin 80 V dung lượng 500–625 Ah, dẫn động một động cơ xoay chiều 40 hp (30 kW) và được định mức lực kéo ở móc vào khoảng 4.000 lb (1.814 kg), nhưng chạy tới 18 mph (29 km/h) và quay vòng trong bán kính khoảng 117 inch; bộ pin nặng khoảng 1.160–1.510 kg bản thân nó chính là đối trọng tạo độ bám cho máy. Hình động đầu tiên dưới đây phác họa một cách định tính hồ sơ đỉnh và không tải này trong suốt lượt quay đầu.
Một lượt quay đầu được chia thành các chế độ tải như thế nào (định tính)
| Chế độ | Bộ pin cảm nhận điều gì |
|---|---|
| Khởi động / kéo nặng | Dòng cao nhất; động cơ phát lực kéo tối đa để bắt đầu chuyển đoàn xe |
| Chạy | Dòng vừa phải, giảm dần sau khi đoàn xe lăn |
| Tiến từng bước / điều động | Các xung ngắn, lặp lại ở tốc độ thấp gần máy bay |
| Chờ / không tải | Các khoảng dài dòng thấp; sạc tranh thủ khi được cắm |
Trong khi phương tiện kéo biến năng lượng pin thành lực kéo cơ học ở móc, bộ nguồn mặt đất biến nó thành công suất điện cụ thể mà máy bay mong đợi, và giao diện này có hai dạng riêng biệt. Dạng một chiều là hệ thống 28 V: các lưới một chiều của máy bay được mô tả là 28 V danh định, với nguồn cấp được điều chỉnh ở khoảng 28,5 VDC, và bộ nguồn mặt đất một chiều cấp cho thanh cái trong quá trình bảo trì và trong nhiều cấu hình hỗ trợ khởi động động cơ. Dạng xoay chiều là hệ thống 400 Hz: điện xoay chiều của máy bay là 115/200 V, ba pha, ở tần số 400 Hz thay vì 50 hoặc 60 Hz của lưới mặt đất, và bộ nguồn mặt đất xoay chiều tạo ra tần số cao này từ pin qua một bộ nghịch lưu. Một số máy bay quân sự thay vì vậy dùng lưới 270 VDC. Công suất định mức của các bộ dùng pin thực tế cho thấy sự chuyển đổi này khắt khe đến mức nào. Các bộ một chiều được quy định cho bảo trì và khởi động với dòng liên tục sạch - tới vài trăm ampe trên các mô hình di động lớn hơn -, trong khi các bộ dùng pin xoay chiều được định mức từ hàng chục đến hàng trăm kilovolt-ampe để cấp cho toàn bộ lưới máy bay; một bộ nguồn mặt đất dùng pin được triển khai rộng rãi ví dụ cung cấp điện 400 Hz trong dải 90–180 kVA cùng các đầu ra 28 V và 270 V, và được định mức tới 100 lần khởi động động cơ mỗi lần sạc. Kỷ luật kỹ thuật chung cho cả hai dạng là bộ pin phải cấp dòng cao theo yêu cầu - đỉnh ngắn của một lần khởi động hoặc tải bậc khi các hệ thống bật lên - đồng thời giữ điện áp đầu ra trong một dải hẹp; yêu cầu này trực tiếp dẫn về cùng hồ sơ xung và duy trì thấy ở đội xe kéo.
Việc kết hợp chu trình làm việc và giao diện xác định các yêu cầu mà hóa học phải đáp ứng, và năm đặc tính chi phối. Thứ nhất là cấp xung tốc độ cao: bộ pin phải nuôi các đỉnh khởi động mà điện áp đầu cực của nó không sụt xuống dưới ngưỡng cắt của bộ điều khiển hoặc ngưỡng thấp áp của máy bay. Thứ hai là năng lượng dùng được và thời lượng trong cả một ca, vì một phương tiện quay về bộ sạc trước khi xong việc là thất bại về mặt thương mại ngay cả khi từng đỉnh riêng lẻ được đáp ứng. Thứ ba, thường là yếu tố quyết định trên sân đỗ mở, là hành vi khi lạnh: nhiệt độ thấp đồng thời làm giảm dung lượng một tế bào có thể cấp và làm tăng điện trở trong của nó, làm sâu thêm sụt áp dưới xung, nên một bộ pin tính ở nhiệt độ phòng có thể không đủ trong ca sớm mùa đông. Thứ tư là độ bền trong môi trường khắc nghiệt - rung liên tục từ các bánh thép trên bê tông, tiếp xúc với mưa và chất lỏng khử băng, và các chu trình nhiều ca lặp lại trong tuổi thọ tính bằng năm. Thứ năm là an toàn và xử lý trong các khu vực vận hành đông đúc, một phần kín, từ các nhà hàng hóa đến các tổ hợp cổng đông đúc, nơi vận hành không khí thải chính là lý do thiết bị được điện khí hóa. Các đặc tính này được ghép nối chứ không độc lập: lạnh làm tăng điện trở, làm xấu đi điện áp xung; các chu trình tốc độ cao đẩy nhanh hao mòn, làm xói mòn thời lượng; và cách một nhà sản xuất cân bằng chúng chính là điều phân biệt một bộ pin phù hợp tốt với một bộ bị tính thiếu.
