CN101107761B - 用于飞行器的能量缓冲设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于向飞行器中的消耗设备(14)供给能量的能量缓冲设备、一种用于飞行器的电系统以及一种用于在飞行器中缓冲能量的电力电容器的使用。通过使用能量缓冲设备，本发明使得可以进行大部分时间仅短时间接通的电消耗设备(14)的自给自足的工作。本发明还使得可以在飞行器上网络中发生电压击穿的情况下以缓冲器存储能量。能量供给在短时间内以相应高的功率进行，而无需将负荷加到飞行器上网络上。在很大程度上，功率从能量存储设备(10)提供。

Description

用于飞行器的能量缓冲设备

本申请要求了2005年1月19日提交的美国临时专利申请号60/644，914和2005年1月19日提交的德国专利申请号102005002545.5的优先权，它们的公开内容通过引用结合于此。

本发明涉及飞行器中的能量供给。具体而言，本发明涉及一种用于向飞行器中的消耗设备供给能量的能量缓冲设备。此外，本发明涉及一种用于飞行器的电系统以及电力电容器的使用。

目前，当在飞行器工程中确定发电机(generator)、电流分配器和电线的尺度时，主要根据所连接的电消耗设备的最大电流-功率需求来确定尺度。这意味着用于向飞行器供应电流的发电机、电流分配器和电线的尺度被确定为使得如果同时需要的话，飞行器上存在的所有电设备可被供给最大电流-功率需求。

在这种布置中，考虑了总峰值电流消耗之和。例如，电流分配网络的尺度被确定为使得提供各个设备的峰值电流的同时摄取，尽管这种同时摄取的概率是低的。因此，不利地，在这种用于飞行器的电系统的设计中，考虑了不使用的过容量，这使得飞行器的生产成本增加。

借助于智能控制系统，根据指定的逻辑，消耗设备可划分为诸优先级并且可根据当时的发电机负荷以及飞行阶段而接通或关断。例如，当装载或登上飞行器时，较为重要的是例如信息标牌的照明设备或提升设备的驱动器被接通，而在飞行期间，需要电流来操作例如为乘客加热食品的微波炉或自动咖啡机。尽管在确定电流分配系统的尺度时将这些电设备划分为诸优先级使得可能解决特定设备级的同时使用，然而这不避免基于各个设备的峰值负荷需求而进行的尺度确定。

很多电消耗设备常常仅暂时接通，例如用于小车(trolley)提升的提升驱动器或者例如用于箱柜或帽架箱柜的电提升驱动器。这种消耗设备的接通持续时间的范围常常是仅几秒到几分钟。如果这种设备的分配例如借助于上述优先级来进行，则有可能不能在需要时启动消耗设备，因为在此特定飞行阶段中，未提供该消耗设备的启动。

本发明的一个目的是在飞行器中提供有能力的且高效的能量供给。

根据本发明的一个实施例，上述目的可以借助于一种用于向飞行器中的消耗设备供给能量的能量缓冲设备来实现。该能量缓冲设备包括：至少一个能量存储设备、能量馈送设备、能量供给单元，其中，能量存储设备被设计成以电场存储第一能量。能量馈送设备将第一能量馈送到能量存储设备，且能量供给设备被设计成从能量存储设备提取第二能量并且将所述能量馈送到消耗设备。在这种布置中，与能量馈送设备相比，能量供给设备针对较高功率而设计。

以此方式，可以避免电系统中或飞行器上网络中的电流峰值。在这种布置中，能量馈送设备和能量供给设备的设计(该设计不同于功率的观点)考虑了与例如能量供给的情况相比，能量存储设备中的能量存储和能量消耗可以以较小的功率进行。例如，飞行器的飞行器上能量供给可以借助于发电机来提供。

如果能量存储设备是电存储设备，那么，在相同电压的情况下，到能量存储设备中的低功率输入意味着存在小的充电电流。对于小的充电电流，用于传输充电电流的可能的线系统可具有较小的横截面。以此方式，可以减小飞行器的重量。

另一方面，可能需要使来自存储设备的功率暂时地高。为此目的，必须将线系统的尺度确定为相应的大，具有大横截面。如果能量存储设备尽可能靠近消耗设备而定位，则整个功率线的重量可得以减小，因为只有一些线必须具有大的横截面。

