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航空器电源
1.1概述
电源的用途
（1）电能转换成热能：
如厨房用电、电热防冰类负载；
（2）给电子设备供电：
如计算机、显示器、传感器、控制器等；
（3）电能转换成机械能：
如电动油泵、电动机、电磁活门等；
（4）照明：
如驾驶舱、客舱照明，航行灯、着陆灯等
磁动势F=IW，单位：
安匝。
涡流：
感应电流，其方向与磁通垂直，满足右螺旋关系，会使铁心发热；p∝d2。
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减小p的措施：
①加入硅，增大电阻；②作成薄片。
航空器电源主要有两种形式：
一种是直流电源，一种是交流电源
直流发电机容量较小，一般为十几kW，电压采用低压28V
交流发电机容量较大，目前单机容量已超过150kVA，电压为115/200V。
B的单位：
特斯拉（T=韦/米2）；H的单位：
安/米，与介质无关；μ的单位：
亨/米。
电源系统的组成
飞机电源系统主要由电源、控制及保护装置和供电网络等组成
飞机电源主要有：
主电源、辅助电源、应急电源、二次电源和地面电源
主电源：
是指由航空器发动机驱动的发电机提供的电源。
辅助电源：
是指APU驱动的发电机或机载电瓶提供的电源，飞机在地面或空中主发电机失效时，可以由APU发电机或电瓶提供电源。
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应急电源：
在飞行中主电源失效时，飞机主要设备由应急电源供电。
应急电源有机载电瓶、变流机（器）、冲压空气涡轮发电机（RAT）、液压驱动发电机（HDG）等。
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地面电源：
飞机在地面时，由地面电源车或静变电源（逆变器）向飞机供电。
二次电源：
是将主电源的电能转变为另一种形式或规格的电能，以满足不同用电设备的需要。
如变压整流器（TRU）和变流机（器）（INV），前者将115/200V的交流电变成28V直流电，后者将28V直流电变成115V交流电。
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电源的控制包括：
对发电机进行调压、发电机的励磁控制、发电机输出控制、发电机并联控制和汇流条控制等。
设置的主要保护项目有：
交流电源系统：
过压（OV）、欠压（UV）、过频（OF）、欠频（UF）、过流（OC）、差动（DP）保护等，并联供电还有过激（OE）、欠激（UE）和同步汇流条保护等；文档收集自网络，仅用于个人学习
直流电源系统：
过压（OV）、欠压（UV）、反流保护等。
供电网络是指将电能输送到负载的电网，它包括汇流条、电源分配系统、过流（短路）保护器（跳开关）等。
1.2直流电源系统
1.2.1直流发电机
1.2.2调压器
1.2.3反流割断器
1.2.4直流电源的并联供电
1.2.5直流电源系统的优缺点
1.2.6直流电源系统的质量要求
1.2.1直流发电机
常用的航空直流发电机有两种形式
一种是直流发电机（DCgenerator）
一种是交流-直流发电机（DCalternator）
直流发电机的结构图1
典型的飞机直流发电机其结构主要由定子、转子、整流子（换向器）、电刷组件等部分组成。
直流发电机的结构
定子：
定子主要由磁极、励磁线圈、电刷组件和壳体组成。
图2
磁极和励磁线圈：
用来产生磁场；
壳体的作用：
一是为磁极产生的磁场提供磁通路，二是作为发电机的机械结构，用于安装其它部件和固定发电机。
壳体由铁磁材料构成。
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电刷组件：
连接电枢绕组和外电路
直流发电机的结构
定子结构图图3
转子：
转子由铁心、电枢线圈、换向器和转轴组成。
电枢线圈在转子转动时，切割磁力线，产生交流电动势。
每个电枢线圈的两端按规定的顺序连接在换向器上。
换向器和电刷组件的作用：
是将电枢线圈产生的交流电
转换成直流电，由电刷输出。
直流发电机的结构
根据励磁线圈的接线不同，直流发电机可以分为串励式、并励式和复励式。
直流发电机的励磁方式
串励式
串励式发电机：
励磁线圈与负载电路串联，励磁电流随负载的增加（电阻减小）而增大，使发电机输出电压上升。
要维持电压不变，可在励磁线圈两端并联一可变电阻（调压器）分流一部分励磁电流。
