Wenn ein Flugzeug der Transportkategorie in der Höhe beide triebwerksgetriebenen Generatoren verliert, schaltet die Besatzung nicht einfach „auf Batterie". Die bordseitige Notstromversorgung ist ein bewusst mehrstufiges System, aufgebaut aus mehreren Quellen, die in einer festgelegten Reihenfolge zugeschaltet werden und eine bewusst kleine Gruppe von Essential-Bussen speisen; die Batterie ist dabei nur ein Glied in dieser Kette. Zu verstehen, wo die Batterie steht – was sie versorgen muss, wie lange und mit welchem Stromprofil –, unterscheidet einen zertifizierten und nützlichen Pack von einer bloßen Katalogzelle in einem Luftfahrtgehäuse. Das vorliegende Paper A, der Teil zu Betriebsprofil und Prinzipien unserer Reihe zur Notstromversorgung von Flugzeugen, verfolgt die Architektur von den Hauptgeneratoren bis hin zu den speziellen Notbatterie-Versorgungen (Emergency Battery Power Supplies, EBPS), die Kabinen- und Notausgangsbeleuchtung sowie kritische Geräte am Leben halten, und bildet anschließend das Lastprofil ab, das die Chemie tatsächlich sieht. Es stützt sich auf den Zertifizierungsrahmen für fest eingebaute wiederaufladbare Systeme – RTCA DO-311 und DO-311A, FAA TSO-C179 sowie die Einbauhinweise der AC 20-184A – sowie auf die gesonderten Normen für die Notbeleuchtungsversorgung und auf ein konkretes, zertifiziertes Beispiel: die Nickel-Metallhydrid-Notbatterie-Versorgungen (NiMH), die heute ältere Nickel-Cadmium-Einheiten (NiCad) in Geschäftsreiseflugzeugen und Verkehrsflugzeugen direkt ersetzen. Die Papers B und C behandeln Auslegung, Pack-Design und Qualifizierung; hier geht es darum, das Betriebsregime ehrlich zu beschreiben, einschließlich der wichtigen Grenze, dass NiMH eine zertifizierte Rolle in der Notbeleuchtungs- und Kritische-Geräte-Versorgung einnimmt und nicht die Rolle der hauptsächlichen triebwerksstartenden Schiffsbatterie.
Ein modernes Verkehrsflugzeug erzeugt elektrischen Strom aus mehreren unabhängigen Quellen, und die Notfallarchitektur ist so organisiert, dass beim Verlust einer einzelnen oder sogar aller primären Quellen stets ein Pfad zu den Instrumenten erhalten bleibt. Im Normalflug versorgen die triebwerksgetriebenen Generatoren – bei einem Schmalrumpfflugzeug jeweils in der Größenordnung von 90 kVA – das gesamte Netz, wobei der Generator des Hilfstriebwerks (Auxiliary Power Unit, APU) als Reserve im Flug und als Hauptquelle am Boden zur Verfügung steht. Fallen beide Triebwerksgeneratoren aus, ist die erste großangelegte Rückfallebene nicht die Batterie, sondern die Ram-Air-Turbine (RAT), ein sich im Wind drehendes Propelleraggregat, das oberhalb einer Mindestfluggeschwindigkeit automatisch in den Luftstrom ausfährt und über einen Hydraulikkreislauf einen eigenen Notgenerator antreibt, der weit kleiner als die Hauptgeneratoren ist – in der Airbus-A320-Familie mit etwa 5 kVA, dreiphasig 115/200 V, ausgelegt. Die RAT liefert den Großteil der weiteren notstromseitigen und bei vielen Mustern auch hydraulischen Energie, solange das Flugzeug fliegt. Die Schiffsbatterien liegen unterhalb dieser Ebene: Sie überbrücken die wenigen Sekunden zwischen Generatorverlust und dem Zuschalten der RAT, speisen das DC-Essential-Netz in Konfigurationen, in denen der Notgenerator nicht läuft (insbesondere bei ausgefahrenem Fahrwerk im tiefen Anflug), und starten die APU. Bei der A320 handelt es sich bei den zwei Hauptbatterien um NiCd-Einheiten mit 23 Ah und 24 V, die die wesentlichen DC-Verbraucher etwa 30 Minuten lang versorgen können. Eine letzte, verteilte Ebene bilden die speziellen Notbatterie-Versorgungen, die eigens eingebaut sind, um Kabinen- und Notausgangsbeleuchtung und ausgewählte kritische Geräte unabhängig von der Hauptbatterie zu versorgen. Diese Trennung existiert, weil keine einzelne Chemie oder Einheit für jede Aufgabe am besten geeignet ist: Der Triebwerksstart erfordert sehr hohen Strom für wenige Sekunden, die RAT-Überbrückung einen robusten mittelhohen Stromimpuls, und die Notbeleuchtung erfordert eine lange, niedrige und höchst zuverlässige Dauerentnahme nach Jahren stiller Lagerung.
