CN102083686A - 包括作为能量来源的燃料电池的用于飞行器的轮驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞行器的轮驱动系统，包括至少一个电机(8)以及作为用于电机(8)的能量来源的至少一个燃料电池(20)，其中，电机可以耦联到飞行器的至少一个起落架(2)的至少一个轮(4，6)。根据本发明的轮驱动系统减少了燃料消耗并且减少了CO2和污染物——主要为一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物——的排放。因为仅当到达起落跑道时才需使用主驱动机构，所以人员、车辆和其它的飞行器不会受到飞行器滑行期间的喷管排放的危及。而且，根据本发明的轮驱动系统的操作还与低量的噪声污染相关联。

Description

包括作为能量来源的燃料电池的用于飞行器的轮驱动系统
技术领域
本发明涉及用于飞行器的轮驱动系统、轮驱动系统在飞行器中的应用、以及具有轮驱动系统的飞行器和作为用于轮驱动系统的能量供应的燃料电池在飞行器中的应用。
背景技术
通常，利用牵引车和/或利用飞行器的主发动机的推力来实现飞行器在停放位置与起落跑道之间的滑行。特别是，需要牵引车用以使飞行器退出(“后推出”)其停放位置(“机头向内”)。利用低推力下的主发动机实现向起飞位置的滑行以及从降落点到停放位置的滑行。在可替代的过程中，利用牵引车将飞行器牵引到靠近起飞位置的位置，从而可以在尽可能最迟的时间起动飞行器的主发动机。
作为替代，WO 2006/138267 A2提出了借助于电机选择性地以向前或倒退的模式驱动飞行器的起落架。在这种情况下，利用辅助动力单元(APU)实现电机的动力供应。
在用于使飞行器滑行到起落跑道的普遍过程中，因为主发动机需要产生滑行所需的推力并且主发动机的效率在低功率时相对较差，所以消耗相对大量的燃料。这还与大量的CO2排放相关联。机场操作人员和附近的居民受到大量的废气排放、特别是碳氢化合物和一氧化碳的影响。另外，人员、车辆和其它的飞行器会受到主发动机的喷气(“喷气”)的危及。由主发动机产生的噪声也是一负担。由于延长的运转时间而导致增加了发动机的维护成本。此外，需用到牵引车以便使飞行器滑行出停放位置，从而增加了操作成本。
在用于飞行器滑行的可替代的过程中，更长时间地使用牵引车，从而使得在机场需用到更多的牵引车。在满燃料箱的飞行器中，可以达到的牵引速度也相对较慢，从而可能在滑行交通中发生堵塞。此外，为了操作特别是空气调节系统，需确保飞行器的动力供应和空气供应。例如，可以利用牵引车实现这种供应，但是这将降低牵引能力。还可以选择性地利用APU实现该供应，但是这将导致大量的噪声和废气排放。另外，在许多机场限制或甚至禁止APU的使用。此外，APU的操作时间直接增加了APU的维护成本。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于飞行器的轮驱动系统，所述用于飞行器的轮驱动系统包括特别是使得可以减少废气和噪声排放的相应的能量来源。另外，本发明的目的包括防止主发动机和APU的操作时间延长和维护成本增加。
该目的是利用用于飞行器的轮驱动系统来解决，该轮驱动系统包括至少一个电机以及作为用于电机的能量来源的至少一个燃料电池，其中，电机能够耦联到飞行器的至少一个起落架的至少一个轮。
作为机载电能来源的燃料电池可以取代APU的一些或全部功能。除了电力以外，燃料电池自身不会产生污染物、噪声或CO2作为副产品，而只产生水。如果借助于“转化”过程从飞行器中的煤油获得氢，则仅产生有限量的废气。另外，燃料电池的效率高于传统的APU的效率，从而燃料电池的使用导致了更少的燃料消耗。与通过APU进行供应相比，根据本发明的轮驱动系统由此使机动化起落架的使用更加经济、环保并且更加具有吸引力。在具有关于APU操作的限制的机场中，仍然可以以不受限制的方式采用利用燃料电池操作的起落架电机。
