CN105691610B - 用于直升机的混合动力系统及具有其的直升机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直升机的混合动力系统及具有其的直升机，所述用于直升机的混合动力系统包括发动机、动力电池、ISG电机和尾桨电机，所述ISG电机与所述动力电池电气连接，且与所述发动机机械连接，且所述发动机和所述ISG电机中的至少一个输出的动力适于输出给所述直升机的主旋翼；所述尾桨电机分别与所述动力电池和所述ISG电机电气连接，且所述尾桨电机输出的动力适于输出给所述直升机的尾桨。根据本发明实施例的用于直升机的混合动力系统，控制灵活、安全性能高且节油。
Description
技术领域
本发明涉及航天航空领域，具体而言，涉及一种用于直升机的混合动力系统及具有该混合动力系统的直升机。
背景技术
在航天航空领域，尤其是在通航领域，活塞发动机有着广阔的前景，随着直升机对于高燃油经济性、高功重比发动机的需求，直升机多电化成为未来发展方向。
相关技术中，直升机的尾桨通过发动机驱动，传动系统复杂，尾桨所需功率在整个直升机功率比重最高可以达到20％，以一个安装了70kw发动机的直升机来说，驱动尾桨所需功率最高将达到14kw，这对发动机提出了更高的要求，且尾桨控制灵活性和机动性差，同时整个直升机的重量大，不利于多电化，存在改进空间。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种控制灵活、节约能源的用于直升机的混合动力系统。
本发明还提供了一种节能、安全性高的直升机。
根据本发明第一方面实施例的用于直升机的混合动力系统，包括：发动机；动力电池；ISG电机，所述ISG电机与所述动力电池电气连接，且所述ISG电机与所述发动机机械连接，且所述发动机和所述ISG电机中的至少一个输出的动力适于输出给所述直升机的主旋翼；尾桨电机，所述尾桨电机分别与所述动力电池和所述ISG电机电气连接，且所述尾桨电机输出的动力适于输出给所述直升机的尾桨。
根据本发明实施例的用于直升机的混合动力系统，可根据直升机的具体工况，控制发动机、ISG电机和尾桨电机处于不同的工作状态，控制灵活，且尾桨通过尾桨电机驱动，无需设置传动部件，重量轻，利于节油。
根据本发明的一个实施例，用于直升机的混合动力系统还包括离合装置，所述离合装置与所述ISG电机相连以可选择性地将所述发动机和所述ISG电机中的至少一个输出的动力输出给所述直升机的主旋翼。
根据本发明的一个实施例，所述发动机的飞轮与所述ISG电机的转子集成为一体。
根据本发明的一个实施例，所述ISG电机的定子上设有冷却水套。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有快速起动模式；所述混合动力系统处于所述快速起动模式时，所述动力电池给所述ISG电机供电，所述ISG电机驱动所述发动机起动。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有第一混联驱动模式；所述混合动力系统处于所述第一混联驱动模式且所述动力电池的SOC大于第一阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能全部用于驱动所述尾桨电机。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有第二混联驱动模式；所述混合动力系统处于所述第二混联驱动模式且所述动力电池的SOC小于第二阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能用于驱动所述尾桨电机和为所述动力电池充电
根据本发明的一个实施例，其中所述第二阈值小于所述第一阈值。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有第一并联驱动模式；所述混合动力系统处于所述第一并联驱动模式，且动力电池的SOC大于等于第三阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述发动机输出的动力全部用于驱动所述直升机的主旋翼，所述动力电池给所述尾桨电机供电。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有第二并联驱动模式；所述混合动力系统处于所述第二并联驱动模式，且动力电池的SOC小于第三阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能全部用于驱动所述尾桨电机。
根据本发明的一个实施例，所述混合动力系统具有纯电动模式；所述混合动力系统处于所述纯电动模式时，所述发动机不工作，所述离合装置接合，所述动力电池为所述ISG电机和所述尾桨电机供电，所述ISG电机为电动机，所述ISG电机适于带动所述发动机起动且适于驱动所述直升机的主旋翼。