Das Notfallsystem wird zunächst durch ein Ereignis und nicht durch eine Entscheidung der Besatzung ausgelöst: durch das Erlöschen aller Triebwerke (Flameout) oder Kraftstoffmangel, den gleichzeitigen Verlust beider Triebwerksgeneratoren, einen schweren elektrischen Fehler, der die Generatorschütze öffnet, oder jede Konfiguration, in der das Bordnetz erkennt, dass keine AC-Hauptquelle verfügbar ist. Die Sequenz läuft dann schnell und weitgehend automatisch ab. Nicht wesentliche Lasten werden durch die Logik des elektrischen Lastabwurfs abgeschaltet, damit die verringerte Notkapazität flugkritischen Geräten vorbehalten bleibt; Bordküchenversorgungen, Bordunterhaltung und Komfortlasten fallen zuerst weg. Die RAT wird automatisch freigegeben, und sobald der Luftstrom sie auf Drehzahl bringt, wird ihr Notgenerator mit dem Essential-Netz verbunden. Zwischen dem Verlust der Hauptgeneratoren und dem Zuschalten des RAT-Notgenerators besteht ein kurzer, aber kritischer Übergang – in der Größenordnung von Sekunden, für die A320-Familie häufig mit etwa acht Sekunden angegeben –, und es sind die Schiffsbatterien, die das DC-Essential-Netz unterbrechungsfrei über diese Lücke tragen müssen. Steht der Notgenerator nicht zur Verfügung, beispielsweise im Endanflug bei ausgefahrenem Fahrwerk, versorgen die Batterien das Essential-Netz weiterhin direkt. Die erste animierte Abbildung stellt diese Entfaltungssequenz der Reihenfolge nach dar; die Zeitangaben sind qualitativ und variieren je nach Flugzeugmuster und Konfiguration, doch die Reihenfolge von Lastabwurf, RAT-Entfaltung, batterieseitiger Lückenüberbrückung und Essential-Bus-Versorgung ist im Design der Transportkategorie durchgängig gleich.
Der Strom, den eine Batterie in einem echten Notfall liefern muss, ist keine flache Entladung, und einen Pack gegen einen einzigen Durchschnittsstrom auszulegen ist ein klassischer Konstruktionsfehler. Das Profil hat zwei ausgeprägte Phasen. Es beginnt mit einem kurzen, relativ hochstromigen Impuls in dem Moment, in dem die Notfallkonfiguration hergestellt wird: Die Batterieschütze schließen, der statische Wechselrichter läuft an und seine Eingangskondensatoren laden sich (ein Einschaltstromstoß, der kurzzeitig ein Mehrfaches des Betriebsstroms erreichen kann), und der DC-Essential-Bus wird übernommen. Bei Systemen, die die Batterie auch zum APU-Start nutzen, gehört ein gesonderter, weit größerer Anlassimpuls – Hunderte Ampere für wenige Sekunden – zur Hauptschiffsbatterie und nicht zu einer Beleuchtungsversorgung. Hat sich das Netz beruhigt, geht das Profil in eine lange, niedrige und langsam veränderliche Dauerentnahme über. Da nicht wesentliche Lasten bereits abgeworfen sind, versorgt die Batterie nur noch die behaltenen Geräte: das Standby- oder integrierte Standby-Instrument, die primären Flug- und Navigationsdisplays auf der Kapitänsseite, das obere Triebwerks-/Warn-Display, die wesentlichen Flugsteuerungsvorrichtungen, die Notbeleuchtung und ein einzelnes UKW-Funkgerät (VHF). Der Strom in dieser Dauerphase ist gering und vergleichsweise stabil; er nimmt sanft ab, wenn sich Busspannungen und Displaylasten verändern, und er muss über die geforderte Überlebensdauer aufrechterhalten werden, ohne dass die Batteriespannung unter die Abschaltschwelle der Geräte einbricht. Die zweite animierte Abbildung zeigt dieses Profil qualitativ – den hohen Startimpuls gefolgt von der langen niedrigen Grundlinie – und veranschaulicht das Regime, ist aber keine Messung eines bestimmten Flugzeugs.