这种发电机多用在恒速恒负载或负载启动电流大的负载情况下。
其缺点是电压调整困难，因此飞机上一般不使用。
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并励发电机的励磁电流小，电压调整相对容易，一般小型飞机都采用这种发电机。
复励发电机兼有串励和并励发电机的特点，常用于直流启动发电机。
直流发电机的励磁方式
并励式复励式
电枢磁场：
当接通发电机负载时，电枢线圈中就有电流流过。
根据电磁定律，在电枢线圈中就会产生磁场，该磁场称为电枢磁场。
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直流发电机的电枢反应
电枢磁场与主磁场（由励磁线圈产生）相互作用，使主磁场发生扭曲，如图合成磁场。
磁场扭曲程度随发电机输出电流的增大而增大。
主磁场畸变除了降低发电机效率外，还使换向时（电枢线圈中的电流随转子旋转而快速改变方向的现象称为换向）产生火花，严重时会烧坏整流子和电刷。
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励磁磁场：
没有电枢电流（发电机不输出）时的磁力线分布情况；
电枢磁场：
表示发电机没有励磁，只有电枢电流产生的磁场。
两个磁场同时存在时，电流产生的磁场对主磁场产生的影响，这种影响称为电枢反应。
直流发电机的电枢反应
解决电枢反应的方法：
⑴是电刷架可调；
使电刷安装在合成磁场的中性面上。
但当发电机输出电流变化时，产生的磁场强度也改变，磁场中性面的位置也会发生变化。
一般将电刷调定在发电机输出额定电流时文档收集自网络，仅用于个人学习
的中性面位置上，但当发电机的负载
电流偏离额定值时换向会产生火花。
小型发电机一般采用调整电刷位置的方法。
直流发电机的电枢反应
解决电枢反应的方法：
⑵增加换向磁极，换向磁极线圈与电枢线圈串联。
换向磁极线圈与电枢线圈串联。
输出电流越大，产生的换向磁场就越强，用于抵消电枢反应的影响。
较大的发电机一般采用换向磁极的方法或两种方法都采用。
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直流发电机的电枢反应
为了克服直流发电机换向困难（尤其是在高空）、换向时产生火花及换向器和电刷的维护工作量大的缺点，可以采用交流-直流发电机。
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基本原理：
采用交流发电机，交流发电机发出的交流电经二极管整流后变成直流电，再输送到飞机电网供负载使用。
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交流-直流发电机
交流-直流发电机组成：
转子、定子和整流器
交流-直流发电机的组成
交流-直流发电机转子定子
交流-直流发电机的全波整流电路
与直流发电机相反，交流-直流发电机的励磁线圈装在转子上，励磁电流通过电刷和滑环加到励磁线圈上。
因此磁场是转动的，由于输入的是直流电，所以没有换向问题。
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三相星型联接的电枢线圈装在定子上，三相交流电通过6只整流二极管全波整流成直流电后输出。
图中F1为励磁线圈，装在转子上，三相电枢线圈和整流二极管装在定子上。
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直流发电机主要有以下几方面的优点：
能作为启动发电机用。
启动发动机时，用作电动机，发动机启动后转为发电机状态，一机两用，从而减轻机载设备的重量。
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改变励磁方式可以做成不同特性的发电机或电动机。
直流发电机也有以下缺点：
高空时由于湿度低，换向困难，电刷磨损严重。
换向时产生火花，对机载电子设备产生干扰；换向器和电刷磨损大，维护工作量大。
结构复杂，重量重。
两种直流发电机的优缺点
交流-直流发电机有以下优点：
结构简单，重量轻。
无机械换向装置，高空性能良好，工作可靠，维护工作量小。
主要缺点有：
不能作为启动-发电机用。
过载能力较差。
两种直流发电机的优缺点
飞机直流电源的额定电压为28V，但当负载变化或发电机转速改变时，电压将偏离额定值，因此，必须有调压器来自动调整发电机的励磁电流，以保持输出电压恒定。