在有利的改进中，电机设计成用于产生与轮的旋转方向相反的扭矩，以便使飞行器减速。例如，这可以通过如下的方式实现，即：在减速并且储存在适当的设备中减速时所产生的能量的同时将电机作为发动机操作。通过利用适当地选择和设置尺寸的电机以受控的方式在相反方向上产生扭矩还可以在不利的地面条件下控制紧急减速，从而特别是可以使起落架上的热应力最小化。这样减轻了传统的飞行器起落架制动器上的压力，从而可以减少它们的磨损以及维护的频率。
本发明的轮驱动系统的优选实施方式还包括控制单元，用于控制由电机产生或吸收的扭矩。例如，这样使得可以实现集成为所谓的“自动制动脱离跑道”(brake-to-vacate)系统，在该系统中将制动动力优化成起到使飞行器在降落后能够可靠地到达预定滑行道的效果。
在根据本发明的轮驱动系统的优选实施方式中，电机在发电机模式中将电能输送到至少一个储存单元和/或至少一个用电设备。由于在发电机模式中所产生的电能的储存，因此减少了飞行器中的电能的总消耗。
在特别优选的轮驱动系统中，利用至少一个电容器实现储存单元。该电容器可以包括所谓的“超级电容器”，由于超级电容器的高电容，其能够在尽可能最短的时间内储存大量的电能。储存在电容器中的电能可以同样快速地被再次提取，从而本发明的轮驱动系统特别地适于在飞行器的电气系统的峰值负荷期间提高来自于燃料电池的能量供应。
在根据本发明的轮驱动系统的另一有利的实施方式中，利用电解设备实现储存单元。例如，该电解设备用于从水获得氢和氧，其中，所获得的氢如果相应地进行储存则可以随后用于燃料电池的操作。在这种情况下，电解设备可以包括所述燃料电池或如下的燃料电池，即：该燃料电池不用于产生电能，而是利用电能和所供应的水，以便以燃料电池的逆过程从所供应的水中分离两个元素氢和氧。但是，根据本发明的轮驱动系统并不仅限于电容器、电解设备或其它储存单元的使用，而是可以并联地使用所有类型的已知的储存单元。这不仅使得可以补偿电气负荷峰值，而且同时可以产生用于燃料电池的操作的氢。
还特别优选地提供水储存设备，用于容纳来自于燃料电池的水。在燃料电池中作为燃烧产物产生的水是非常干净的，从而其能够例如用于冷却设备或者如果进行相应地处理则可以作为饮用水。
特别优选地向电解设备供以来自于水储存设备的水。因此，在常规的燃料电池过程期间收集的水可以在制动时——在电机作为发电机操作期间——被再利用并且再次分离为氢和氧。这样能够消除从机上水供应系统抽取用于电解设备的水的需求，从而使得可以免除其它的线路和阀。在燃料电池中产生的水能够可替代地或附加地用于冷却起落架的传统制动器，其中，水可以喷射到制动器上并在其上蒸发。
优选的轮驱动系统设计成用于减少对其它的电力用电设备的电能供应，以便增加对电机的电能供应。如果用于驱动起落架所需功率仅略低于燃料电池的最大功率，则利用适当的控制可减少对其它用电设备的电能供应，其中，特别地可以在滑行时以节能模式操作用于飞行器机舱的空气调节的空气调节系统。在热天气下，通过在滑行前将飞行器机舱中的温度调节为比平常略低，从而当完成滑行时不会超出舒适的温度范围，使得由于以节能模式运行的空气调节系统所导致的舒适度的损失最小化。在冷天气下，还可以利用燃料电池的废热来加热机舱。可以利用前述的控制单元或其它适当的控制单元实现用电设备的控制。
在根据本发明的轮驱动系统的优选实施方式中，能够借助于齿轮传动装置将电机耦联到轮，其中，设置在传动链中的扭矩传感器可以连接到控制单元。例如，利用多个链齿轮实现在起落架的电机与驱动轮之间的齿轮传动装置。还可以想到可替代地或者与之结合地使用传统的齿轮传动装置。如果需要，齿轮传动装置可以实现为使其能够切换到多个不同的传动比，以便以较高的速度行进长的距离。齿轮传动装置还可以切换回到较高的传动比，以便将飞行器从静止加速到低速。这样提供了如下的优点，即：电机在最佳的速度范围内操作，从而使它能够具有较小的尺寸。设置在位于电机与轮之间的传动链中的扭矩传感器使得可以确定在加速或减速时的相应的扭矩，从而控制单元能够确定制动时的制动动力并且控制滑行模式中所供应的电能。另外，关于实际扭矩的信息在用于实现自动滑行的引导系统的操作中是有用的，因为能够以预先和节能的方式控制加速和制动过程。