Die Dauerentnahme lässt sich deshalb so niedrig halten, weil im Notfall nur die Essential-Busse versorgt bleiben und die Architektur explizit festlegt, welche Lasten überleben. Das Flugzeug unterscheidet AC- und DC-Essential-Busse und innerhalb dieser zwischen Lasten, die stets am Essential-Bus behalten werden, und niedriger priorisierten „Shed"-Lasten, die mit zunehmender Verschlechterung der Konfiguration automatisch abgeworfen werden. Stehen der Notgenerator oder eine Transformator-Gleichrichter-Einheit zur Verfügung, speisen diese die AC- und DC-Essential-Busse; wenn allein die Batterie das Netz trägt, wird ihr Gleichstrom durch einen statischen Wechselrichter wieder in Wechselstrom umgewandelt. In der A320-Familie wandelt ein statischer Wechselrichter mit 1.000 VA den Batteriegleichstrom in einphasigen 115-V-Wechselstrom mit 400 Hz um, der in der Notfallkonfiguration automatisch aktiviert wird, damit die auf Wechselstrom angewiesenen Instrumente für Lage, Fluggeschwindigkeit und Höhe weiterlaufen können. Die speziellen Notbatterie-Versorgungen erfüllen eine parallele, aber unabhängige Funktion: Sie sind eingebaut, um Kabinen- und Notausgangsbeleuchtung sowie bestimmte kritische Geräte auch dann zu gewährleisten, wenn die Hauptschiffsbatterie belegt oder erschöpft ist, und sie werden über den Flugzeugstrombus geladen gehalten, damit sie stets volle Bereitschaft aufweisen. Die Beleuchtungsversorgung elektrisch von der Hauptbatterie getrennt zu halten, ist eine Redundanzentscheidung – sie stellt sicher, dass der Weg zu den Notausgängen durch einen Fehler an anderer Stelle nicht verdunkelt werden kann –, und genau für diese Aufgabe mit ihrem langandauernden, niedrigen, lagergeprägten Dienst sind moderne NiMH-Notversorgungen als direkter Ersatz älterer NiCad-Einheiten zertifiziert.