通常，消耗设备借助于相应大尺度的线直接连接到发电机。这些线具有相应大的尺度，以暂时提供与大功率相应的大电流。因此，线系统可能变得沉重。如果能量存储设备非常靠近消耗设备而布置，则可以在相应较长的时间内使能量存储设备载有小电流。以此方式，线系统的尺度可以被确定为与小电流对应。然而，当取电流时，为了能够借助于相应大尺度的线来传输相应大的功率，需要相应大的电流。

然而，通过相应地非常靠近消耗设备而定位能量存储设备，可以缩短需要具有大尺度的线段的长度。以此方式，可以基于线所要求的材料的减少来优化重量。

在长的时间段内有效的低功率可以与在短的时间段内有效的高功率传输相同的能量。电消耗设备常常仅短时间接通。仅短时间接通的消耗设备的实例是用于小车提升器的提升驱动器或者用于箱柜或帽架的提升驱动器。

在飞行器中，帽架用于头上行李存放。为了更容易操作这些帽架，可以借助于如伺服电动机那样工作的电提升驱动器来操作这些帽架，从而使乘客更容易装载或关闭帽架。提升驱动器由于其提供关闭箱柜所需的力的一部分而支持帽架的使用者。为提供此支持，可能需要短时间的高功率。

通常，此所需的所有能量可取自能量存储设备，而无需首先将负荷加到发电机上。在能量被提取之前，能量存储设备可借助于发电机来被充电。这种充电可以以小电流在相应长的时间段内进行。因此可以操作被连接的电消耗设备，而类似地无需将负荷加到发电机上或飞行器上网络上。

从能量存储设备提取功率，能量存储设备被布置成非常靠近消耗设备而分散并定位。提取与“按需供电(power on demand)”类似地进行。在例如帽架的消耗设备工作之后，通常，有足够的时间可用来借助于小电流来给能量存储设备补充能量。由于在此期间，仅有来自飞行器上网络的低的最大电流消耗发生，排他地用于对能量存储设备充电，所以可以防止飞行器上网络中的电压峰值或电流峰值。电消耗设备的工作可以周期地或偶发地进行；然而，大部分时间，可以排他地从能量存储设备提供功率需求。

因为排他地从能量存储系统向消耗设备供给功率，所以可以在飞行器中使用更简单的功率管理，或者可以减轻飞行器的功率管理，因为不需要诸如优先级分配的消耗设备的任何分配。

根据本发明的又一实施例，可以在时间上独立于第一能量的供给而提取第二能量。

在时间上独立于馈送或供给能量使得当确定飞行器的电流系统的尺度时，与能量供给设备的情况相比，能量馈送设备可以针对较小的功率而设计。由于馈送和拾取在时间上独立，所以可以考虑统计参数。换句话说，这意味着例如消耗设备的工作必须以短的时间所需的峰值功率进行短的时间，而此后存在长的不使用暂停。此长的不使用暂停可用于重新对能量存储设备充电。可用于对能量存储设备充电的时间段比用于放电的时间段长，所以，与例如能量供给设备的情况相比，能量馈送设备必须针对较小的功率需求而确定尺度。

根据本发明的又一实施例，阐述了一种能量缓冲设备，其能量存储设备具有低电阻。

例如，低电阻的范围可以是0.001欧姆到例如0.002欧姆。为了向消耗设备提供大功率，可能需要使能量存储设备提供大电流。如果在此布置中，能量存储设备具有大电阻，那么所存储能量的一大部分被释放到电阻上。

具有低电阻的能量存储设备使得可以向消耗设备提供大功率。以此方式，可以高效地在短的时间段内提取在长的时间段内馈送到能量存储设备的低功率，作为具有小耗散功率的高服务输出。对于高电阻会转化成热的耗散功率由此被最小化。功率的转化和能量的存储可由此以小的损耗来进行。

低内部电阻使得能量存储设备能够处理大电流，并由此使得可以独立于飞行器上网络、以大起始电流/连续电流来操作消耗设备。仍以此方式，通过存储或缓冲峰值需求，最大需求的发电机性能被降低。