增加发电机的励磁电流，发电机输出电压增高，反之则减小。
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常用的调压器有：
振动式调压器、炭片调压器和晶体管调压器等。
（1）电磁铁——用于敏感发电机的电压。
电磁线圈并联在发电机输出端，电压越高，电磁铁产生的电磁吸力越大。
电磁铁的作用是要拉开触点。
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（2）弹簧——弹簧的作用是要使触点闭合。
（3）触点——触点闭合，使电阻短路，励磁电流增大，发电机电压升高。
（4）电阻——触点断开时，将电阻串入励磁线圈，使励磁电流减小，发电机电压下降。
振动式调压器的组成
振动式调压器的原理图
振动式调压器的工作原理
当发电机开始转动时，发电机自激发电。
此时由于发电机电压低，电磁铁吸力小，弹簧的拉力大于电磁铁的吸力，使触点闭合，励磁电流上升，发电机输出电压上升。
当发电机电压上升到一定值（大于额定值）时，电磁铁吸力大于弹簧拉力，触点打开，这时电阻串入到励磁线圈中，使励磁电流下降，发电机电压下降。
当发电机输出电压下降到一定值（小于额定电压）时，弹簧拉力又大于电磁铁吸力，触点合上，将电阻短路，发电机电压上升…。
如此循环，使发电机电压恒定在28V。
调整弹簧拉力，就能调整发电机的输出电压值。
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这种调压器主要用于小型发电机，其优点是结构简单，重量轻。
缺点是触点频繁开合，容易磨损和产生干扰；发电机输出电压有微小波动。
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振动式调压器的工作波形
为克服振动式调压器机械触点开合引起的问题，可以采用无触点开关，即用大功率晶体管代替机械触点
晶体管调压器具有调压精度高、体积小、重量轻、工作可靠等优点，目前被大多数飞机所采用。
晶体管调压器
晶体管调压器的原理图
电路主要由两部分组成
（1）电压敏感电路—由电阻R3、R4、R5和电容C2组成。
（2）开关放大电路—由三极管T1、T2和二极管D1、D2及电阻R1、R2组成。
晶体管调压器的工作原理
晶体管调压器的工作原理与振动式调压器基本相同。
当发电机电压低于一定电压时，稳压管Z2截止→T1截止→T2导通，电源“＋”端通过D1、T2加到励磁线圈的F2端，再回到电源的“－”端，使发电机电压上升。
当电压上升到一定值时，Z2击穿导通→T1导通→T2截止，励磁线圈断电，（励磁线圈中的反电势通过续流二极管D3释放），发电机输出电压下降。
当电压下降到一定值时，Z2又截止……。
如此循环，使发电机输出电压保持在额定值上。
当负载增大时，T2的导通时间变长，截止时间变短，以维持输出电压不变。
调整R4，就能调定发电机的输出电压值。
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C1为负反馈电容，用于提高调压的稳定性。
二极管D4的作用是防止发电机极性接反，起到保护调压器的作用。
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炭片调压器
晶体管调压器和振动式调压器都采用通断励磁电流来调节发电机电压，这会引起发电机电压在小范围内波动，从而影响动态稳定性。
是否能在励磁电路中串联一个可变电阻，通过改变可变电阻值来改变励磁电流，从而使发电机输出电压的波动减小？
回答是肯定的，炭片调压器就是采用了上述原理文档收集自网络，仅用于个人学习
炭片调压器各组成部分及功用如下：
（1）炭柱—由一片一片炭片叠成，炭柱电阻的大小与加在炭柱上的压力成反比，压力越大，电阻越小。
炭柱上所受的压力等于弹簧压力减去电磁吸力。
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炭片调压器的原理图及功用
（2）弹簧—弹簧的作用是压紧炭柱，使炭柱电阻减小。
（3）电磁铁—电磁铁产生的电磁力的作用是拉松炭柱，使炭柱电阻增加。
（4）调节电位器或调节螺钉—用于调整电磁铁的电流，从而调整发电机的额定输出电压。
当电压升高时→电磁拉力增大→炭柱被拉松→电阻增大→励磁电流减小→电压下降；当电压下降时→电磁拉力下降→炭柱被压紧→电阻减小→励磁电流增大→电压升高。
这样就可以使电压保持恒定。