另外，滑行驱动可以用于从移动站、控制站或者从塔台远程控制飞行器。
该目的可以利用轮驱动系统的应用以及具有至少一个本发明的轮驱动系统的飞行器来进一步解决。
附图说明
从下面的示例性实施方式的描述以及附图能够得到本发明的其它特征、优点和可能的应用。就此而言，所描述的和/或所图示的全部特征单独地或以任意组合的方式——即无论是它们是独立权利要求中的组成还是引用其它权利要求——形成了本发明的目的。在附图中，通过相同的附图标记标出同样的或相应的物体。其示出：
图1：根据本发明的轮驱动系统的概览图；
图2a+b：用于根据本发明的轮驱动系统的双燃料电池构造；以及
图3：在电解模式中的燃料电池。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的轮驱动系统的一个可能实施方式的概览图。除了诸如轮4和6、轮胎、减震器、锁止机构、收起机构、襟翼、制动器和应急释放弹簧等常规组件以外，起落架2还包括如下组件：电机8、齿轮传动装置10以及控制和测量电子器件/传感器16。电机8经由齿轮传动装置10耦联到轮4和6。扭矩传感器16用于确定由电机8产生或吸收的扭矩。例如，所确定的扭矩值可以用于优化制动过程或加速过程并因此优化电能供应。
电机8连接于控制单元18，该控制单元18控制从燃料电池20向电机8且可选地向其它用电设备的电能供应以及向燃料电池20的电能供应。在滑行模式下，控制单元18使电能从燃料电池20发送到电机8，从而可以驱动轮4和6。在飞行器的地面操作期间，例如，也可以通过控制单元18从燃料电池20选择性地向环境控制系统22和其它电力用电设备24供应电能。如果燃料电池20的功率输出仅略低于电机8所消耗的功率，则控制单元18减少对环境控制系统22和用电设备24的电能供应，从而使它们以节能模式操作。
图2a大致示出了用于根据本发明的轮驱动系统的燃料电池的构造。在所示的实施方式中，向燃料电池20供应借助于“转化装置”28从煤油30获得的氢26。除了煤油30以外，向燃料电池20供应空气32，从而在燃料电池20的操作期间除了水34以外还产生电能36、热38和废气40。由于煤油的较高的利用率，因此可以免除用于气态氢的储存设备的附加重量。但是，燃料电池20的操作不限于从燃料中产生的氢，而是还可以从单独的储存设备供应氢，该储存设备在飞行器的地面停留期间在地面上重新补给或者借助于电解过程填充。在这种情况下，可以借助于燃料电池20以燃料电池的逆过程来执行该电解过程。通过利用纯氢可以避免废气40。
图2b示出了第二可能的构造，其中氢26和大气中的氧32被直接用于燃料电池20的操作。该系统以混合动力系统的形式实现。燃料电池20使得能够提供用于起落架驱动所需的能量并且保持电池或超级电容器12充电。所示的电池或超级电容器的连接是以并联方式实现。但是，该目的也可以通过将至少一个燃料电池耦联到至少一个电池或电容器而以串联的方式实现。
电池或超级电容器12使得能够提供用于加速的另外的能量。电机8也可以起到制动器的作用。在这种情况下，电机可以以发电机的形式实现并且能量能够回到电池或超级电容器12。如果电机8以AC(交流)电机的形式实现，则有利地将逆变器14集成到该系统中，该逆变器用于将来自于电池或超级电容器12的DC(直流)电压进行转变。类似地，为了调节用于使电池或超级电容器12充电以及用于操作电机8的最优电压，明智地或必须采用DC-DC(直流-直流)转换器15。