根据本发明的又一实施例，阐述了一种能量缓冲设备，其能量存储设备是电容器。

电容器可与低服务强度相关联。与电池或蓄电池相比(它们二者都具有大约1,000个充电周期的短服务寿命)，电容器具有大约500,000个充电周期。长服务寿命意味着由于服务工作而导致较短的停工时间。例如，电容器不必如电池或蓄电池那样频繁地更换。

与蓄电池或电池相比，电容器或电力电容器由于它们的小尺寸而提供改进的安装选项。电容器非常可靠，并因此可用于重要系统。由于电容器具有小的自放电，所以它们适合作为例如具有短的工作持续时间的消耗设备的备用电压源。电容器由此也可在能量缓冲设备中使用，以在供给到飞行器上系统的电流中断时进行接管。例如，以此方式，纵使发电机失效，也可以维持飞行器上计算机或飞行器上系统的工作，同样亦可以维持不间断电源(UPS)的工作。

通过扩展被连接的消耗设备在电源或电压源失效情况下的可工作性，可以改进飞行器上的安全性。类似地，电容器也可以替换用于例如机舱中的应急照明设备的各种系统的蓄电池工作的应急功率供给单元(EPSU)。

由于电容器或存储电容器的轻的固有重量，甚至在非常靠近消耗设备的本地安装的情况下，与例如EPSU相比也可实现重量优点。电容器的轻的固有重量在飞行器设计中产生了可能的额外重量节省。

根据本发明的又一实施例，能量缓冲设备可以被设计成向小车提升器或帽架箱柜的提升设备供给能量。常常地，用于小车提升器的提升驱动器或用于箱柜的提升驱动器仅短时间接通。这种消耗设备的接通持续时间的范围常常仅是几秒钟到几分钟。

如果这种设备直接连接到飞行器上电源的发电机，那么，在确定发电机或电流系统的尺度时将必须考虑这种设备的暂时高的峰值负荷需求。然而，依情况而定，所有消耗设备不必同时可获得能量。根据本发明的能量缓冲设备、尤其是电力电容器的使用使得可以简化或减轻飞行器的功率管理。

根据本发明的又一实施例，阐述了用于飞行器的电系统，该电系统使得可以借助于能量缓冲设备来向消耗设备供电，并且以此方式防止该电系统中电流峰值的发生。

根据本发明的又一实施例，阐述了一种用于在飞行器中缓冲能量的电力电容器的使用。电力电容器具有非常小的内部电阻，所以，它能够处理大电流。因此，它可以在短时间段内提供相对大的电流。由于电容器、电力电容器或存储电容器的轻的固有重量，甚至在本地安装(即非常靠近消耗设备而分散)的情况下，与蓄电池、电池或EPSU相比也可以实现重量优点。电容器由于其低自身放电而可以用作例如计算机系统的存储设备或缓冲器。类似地，由于基于电容器较轻固有重量的电消耗设备(例如电磁阀)的较大去耦合，还可以实现EMC区域的改进。负荷出现在消耗设备和电容器之间的分散位置，而在不使用电容器的情况下，所有负荷将作用在发电机上，其结果是EMC负荷将增大。

下面，参考下面的附图描述本发明的示范实施例：

图1示出了根据本发明的能量缓冲设备的实施例的框图。

图2示出了在用于飞行器的电系统中的根据本发明的能量缓冲设备的使用。

在图1和图2的下列描述中，相同的标号用于相同的或对应的元件。

图1示出了根据本发明的用于飞行器的电系统的实施例的框图。该图示出了向电消耗设备14供给功率的发电机2。在短的时间段，高功率12P_out被供给到电消耗设备14。在图1中，此高功率用粗箭头12表示。与被提供到消耗设备14的高功率12相对应，相关联的能量供给单元也将被设计成处理增大的功率。

电消耗设备14例如是用于小车提升器的提升驱动器或用于帽架箱柜的提升驱动器。帽架箱柜例如是客舱中的头上箱柜。为便于装载行李，可以借助于提升驱动器将帽架箱柜降低到大约乘客的眼睛高度。在装载行李之后，帽架箱柜被提升，以便向乘客提供较好的头上空隙。为了提升帽架箱柜，电动机被附装到帽架箱柜上的提升设备，该电动机以伺服电动机的方式来减小或完全提供关闭帽架箱柜所需的力。单独的提升设备可以提升高达60公斤。