In der bordseitigen Notfallanlage kommen vier Batteriechemien vor, die jeweils einer anderen Rolle zugeordnet sind, und es ist wichtig, sie nicht zu vermischen. Die Hauptschiffsbatterien älterer und aktueller Verkehrsflugzeuge sind überwiegend gewartete (vented) NiCd-Einheiten, geschätzt wegen hoher mechanischer Robustheit, hohen kurzzeitigen Stroms und der Toleranz gegenüber Missbrauch, die jedoch die bekannten Nachteile des Memory-Effekts, regelmäßiger tiefer Kapazitätsprüfungen sowie des Wasser- und Zellenabgleichs-Wartungsaufwands mit sich bringen; einige Flugzeuge verwenden ventilgeregelte Blei-Säure-Einheiten. Fest eingebaute wiederaufladbare Lithium-Hauptbatterien sind eine neuere Option, geregelt durch die Mindest-Betriebsleistungsnormen RTCA DO-311 und DO-311A und zugelassen unter FAA TSO-C179 (mit CAAC-Entsprechungen CTSO-C179), eingebaut nach den Hinweisen der AC 20-184A. Weil Lithium ein thermisches Durchgehen mit sich bringt, das NiCd und Blei-Säure nicht kennen, haben die Luftfahrtbehörden Sonderbedingungen für Lithium-Einbauten erlassen, und die viel beachteten Batterieereignisse von 2013 in der Boeing 787 veranschaulichen, warum die in DO-311 und unterstützenden NASA-Verfahren beschriebenen Tests zum thermischen Durchgehen auf Zellen-, Modul- und Systemebene ernst genommen werden. Die vierte Chemie ist Nickel-Metallhydrid, und hier definiert ein echtes, zertifiziertes Produkt die Rolle. Die Notbatterie-Versorgungen der Serien True Blue Power TS32 (32 Wattstunden) und TS56 (56 Wattstunden) nutzen NiMH-Chemie, um nach einem Ausfall der Hauptversorgung Gleichstrom für Notbeleuchtung und kritische Geräte bereitzustellen; sie sind nach TSO-C173a, RTCA DO-293A und RTCA DO-160G als direkter Eratz älterer NiCad-Einheiten von Herstellern wie Radiant in Anwendungen bei Embraer, Bombardier, Boeing und Airbus zertifiziert. Der Einsatz von NiMH beseitigt den Memory-Effekt der ersetzten NiCad-Einheiten, und Kapazitätsprüfungen sind nur noch alle zwei Jahre statt im früheren, häufigeren Intervall erforderlich. Das TS56 beispielsweise akzeptiert einen Eingang von 20–30 VDC, liefert einen Nennausgang von 24,6 VDC mit bis zu 3 A, wiegt etwa 2,9 lb und liefert in der Größenordnung von 132 Minuten bei einer Entladung mit 1 A. Die Positionierung ist bewusst gewählt und sollte klar ausgesprochen werden: Zertifiziertes NiMH ist für Notbeleuchtungs- und Kritische-Geräte-Versorgungen etabliert, wo sein wässriger, nicht brennbarer Kaliumhydroxid-Elektrolyt bedeutet, dass es kein Lithium-artiges thermisches Durchgehen zeigt; es wird nicht als hochstromige Triebwerksstart-Schiffsbatterie vermarktet – eine Rolle, die weiterhin NiCd und zunehmend zertifiziertes Lithium innehat.
Eine Luftfahrtbatterie erlebt keine gutartige Raumtemperaturwelt, und der Pack muss gegen die bordseitige Umgebung qualifiziert werden, die in RTCA DO-160 definiert ist, demselben Umgebungsnorm-Dokument, das neben den oben genannten Zertifizierungen der Notversorgung angeführt wird. Die relevanten Kategorien decken die Extreme ab, denen das Gerät an seinem Einbauort realistisch begegnet: weite Betriebs- und Lagertemperaturbereiche, von der Auskühlung in der Höhe und auf winterlichen Vorfeldern bis zu anhaltender Hitze in Geräteschächten und sonnenaufgeheizten Kabinen; der niedrige Druck und die reduzierte Kühlung in der Höhe, einschließlich des Verhaltens bei schneller Dekompression; das Vibrationsspektrum der Zelle; sowie Stoß- und Crashsicherheitsvorrichtungen. Diese Bedingungen wirken auf die Chemie auf Weisen, die der Konstrukteur beachten muss. NiMH-Zellen verlieren bei niedriger Temperatur ihre Ladungsaufnahme, weshalb das Laden auf ein Temperaturfenster beschränkt und von der Ladesteuerung verwaltet wird, statt in der Kälte erzwungen zu werden; in der Höhe muss der Pack bei reduziertem Druck sicher entlüften, ohne auszutrocknen oder Zellen zu verlieren; und die wässrige Chemie beseitigt zwar die Gefahr des thermischen Durchgehens wie bei Lithium, erfordert aber weiterhin Druckentlastungspfade sowie Schutz vor Kurzschluss und Überladung. Das Laderegime, das eine Notversorgung einsatzbereit hält – Konstantstromladung mit Terminierung durch negatives Delta-V (-dV/dt), einer Absicherung über die Temperaturanstiegsrate (dT/dt) und einer absoluten Temperaturabschaltung –, ist daher ebenso sehr auf die DO-160-Umgebung wie auf die Zyklenlebensdauer ausgelegt. Die gesonderte Notfunkbake (Emergency Locator Transmitter, ELT), die auf 406 MHz sendet und unter TSO-C126 zertifiziert ist, veranschaulicht dieselbe umgebungsseitige Disziplin mit ihrer eigenen Batterie: Ihr Pack wird in dem vom Hersteller angegebenen Intervall ersetzt, üblicherweise in der Größenordnung von fünf bis sechs Jahren, und im US-Betrieb nach FAR 91.207 muss er ersetzt werden, sobald die Bake mehr als eine kumulierte Stunde in Betrieb war.