根据本发明第二方面实施例的直升机，包括第一方面所述的用于直升机的混合动力系统。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于直升机的混合动力系统的结构示意图。
附图标记：
直升机1000、
混合动力系统100、尾桨200、主旋翼300、
发动机1、
动力电池2、
ISG电机3、
尾桨电机4、
离合装置5、
逆变器6、
稳压器7、
ECU8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
直升机1000包括主旋翼300和尾桨200，主旋翼300和尾桨200用于驱动直升机1000飞行。下面参照图1描述根据本发明实施例的用于直升机1000的混合动力系统100，如图1所示，用于直升机1000的混合动力系统100包括发动机1、动力电池2、ISG电机3和尾桨电机4。
ISG电机3与动力电池2电气连接，且ISG电机3与发动机1机械连接，可以理解的是，发动机1为活塞发动机，ISG电机3既可以作为电动机带动发动机1起动，也可以作为发电机，在发动机1的带动下发电。当ISG电机3作为电动机时，动力电池2为其提供电能，当ISG电机3作为发电机时，ISG电机3所发电能也可以为动力电池2充电。
发动机1和ISG电机3中的至少一个输出的动力适于输出给直升机1000的主旋翼300，也就是说，发动机1输出的动力可以单独驱动直升机1000的主旋翼300，ISG电机3输出的动力也可以单独驱动直升机1000的主旋翼300，发动机1输出的动力和ISG电机3输出的动力耦合后也可驱动直升机1000的主旋翼300。
尾桨电机4与动力电池2电气连接，尾桨电机4与ISG电机3电气连接，且尾桨电机4输出的动力适于输出给直升机1000的尾桨200，也就是说，动力电池2可以为尾桨电机4提供电能，以便尾桨电机4驱动尾桨200，ISG电机3作为发电机时，ISG电机3也可以为尾桨电机4提供电能，以便尾桨电机4驱动尾桨200。
直升机1000工作时，直升机1000的控制器，例如ECU8，可以根据直升机1000的工作状态，以及动力电池2的SOC值，控制发动机1、ISG电机3以及尾桨电机4的工作状态。具体地，尾桨电机4所需电能可以通过ISG电机3从发动机1获取功率发电得到，也可以直接由动力电池2提供；发动机1功率可以提供给主旋翼300，也可以通过ISG电机3发电提供给尾桨电机4或者为动力电池2充电。
根据本发明实施例的用于直升机1000的混合动力系统100，发动机1由ISG电机3快速起动，避开了发动机1起动时的恶劣工况，能提高燃油经济性，通过尾桨电机4驱动尾桨200，无需设置传动机构，重量轻，满足轻量化需求，节能效果好。
此外，尾桨200通过尾桨电机4驱动，将可以采用变转速的形式为直升机1000提供平衡拉力，控制更加灵活，能够根据直升机1000实际工况，采用动力电池2或者ISG电机3供电，保证发动机1工作在经济性最优的工况，从而实现节油。
进一步地，由于在地面上减少了怠速、暖车、慢车状态的过渡时间，在空中加快了直升机1000的速度响应。直升机1000采用尾桨电机4驱动尾桨200后，当需要进行快速机动时，可以暂时停止ISG电机3发电以保证发动机1对主旋翼300产生足够动力，而尾桨200采用动力电池2供电，从而提高直升机1000的机动性。
当直升机1000发生空中发动机1停车时，由于ISG电机3具有足够的电动能力，将对发动机1实现空中紧急起动；当直升机1000发动机1空中停车，且紧急起动失败后，为了尽量降低损害，利用ISG电机3驱动主旋翼300以提供一定的升力保证直升机1000安全迫降。
因此，根据本发明实施例的用于直升机1000的混合动力系统100，可以根据直升机1000面临的不同工况，实现主旋翼300通过发动机1和ISG电机3中的至少一个驱动，动力电池2或ISG电机3为尾桨电机4提供电能，以实现尾桨200的驱动，最终完成直升机1000的快速起动、正常平飞、快速机动飞行以及发动机1故障时的安全降落和安全飞行，同时控制灵活、重量轻、安全性能好且节能节油。
下面参照图1详细描述根据本发明实施例的用于直升机1000的混合动力系统100。如图1所示，用于直升机1000的混合动力系统100包括发动机1、动力电池2、ISG电机3、尾桨电机4、ECU8、离合装置5、变速器(图未示出)、逆变器6和稳压器7。
发动机1与ISG电机3机械连接，ISG电机3与离合装置5相连，以可选择性地将发动机1和ISG电机3中的至少一个输出的动力输出给直升机1000的主旋翼300。可选地，离合装置5为离合器。
可以理解的是，离合装置5的接合和断开，可以实现ISG电机3与主旋翼300的机械连接的连接和切断，从而直升机1000可以根据直升机1000的具体工况，可选择性地驱动主旋翼300。由此，控制更加精确，且更加节省能源。