图3示出了作为电解设备的燃料电池20的操作的概览图。向燃料电池20供应水34和电能36。在燃料电池20内，水34被分解为其基本组成——氢26和氧，其中，氢26可以储存在储存单元42中。该储存单元42在燃料电池20的传统操作期间可以再次供应氢26，即附加或替代从燃料30获得的氢或者与先前储存的氢相结合。
根据本发明的轮驱动系统导致了很多优点。电机的能量需求低于主发动机的能量需求，特别是由于主发动机在低推力下的低效率。这样使得可以直接减少燃料的消耗并因此减少成本，并且可以减少CO2和污染物——主要是一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物——的排放。另外，因为直到到达起落跑道才需起动主发动机，所以人员、车辆和其它的飞行器不会受到飞行器滑行时的喷气的危及。从停放位置的退出不需要牵引车，从而在不提供牵引车或为了取得很短的周转时间(turnaround times)的情况下能够实现自主滑行模式，并且提高了飞行器及机场(停放空间的可用性)的生产率。还有利地借助于电子引导系统来集成该控制，从而还可以远程地将飞行器引导到可用的起落跑道。
因为利用燃料电池向电机供应动力，由于燃料电池与辅助动力单元(APU)相比具有较高的效率，所以也显著地降低了能量需求。不会产生噪声、微尘，也不会产生废气——除了转化过程。因此，该系统还可以在限制或禁止APU操作的机场中操作。
而且燃料电池需要较少的维护，从而免除了用于APU或主发动机的操作的高维护成本。电机的发电机模式使其可以实现制动效果，从而还可以额外地减少制动盘的磨损并因此减少微尘的排放。在停放位置，现有的地面动力供应可以用于产生氢，其随后借助于以逆向模式操作的燃料电池用作燃料。
除了上述的优点，还可以将起落架的轮加速到适当的周向速度，从而可以减少轮胎的磨损。
另外应当指出，“包括”并不排除其它元件或步骤，并且“一个”或者“一种”不排除多个的情况。另外应当指出，参照上面的示例性实施方式中的一个描述的特征也可以用于和上述其它的示例性实施方式中的其它特征进行结合。权利要求中的附图标记不应视作是对保护范围的限制。
附图标记列表
2    起落架
4    轮
6    轮
8    电机
10   齿轮传动装置
12   电池/超级电容器
14   逆变器
15   DC-DC转换器
16   扭矩传感器
18   控制单元
20   燃料电池
22   环境控制系统
24   电力用电设备
26   氢
28   转化装置
30   煤油
32   空气
34   水
36   电力
38   热
40   废气
42   储存单元
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种飞行器，包括：
至少一个电机(8)；和
至少一个燃料电池(20)，所述至少一个燃料电池(20)作为用于所述电机(8)的能量来源；
控制单元(18)，所述控制单元(18)用于控制由所述电机(8)产生或吸收的扭矩；以及
至少一个起落架(2)；
其中，所述电机(8)能够耦联到所述起落架(2)的至少一个轮(4、6)；
其中，所述电机(8)设计成用于产生与所述轮的旋转方向相反的扭矩，以便使所述飞行器减速；
其中，所述电机(8)在发电机模式中向至少一个储存单元和/或至少一个用电设备(24)输送电能；并且
其中，利用水电解设备实现所述储存单元。
2.如权利要求1所述的飞行器，其中，利用所述燃料电池(20)实现所述电解设备。
3.如权利要求1或2所述的飞行器，还包括水储存设备，所述水储存设备用于容纳来自于所述燃料电池(20)的水。
4.如前述权利要求中任一项所述的飞行器，其中，所述电解设备被供以来自于所述水储存设备的水。
5.如前述权利要求中任一项所述的飞行器，其中，所述控制单元(18)适于启动对所述飞行器的其它电力用电设备(24)的电能供应的减少，以便增加对所述电机(8)的电能供应。