在提升的短暂片刻期间，此短期提升需要相应的力。在机电换能器的情况下，此力与大电流或相应高的电功率相对应。借助于能量供给设备12，该高功率又可以从能量存储设备10提取。在能量存储设备10中相应高的充电或者相应短的提升持续时间和能量提取时间的情况下，提升所需的所有能量或功率可以从能量存储设备10提取。这意味着：由于所提取的能量，发电机2最初不承受负荷或者仅轻微地承受负荷。

在从能量存储设备10提取能量之后，在能量存储设备10中，所提取的能量需要被偿还。为此，能量从发电机2或从飞行器上网络提取。然而，有较长的时段可用于提取能量。用于对能量存储设备10充电的时间段比用于从能量存储设备10提取能量的时段长。由此可能发生的是，例如，必须在10秒的时段内提取200瓦的功率P_out12。为此，该能量存储设备必须占据大约2000瓦秒的容量。发电机可以以充电功率P_charge8提供此能量。例如，以此方式，可以在1000秒的时间段提供2瓦，以对能量存储设备10充电。馈送线系统8或能量馈送设备4可包括相应细的线。

在图1中，能量馈送设备4包括充电电子装置模块6，该模块控制充电或馈送到能量存储设备10的功率。在这种布置中，功率Pin20从发电机提取。充电电子装置模块6借助于馈送线8P_charge将此P_in20提供到能量存储设备。充电电子装置模块6根据能量存储设备10的充电状态来控制所供给的功率的范围。

由此可以实现这样的情况，其中，发电机2不必在短的时间段内提供相应高的功率，高输出功率P_out12就被提供到电消耗设备14。以此方式，与能量供给设备12的情况相比，能量馈送设备4可以针对较小的功率而确定尺度。

能量存储设备10可以非常靠近电消耗设备14而布置。以此方式，可以实现这样的布置，其中，仅必须在短距离提供用于能量供给设备12的粗线。

大部分时间仅短时间段接通的电消耗设备的自给自足的工作可以被维持。由于能量存储设备10的缓冲器效应，图1中所示的布置可用于在电压击穿的情况下存储能量。如果电消耗设备14例如是计算机系统，那么，在电压击穿的情况下，仍然可维持计算机工作，尽管发电机2不再能够提供能量。

电力电容器的紧凑布置以及电力电容器所需的适度控制努力使得可以对于现有的线网络容易地更新电力电容器。任何EPSU或蓄电池的调换可以容易地进行。

图2示出了在用于飞行器的电系统中的根据本发明的能量缓冲设备的使用。图2示出了被设计成向若干电消耗设备16供电的馈送线系统或能量馈送设备4。该图示出了电消耗设备16，在每种情况下都是三个成组。例如，消耗设备16可以是用于帽架箱柜的提升驱动器。在Airbus A380的情况下，可设想使用118个这种提升驱动器。

借助于能量供给设备12，每个三个帽架箱柜的组连接到能量存储设备10。图2示出了能量存储设备10非常靠近消耗设备16而定位。以此方式，能量供给设备12可以被保持为相应的短。能量供给设备12针对高功率而设计，这是为什么能量供给设备12的线具有相应大的线横截面的原因。然而，粗线还意味着材料需求的增大或重量的增大。由于此原因，为了减小飞行器中的电系统的总体重量，进行了使用最小可能数目的线并且使它们保持短而粗的尝试。

借助于能量供给设备4，能量存储设备10连接到发电机2。能量馈送线或能量馈送设备4相应的较长。然而，能量馈送设备4必须针对较低功率而优化。以此方式，线横截面可以保持相应的小，使得可以减小线系统的重量。