Unser ingenieurtechnisches Vorgehen folgt direkt aus dem oben hergeleiteten Betriebsprofil. Wir behandeln die Versorgung von Notbeleuchtung und kritischen Geräten als eigenständiges Produkt gegenüber jeder hochstromigen Schiffsbatterie und legen sie gegen das zweiphasige Profil aus – den kurzen Wechselrichter-Anlass- und Schützimpuls sowie die lange niedrige Dauerentnahme – und nicht gegen einen einzigen Nennstrom. Die Zellen werden auf stabile Spannung unter der Dauerlast am Essential-Bus und auf geringe Selbstentladung ausgewählt, damit eine monatelang unberührt gelagerte Versorgung weiterhin volle Bereitschaft aufweist, wenn der Flugzeugbus sie abruft; der Aufbau mit geschweißten Stromfahnen und ein definierter Entlüftungspfad schützen vor den Vibrations- und Unterdruckbedingungen der DO-160, und die Ladesteuerung verwendet -dV/dt-Terminierung mit dT/dt-Absicherung und einer absoluten Temperaturabschaltung, damit der Pack ohne Überladung in voller Ladung gehalten wird. Weil die Chemie NiMH und nicht Lithium ist, birgt der Pack keine Gefahr des thermischen Durchgehens und fällt nicht unter das Lithium-Transportregime, was den Versand von Ersatzpacks an Linienwartungsstationen und Betreiberdepots erheblich vereinfacht. Jeder Pack wird mit einer rückverfolgbaren Nachweismappe geliefert – Zellleistungsdaten, Sicherheitsergebnisse für Nickelsysteme, eine Pack-Zeichnung mit Serienzellenzahl, geschweißten Fahnen, Entlüftung und etwaigem Thermoschutz, der Spezifikation der Ladesteuerung sowie einer Chemie-/Transport-Erklärung –, damit ein OEM oder ein Betreiber, der einen direkten Ersatz für eine ältere NiCad-Notversorgung sucht, diese mit einer vertretbaren Dossiergrundlage zertifizieren und einbauen kann und nicht mit einer ungestützten Behauptung.
Weijiang Power fertigt verschlossene Nickel-Metallhydrid-Zellen und darauf abgestimmte Industriepacks für Versorgungen von Notbeleuchtung und kritischen Geräten, neben einem breiten Spektrum industrieller NiMH-Packs für Transport-, Schiffs- und Medizingeräte, und liefert OEM- und Betreiberpartnern eine vollständige Nachweismappe: Zellleistungsberichte, Sicherheitsberichte zu Nickelsystemen, Charakterisierung für Hochstrom und niedrige Temperaturen, Pack-Zeichnungen mit geschweißten Fahnen, die Entlüftung und Thermoschutz ausweisen, die Mitvalidierung der Ladesteuerung sowie eine klare Nicht-Lithium-Transport-Erklärung. Senden Sie uns das Lastprofil Ihrer Notversorgung, den Anlassimpuls von Wechselrichter und Schütz, den Dauerstrom am Essential-Bus, die Temperatur- und Höhenhülle am Einbauort, die geforderte Überlebensdauer und die Normen, die das Gerät erfüllen muss; unsere Ingenieure werden einen Pack auslegen, qualifizieren und dokumentieren, der über Dienstjahre hinweg in voller Bereitschaft bleibt. Sehen Sie sich das Zellen- und Pack-Sortiment auf der Produktseite an.