6.如前述权利要求中任一项所述的飞行器，其中，所述控制单元(18)适于在滑行前基于外部温度来调节所述飞行器的机舱中的温度，即以如下的方式：使得尽管对环境控制系统(22)进行节流也不会在整个滑行过程期间超出舒适的温度范围。
7.如前述权利要求中任一项所述的飞行器，其中，所述电机(8)能够借助于齿轮传动装置(10)耦联到所述轮(4、6)，并且其中，设置在传动链中的扭矩传感器(16)能够连接到所述控制单元(18)。
8.用于操作飞行器的轮驱动系统的燃料电池(20)的应用。

Claims (10)

1.一种用于飞行器的轮驱动系统，包括：
至少一个电机(8)；和
至少一个燃料电池(20)，所述至少一个燃料电池(20)作为用于所述电机(8)的能量来源；和
控制单元(18)，所述控制单元(18)用于控制由所述电机(8)产生或吸收的扭矩；
其中，所述电机(8)能够耦联到所述飞行器的至少一个起落架(2)的至少一个轮(4、6)；
其中，所述电机(8)设计成用于产生与所述轮的旋转方向相反的扭矩，以便使所述飞行器减速；
其中，所述电机(8)在发电机模式中向至少一个储存单元和/或至少一个用电设备(24)输送电能；并且
其中，利用电解设备实现所述储存单元。
2.如权利要求1所述的轮驱动系统，其中，利用至少一个电容器和/或至少一个电池实现所述储存单元。
3.如权利要求1或2所述的轮驱动系统，其中，利用所述燃料电池(20)实现所述电解设备。
4.如前述权利要求中任一项所述的轮驱动系统，还包括水储存设备，所述水储存设备用于容纳来自于所述燃料电池(20)的水。
5.如前述权利要求中任一项所述的轮驱动系统，其中，所述电解设备被供以来自于所述水储存设备的水。
6.如前述权利要求中任一项所述的轮驱动系统，其中，对所述飞行器的其它电力用电设备(24)的电能供应减少，以便增加对所述电机(8)的电能供应。
7.如前述权利要求中任一项所述的轮驱动系统，其中，所述控制单元(18)设计成用于在滑行前基于外部温度来调节机舱温度，即以如下的方式：使得尽管对环境控制系统(22)进行节流也不会在整个滑行过程期间超出舒适的温度范围。
8.如前述权利要求中任一项所述的轮驱动系统，其中，所述电机(8)能够借助于齿轮传动装置(10)耦联到所述轮(4、6)，并且其中，设置在传动链中的扭矩传感器(16)能够连接到所述控制单元(18)。
9.轮驱动系统的使用，包括：
至少一个电机(8)；
至少一个燃料电池(20)，所述至少一个燃料电池(20)作为用于所述电机(8)的能量来源；以及
控制单元(18)，所述控制单元(18)用于控制由所述电机(8)产生或吸收的扭矩；
其中，所述电机(8)能够耦联到所述飞行器的至少一个起落架(2)的至少一个轮(4、6)；
其中，所述电机(8)设计成用于产生与所述轮的旋转方向相反的扭矩，以便使所述飞行器减速；
其中，所述电机(8)在发电机模式中向至少一个储存单元和/或至少一个用电设备(24)输送电能；并且
其中，利用电解设备实现所述储存单元。
10.一种包括轮驱动系统的飞行器，包括：
至少一个电机(8)；
至少一个燃料电池(20)，所述至少一个燃料电池(20)作为用于所述电机(8)的能量来源；以及
控制单元(18)，所述控制单元(18)用于控制由所述电机(8)产生或吸收的扭矩；
其中，所述电机(8)能够耦联到所述飞行器的至少一个起落架(2)的至少一个轮(4、6)；
其中，所述电机(8)设计成用于产生与所述轮的旋转方向相反的扭矩，以便使所述飞行器减速；
其中，所述电机(8)在发电机模式中向至少一个储存单元和/或至少一个用电设备(24)输送电能；并且
其中，利用电解设备实现所述储存单元。
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