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炭片调压器一般用于大功率直流发电机中。
炭片调压器的工作原理简述
当某些原因造成发电机电压低于电瓶电压时，电瓶电流就会倒流入发电机，使发电机变成电动机。
这样会导致电瓶电能在很短的时间内耗尽，失去应急电源的功能，给飞行安全带来隐患，这是绝对不允许的。
因此，直流电源系统都装有反流割断器，当出现反流时，及时切断发电机输出与电瓶的联系。
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反流割断器的组成及原理图
反流割断器主要由电磁铁和一个触点组成。
直流电源并联供电的条件：
（1）发电机极性相同；
（2）发电机输出电压相同。
并联供电主要有以下优点：
（1）供电质量高。
并联供电时电网总容量增大，当负载突变时，对电网造成的扰动小。
（2）供电可靠性高。
在并联供电系统中，各发电机互为备用，当其中一台发电机故障时，不会对电网上的用电设备造成影响，可以实现不间断供电。
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由于直流电源并联控制比较简单，两台及以上直流发电机多采用并联供电。
负载均衡原理
飞机上一般采用同容量的发电机并联，并联运行时要求各台发电机承担的负载要相同，以防止有的发电机过载、有的发电机欠载的情况。
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虽然在飞机上一般都采用同型号的发电机和调压器，但由于发电机及调压器的特性和安装不可避免地存在一定的差异，因此并联供电时负载分配一般是不均衡的，这就需要采取措施来均衡负载。
调压器不同，均衡措施也不同。
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炭片调压器均衡电路
在均衡线圈之间必须装一个开关，便于发电机单独供电时调压器的正常工作。
晶体管调压器均衡电路
在均衡电阻之间必须装一个开关，便于发电机单独供电时调压器的正常工作。
1、直流电运系统的优点
2、直流电源系统的缺点
直流电源系统的优点
（1）直流电能可以用电瓶储存，使飞机在失去主电源后，能由电瓶供电而安全着陆；
（2）容易实现并联供电，提高供电质量；
（3）直流电源系统供电简单，只需一根导线，另一端接机体；
（4）供电电压低（28V），对人员比较安全；
（5）直流电机的起动力矩比交流电机大；且能实现启动机和发电机合二为一，从而减轻重量；
（6）控制保护设备简单；
（7）对小型飞机来说，电源系统的重量相对比较轻；
直流电源系统的缺点
（1）高空换向困难（对直流发电机）；
（2）产生噪音和干扰（电刷和换向器）；
（3）电压变换困难，变换效率低；
（4）功率小，一般不超过13.5kW；
（5）由于电压低，配电导线粗，重量重（对较大容量发电机）；
（6）功率/重量比小，直流-启动发电机的功率/重量比仅为0.7，而变频交流电源为2.5，恒速恒频交流电源为1.9。
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主电源系统（V）
应急电源系统（V）
电源汇流条电压
26-29
20-29
允许电压降
－2/＋0
－2/＋0
正常电压范围
24-29
－
应急电压范围
—
18-29
过欠压保护
±3（21-32）
－
电压波动
＜2
为了飞行安全，适航条例规定，所有运输机必须有直流应急电源系统（电瓶），并保证在主电源失效后至少能飞行半小时。
在飞机上安装的直流电源系统必须满足航空电源的要求（ISO1540），直流电源系统应分为主电源系统和应急电源系统。
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1.3航空蓄电池
航空蓄电池（或称电瓶）是任何运输飞机必须安装的设备。
它的功用主要有：
（1）在直流电源系统中，切换大负载时起到维持系统电压稳定的作用；
（2）用于启动发动机或APU；
（3）在应急情况下（主电源失效），向重要的飞行仪表和导航等设备供电，保证飞机安全着陆。
根据电解液性质不同，航空蓄电池分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。
飞机上常用的酸性蓄电池为铅蓄电池，其电解液为稀硫酸;碱性蓄电池主要为镍镉蓄电池，其电解液为氢氧化钾溶液。