进一步地，为了更好地控制主旋翼300的速度，离合装置5与主旋翼300之间可以连接有变速器，也就是说，ISG电机3通过离合装置5与变速器可选择性地相连。
优选地，发动机1的飞轮与ISG电机3的转子集成为一体，也就是说，发动机1的飞轮布置在ISG电机3的转子上，从而简化了发动机1的结构，既能减少发动机1的扭矩波动，还能完成发动机1的机械能与ISG电机3的电能的双向转换，且ISG电机3直接安装于发动机1的曲轴，减重效果好，同时可提高发电效率。
进一步优选地，ISG电机3的定子上设有冷却水套，从而实现ISG电机3的水冷，提升ISG电机3的效率，间接延长ISG电机3的使用寿命，且提升ISG电机3的安全性。
动力电池2分别与ISG电机3和尾桨电机4电气相连，动力电池2与ISG电机3之间可以设置有逆变器6和稳压器7，也就是说，ISG电机3通过逆变器6和稳压器7与动力电池2电气连接，并通过PWM(脉冲宽度调制)控制,从而实现起动和恒压发电的功能。
下面参照图1详细描述根据本发明实施例的用于直升机1000的混合动力系统100的工作过程及工作模式：
其中，发动机1、动力电池2、ISG电机3、尾桨电机4、离合装置5、变速器、逆变器6均与ECU8相连，以将各自的工作状态输出给ECU8，以便ECU8根据工况，判断并控制混合动力系统100的工作模式。
根据直升机1000的不同工况，用于直升机1000的混合动力系统100具有如下工作模式：快速起动模式、第一混联驱动模式、第二混联驱动模式、第一并联驱动模式、第二并联驱动模式和纯电动模式。
1)快速起动模式
混合动力系统100处于快速起动模式时，动力电池2给ISG电机3供电，ISG电机3驱动发动机1起动，也就是说，此时ISG电机3作为电动机使用。
具体地，当直升机1000的操纵员发出起动指令时，ECU8根据指令控制ISG电机3快速起动发动机1，使发动机1达到怠速转速，可以理解的是，当发动机1达到怠速转速后，ISG电机3可以由电动状态转换为发电状态。
2)第一混联驱动模式
混合动力系统100处于第一混联驱动模式，且动力电池2的SOC(电池剩余电量)大于第一阈值时，发动机1工作，离合装置5接合，ISG电机3为发电机。
发动机1输出的功率的一部分用于驱动ISG电机3发电，且ISG电机3输出的电能全部用于驱动尾桨电机4，尾桨电机4输出的动力驱动尾桨200工作。此时动力电池2的电量充足，ISG电机3发出的电能无需为动力电池2充电。
发动机1输出的功率的另一部分通过离合装置5输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现直升机1000的飞行。
该模式适用于直升机1000正常平飞时，即适用于直升机1000基本在同一高度飞行时，且适用于发动机1处于慢车或者额定工作状态时。
3)第二混联驱动模式
混合动力系统100处于第二混联驱动模式，且动力电池2的SOC小于第二阈值时，发动机1工作，离合装置5接合，ISG电机3为发电机。
发动机1输出的功率的一部分用于驱动ISG电机3发电，且ISG电机3输出的电能一部分用于驱动尾桨电机4，尾桨电机4输出的动力驱动尾桨200工作，且ISG电机3输出的电能的另一部分用于为动力电池2充电，此时动力电池2的电量不充足，ISG电机3发出的电能不仅需要为尾桨电机4供电，还需为动力电池2充电。
发动机1输出的功率的另一部分通过离合装置5输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现直升机1000的飞行。
该模式，适用于直升机1000正常平飞时，即适用于直升机1000基本在同一高度飞行时，且适用于发动机1处于慢车或者额定工作状态时。
优选地，第二阈值小于第一阈值，通过上述的描述可知，ISG电机3作为发电机，即ISG电机3工作在发电状态时，ISG电机3是否为动力电池2充电需要根据动力电池2的SOC值进行滞环控制，即当动力电池2的SOC值低于第二阈值时，ISG电机3给动力电池2充电，直到SOC值超过第一阈值时，ISG电机3停止给动力电池2充电，ISG发出的电能全部提供给尾桨电机4，此过程需要ECU8调节发动机1的喷油量以满足功率切换。
4)第一并联驱动模式
混合动力系统100处于第一并联驱动模式，且动力电池2的SOC大于等于第三阈值时，发动机1工作，离合装置5接合，发动机1输出的动力全部用于驱动直升机1000的主旋翼300，动力电池2给尾桨电机4供电，尾桨电机4输出的动力驱动尾桨200工作。
该模式适用于直升机1000的快速机动工况，可提高直升机1000的机动性能。
该模式下，ECU8控制发动机1进入额定工况，并且为主旋翼300提供足够功率，此时若动力电池2的SOC值大于等于第三阈值时，ISG电机3停止发电，ISG电机3随发动机1空转，尾桨电机4所需的电能全部由动力电池2提供。
5)第二并联驱动模式
混合动力系统100处于第二并联驱动模式，且动力电池2的SOC小于第三阈值时，发动机1工作，离合装置5接合，ISG电机3为发电机。