Trong thiết bị hỗ trợ mặt đất chạy điện hiện đại xuất hiện ba hóa học pin, và mỗi loại chiếm một điểm khác nhau trong không gian đánh đổi. Xe kéo điện truyền thống dùng bộ axit-chì ngập dung dịch - bộ pin 80 V, 500–625 Ah, nặng hơn một tấn trong máy tiêu biểu là đặc trưng của loại này -, rẻ và cung cấp đối trọng hữu ích, nhưng nặng, cần châm thêm nước và bảo trì, và mất dung lượng dùng được khi lạnh cũng như ở tốc độ xung cao. Các phương tiện điện mới hơn, bao gồm xe kéo điện áp cao và các bộ nguồn dùng pin mới nhất, dùng bộ lithium-ion, nhẹ hơn, chấp nhận sạc nhanh và sạc tranh thủ, gần như không bảo trì, nhưng mang lại hành vi nhiệt đòi hỏi quản lý pin cẩn thận và chế độ vận chuyển hàng không, xử lý áp dụng cho lithium. Nickel-metal hydride (NiMH) nằm giữa hai loại như một giải pháp thay thế đủ điều kiện, không phải là điều mới lạ: nó hỗ trợ phóng xung tốc độ cao cho các đỉnh kéo và khởi động, hành vi tốt ở nhiệt độ thấp, cung cấp tuổi thọ chu trình và tuổi thọ sử dụng dài, và dùng chất điện phân nước, không cháy, không có thermal runaway kiểu lithium, đồng thời tránh gánh nặng vận chuyển riêng của lithium khi các bộ pin dự phòng được di chuyển giữa các trạm tuyến. Lưu ý thành thật là NiMH không phải hóa học chủ đạo trong đội eGSE ngày nay - axit-chì đã xây dựng nền tảng lắp đặt và lithium dẫn dắt nhiều chương trình mới - nhưng sự kết hợp đặc tính của nó làm cho nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy ở những nơi hiệu suất lạnh, làm việc theo xung, tuổi thọ dài và an toàn nội tại được coi trọng. Hình động thứ hai phác họa chuỗi năng lượng từ lưới đến sân đỗ, và bảng dưới đây tóm tắt sự so sánh.
| Hóa học | Điểm mạnh | Hạn chế |
|---|---|---|
| Axit-chì | Chi phí thấp; bộ nặng làm đối trọng; kinh nghiệm sử dụng lâu dài | Nặng; cần châm nước; hiệu suất lạnh và xung yếu hơn |
| Lithium-ion | Nhẹ; sạc nhanh/tranh thủ; ít bảo trì | Yêu cầu quản lý nhiệt và vận chuyển lithium |
| NiMH | Tốc độ xung cao; hiệu suất lạnh mạnh; tuổi thọ dài; dạng nước và an toàn; không chế độ vận chuyển lithium | Chưa phải hóa học lắp đặt chủ đạo; bộ pin phải được tính đúng |
Weijiang Power sản xuất các tế bào nickel-metal hydride kín và các bộ công nghiệp phù hợp cho thiết bị hỗ trợ mặt đất và các ứng dụng vận tải, cùng một loạt các bộ NiMH công nghiệp rộng cho hàng không, hải quân, y tế và thiết bị cố định, và cung cấp cho các đối tác OEM và nhà khai thác một hồ sơ bằng chứng đầy đủ: đặc tính xung tốc độ cao, dữ liệu dung lượng và điện trở ở nhiệt độ thấp, kết quả tuổi thọ chu trình và thời lượng, bản vẽ bộ pin với các tab hàn và bảo vệ nhiệt, cùng xác nhận kiểm soát sạc và một tuyên bố vận chuyển không phải lithium rõ ràng. Hãy gửi cho chúng tôi chu trình làm việc của quý vị - các đỉnh lực kéo hoặc khởi động, dòng chạy và chờ, thời lượng ca và cửa sổ sạc, nhiệt độ sân đỗ thấp nhất và các tiêu chuẩn phương tiện phải đáp ứng - và các kỹ sư của chúng tôi sẽ tính và xác nhận một bộ pin giữ được điện áp ở mỗi xung và kết thúc ca với dung lượng dự trữ. Hãy xem xét dòng tế bào và bộ pin trên trang sản phẩm.