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航空蓄电池由多个单体电池串联而成，它们置于蓄电池箱内。
单体电池由容器、正极板、负极板、隔板和电解液构成。
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航空蓄电池的构造
电瓶的容量是指电瓶从充满电状态以一定电流放电到放电终止电压所放出的电量。
放电终止电压是指电瓶以一定电流在25℃环境温度下放电至能反复充电使用的最低电压。
电瓶的容量
铅酸电瓶单体电池放电终止电压为1.8V（5小时放电）。
飞机上使用的铅酸电瓶一般由12个单体电池组成，因此铅酸电瓶放电终止电压为21.6V；文档收集自网络，仅用于个人学习
碱性电瓶的终止电压为每单元电池1V，碱性电瓶由19个或20个单体电池组成，终止总电压为19V或20V。
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电瓶的容量用安培小时（Ah）来表示。
1个安培小时是指电瓶用1A电流向负载放电可持续放电1小时。
电瓶的容量
理论上讲，1个100Ah的电瓶用100A放电能放一个小时，50A可以放电2小时，20A可以放电5个小时。
实际上，这一结论对于碱性电瓶基本上是正确的（碱性电瓶内阻很小）。
而对于酸性电瓶，大电流放电时由于极板迅速被硫酸铅覆盖，使电瓶内阻增加，电瓶容量迅速下降，这是酸性电瓶的主要缺点之一。
例如，一个25Ah的电瓶用5A放电能放5个小时，用48A放电只能维持20分钟，容量仅为16Ah，如用140A放电仅为5分钟放完，电瓶的容量下降到11.7Ah。
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为了准确定义酸性电瓶的容量，一般采用
5小时放电准则，即让一个充满电的电瓶用5小时放完。
如一个40Ah的电瓶，用8A放电，应能持续5个小时。
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主要有四个方面：
（1）极板活性物质的多少；
（2）极板面积的大小；
（3）电解液的多少（密度一定时）；
（4）温度。
增加活性物质的数量，增大极板面积并有足够的电解液，电瓶的容量将增加；温度下降，则电瓶的容量也下降。
随着充放电次数的增加，电瓶容量会逐步下降，一般当容量低于额定容量的85％时，就不能装上飞机使用。
影响电瓶容量的因素
⒈结构
任何化学电池都由电极、电解液、隔板、电池容器及附件组成。
航空铅酸电池由12个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为2.1V。
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单体电池的极板由铅-锑合金栅架组成，其中锑含量约在7％~10％。
正极板上涂有糊状的二氧化铅（PbO2），负极板上涂有金属铅（Pb）。
二氧化铅和铅都是参与化学反应的有效材料，称为活性物质。
为充分利用活性物质，极板多为疏松多孔状，以便电解液渗入。
正负极板间的隔板由多孔的高绝缘性能材料制成。
电解液为稀硫酸（H2SO4）。
为减小重量，航空蓄电池的电解液数量相对较少，而浓度相应增加，密度为1.280~1.300g/cm3（25℃）。
因为单体电池的内阻随正负极板的距离变大而迅速变大，为减小内阻，极板之间的隔隙应尽可能小。
单体电池装在防酸容器中。
由于电池工作时，有气体逸出，所以每个单体电池上方装有泄气阀，用于排出气体，但电解液不会因飞机机动飞行而溅出。
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铅蓄电池
⒉铅酸蓄电池的原理
当正负极板全部被PbSO4覆盖后，电池放电完毕。
由于在放电过程中产生了水，使电解液比重不断下降，放电完毕时的电解液比重约为1.150g/cm3。
因此，可以用测量电解液的比重来判别电池的状态。
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铅蓄电池
⒉铅酸蓄电池的原理
⒊充电状态的判别
电池放电时，只能放到电池放电终止电压（1.8V），否则将影响电池的容量和寿命。
充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足电，但也不能过充。
判断是否充足电可用以下三个方面来衡量：