由于能量存储设备10的缓冲器效应，在消耗设备16的短期工作期间，电流的提取不直接将负荷加到发电机2上。由于电流的提取在相应长的时间间隔内发生，所以可以在较长的时间段内以较低功率对能量存储设备10充电。而且，不是所有消耗设备同时提取功率。因此，能量存储设备10不同时都被耗尽。借助于通过消耗设备16和发电机2之间的能量存储设备、电力电容器来缓冲能量，可发生经由系统的能量的改进分布。电系统或能量馈送设备4不需要被设计成处理整个潜在可能的峰值功率负荷。而且，电力电容器或存储设备10的使用使得可以避免借助于优先级控制系统来在特定飞行阶段有目标地关断消耗设备。由于此原因，在飞行的整个持续时间期间，消耗设备可以是可用的。

电容器可以在充足的时间段内，例如当飞行器处于停放位置时被充电，并且少量能量来自飞行器上网络。随后，可以在不将负荷加到飞行器上网络上的情况下操作被连接的电消耗设备，类似于“按需供电”。能够处理大电流并且具有小的自放电的电力电容器的工作可以以类似免维护的方式进行。电力电容器也可以替换例如用于飞行器中的应急照明装置的蓄电池、电池或EPSU。因为电力电容器与相当的蓄电池或电池相比具有较轻的重量，所以电力电容器也可对飞行器的重量减小有贡献。

除了向用于帽架箱柜的提升驱动器供给功率之外，发电机2或飞行器上网络2还可用来向其他消耗设备供给能量。在图2中，这由未更详细标明的线18表示。

另外，应当指出，“包括”不排除其他元件或步骤，且“一”或“一个”不排除复数。而且，应当指出，参考上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤相组合使用。权利要求中的标号不应解释为限定。

Claims (7)

1.一种用于向飞行器中的电能消耗设备供给能量的能量缓冲设备，包括：

至少一个电连接到充电电子装置模块(6)的能量存储设备(10)；

具有第一线横截面的第一线；

具有第二线横截面的第二线；

其中，所述能量存储设备(10)被设计成存储能量；

其中，所述充电电子装置模块(6)电连接到所述第一线；

其中，所述第一线被设计成将第一能量馈送到所述充电电子装置模块(6)；

其中，所述第一线横截面的大小是针对第一功率而设计的；

其中，所述能量存储设备通过所述第二线电连接到所述电能消耗设备；

其中，所述第二线被设计成从所述能量存储设备(10)提取第二能量并且将所述第二能量馈送到所述电能消耗设备(14)；

其中，所述第二线横截面的大小是针对第二功率而设计的；

其中，所述第一功率小于所述第二功率；以及

其中，所述第一线横截面比所述第二线横截面小。

2.如权利要求1所述的能量缓冲设备，其中，

能够在时间上独立于所述第一能量的供给而提取所述第二能量。

3.如权利要求1或2所述的能量缓冲设备，其中，

所述能量存储设备(10)具有0.001至0.002欧姆的低电阻。

4.如权利要求1或2所述的能量缓冲设备，其中，

所述能量存储设备(10)是电容器。

5.如权利要求1或2所述的能量缓冲设备，其中，

所述能量缓冲设备被设计成向帽架箱柜供给能量。

6.如权利要求1或2所述的能量缓冲设备，其中，

所述能量缓冲设备被设计成向小车提升器供给能量。

7.一种用于飞行器的电系统，包括：

能量缓冲设备；以及

电能消耗设备(14)；

其中，所述能量缓冲设备包括：

至少一个电连接到充电电子装置模块(6)的能量存储设备(10)；

具有第一线横截面的第一线；

具有第二线横截面的第二线；

其中，所述能量存储设备(12)被设计成存储能量；

其中，所述充电电子装置模块(6)电连接到所述第一线；

其中，所述第一线被设计成将第一能量馈送到所述充电电子装置模块(6)；

其中，所述第一线横截面的大小是针对第一功率而设计的；

其中，所述能量存储设备通过所述第二线电连接到所述电能消耗设备(14)；

其中，所述第二线被设计成从所述能量存储设备(10)提取第二能量并且将所述第二能量馈送到所述电能消耗设备(14)；

其中，所述第二线横截面的大小是针对第二功率而设计的；

其中，所述第一功率小于所述第二功率；

其中，所述第一线横截面比所述第二线横截面小；以及

其中，所述能量缓冲设备被设计成避免电系统中的电流峰值。

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