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（1）单体电池电压达到最大值（2.1V）（开路电压）并保持恒定；
（2）电解液比重不上升并维持不变；
（3）电池开始冒气泡。
铅蓄电池
⒊充电状态的判别
用电解液比重来衡量电瓶充放电状态是比较可靠的方法。
用比重计测量时，应考虑温度的影响。
在27℃（80℉）时，比重计读出的数不需要补偿。
电解液温度
修正值
℃
℉
60
140
0.024
55
130
0.020
49
120
0.016
43
110
0.012
38
100
0.008
33
90
0.004
27
80
0
23
70
－0.004
15
60
－0.008
10
50
－0.012
5
40
－0.016
－2
30
－0.020
－7
20
－0.024
－13
10
－0.028
－18
0
－0.032
－23
－10
－0.036
－28
－20
－0.040
－35
－30
－0.044
飞机常用的碱性蓄电池为镍镉蓄电池。
镍隔蓄电池与铅酸蓄电池相比，具有比能大、自放电小、低温性能好、耐过充电和耐过放电能力强、寿命长、内阻小、维护性好等优点，尤其是大电流放电时，电压平稳，非常适合于启动发动机等短时大电流放电场合。
目前大多数运输机上都采用碱性电瓶。
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碱性蓄电池
⒈结构
镍镉蓄电池由20个或19个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为1.22V。
单体电池的基本结构与铅蓄电池相同。
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碱性蓄电池
镍镉蓄电池正极板为活性物质三价镍的氢氧化物（NickelOxyHydroxide）（NiOOH），负极板为镉（Cd）。
电解液为氢氧化钾（KOH）水溶液（30%氢氧化钾和70%的水），KOH的密度为1.24~1.30g/cm3。
每个单体电池上安装有泄气阀，泄气阀开启压力范围为2~10PSI（13.8~69Kpa）。
当蓄电池充放电时，尤其是过充时，会产生气体，当气体压力大于2个PSI时，泄气阀打开，否则会引起电瓶爆裂。
另外，蓄电池还装有温度保护开关，当蓄电池温度超过130℉（54.44℃）时切断蓄电池的充电电源。
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由于碱性电瓶在低温充放电时，如充电电压不变，会引起充电不足或放电容量下降。
某些碱性电池上装有低温敏感开关和加热装置，当温度低于30℉（－2℃）时，接通加热电路，当温度达40℉（5℃）时断开。
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⒉碱性蓄电池的原理
碱性蓄电池
⒉碱性蓄电池的原理
碱性蓄电池
电解液KOH没有参与化学反应，仅起到了导电作用
⒊充电状态的判别
电池放电时，只能放到放电终止电压1V（单体），否则将影响电池的容量和寿命。
充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足，但也不能长时间过充。
由于碱性电瓶的电解液不参加化学反应，电解液比重基本不变，因此不能象铅酸电瓶一样用测量电解液比重的方法来判断充电状态。
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在实际使用中，可以利用充电电流和时间来确定电瓶是否充足。
碱性蓄电池
⒊充电状态的判别
将放完电的电瓶用恒流充电法充电，充电的安时数大约为电瓶额定容量的140％。
大多数碱性电瓶要求采用二阶段恒流充电法。
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碱性蓄电池
⒋碱性电瓶容量的确定
当电瓶容量低于额定容量的85％时，电瓶就不能重新装上飞机。
碱性电瓶的容量只能用放电的方法来确定。
碱性蓄电池
1．恒压充电方式（ConstantPotential）
2．恒流充电方式（ConstentCurrent）
3．恒流恒压充电方式
4．快速充电方式（Reflex）
5．浮充电
充电方式
1．恒压充电（ConstantPotential）
恒压充电是指在充电过程中，
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