发动机1输出的功率的一部分用于驱动ISG电机3发电，且ISG电机3输出的电能全部用于驱动尾桨电机4，无需为动力电池2充电，尾桨电机4输出的动力驱动尾桨200工作。
发动机1输出的功率的另一部分通过离合装置5输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现直升机1000的飞行。
该模式，适用于直升机1000的快速机动工况，可提高直升机1000的机动性能。
该模式下，ECU8控制发动机1进入额定工况，并且为主旋翼300提供足够功率，此时若动力电池2的SOC值小于第三阈值时，ISG电机3发电，且尾桨电机4所需的电能全部由ISG电机3提供。
6)纯电动模式
混合动力系统100处于纯电动模式时，发动机1不工作，离合装置5接合，动力电池2同时为ISG电机3和尾桨电机4供电，ISG电机3适于带动发动机1起动且适于驱动直升机1000的主旋翼300。
该模式适用于发动机1发生故障，发生空中停车时，此时将直接由动力电池2为尾桨电机4和ISG电机3供电，尾桨电机4输出的动力驱动尾桨200工作，为了保证直升机1000的安全，此时ISG电机3一边尝试再次起动发动机1，一边直接驱动主旋翼300为直升机1000提供一定的升力保证其安全降落，当多次起动失败后，发动机1的气门全开以减少阻力矩，便于ISG电机3驱动主旋翼300工作，使直升机1000能够以较小的速度平稳着陆。
通过上述描述可知，第一阈值是动力电池2的停止充电的SOC值，第二阈值是动力电池2的开始充电的SOC值,第三阈值是动力电池2的保护的SOC值。由于在不同工况，混合动力系统100对于是否为动力电池2充电的需求是不一样的，而不完全由三个阈值决定，因此在ECU8调度控制过程中，规定直升机1000工况的优先级排序从高到低如下：1、发动机1空中停车或紧急故障；2、直升机1000起飞爬坡或快速机动；3、额定工作状态；4、怠速、暖车、慢车等地面状态。
下面简单描述一下根据本发明实施例的直升机1000，该直升机1000包括上述的用于直升机1000的混合动力系统100，从而具有节能环保，燃油经济性高，安全性能高，且重量轻，控制灵活等优点。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种用于直升机的混合动力系统，其特征在于，包括：
发动机；
动力电池；
ISG电机，所述ISG电机与所述动力电池电气连接，且所述ISG电机与所述发动机机械连接，且所述发动机和所述ISG电机中的至少一个输出的动力适于输出给所述直升机的主旋翼；
尾桨电机，所述尾桨电机分别与所述动力电池和所述ISG电机电气连接，且所述尾桨电机输出的动力适于输出给所述直升机的尾桨；
离合装置，所述离合装置与所述ISG电机相连以可选择性地将所述发动机和所述ISG电机中的至少一个输出的动力输出给所述直升机的主旋翼；
所述发动机的飞轮与所述ISG电机的转子集成为一体。
2.根据权利要求1所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述ISG电机的定子上设有冷却水套。
3.根据权利要求1或2所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有快速起动模式；
所述混合动力系统处于所述快速起动模式时，所述动力电池给所述ISG电机供电，所述ISG电机驱动所述发动机起动。
4.根据权利要求1或2所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有第一混联驱动模式；
所述混合动力系统处于所述第一混联驱动模式且所述动力电池的SOC大于第一阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能全部用于驱动所述尾桨电机。
5.根据权利要求4所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有第二混联驱动模式；
所述混合动力系统处于所述第二混联驱动模式且所述动力电池的SOC小于第二阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能用于驱动所述尾桨电机和为所述动力电池充电。
6.根据权利要求5所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，其中所述第二阈值小于所述第一阈值。
7.根据权利要求1或2所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有第一并联驱动模式；
所述混合动力系统处于所述第一并联驱动模式，且动力电池的SOC大于等于第三阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述发动机输出的动力全部用于驱动所述直升机的主旋翼，所述动力电池给所述尾桨电机供电。
8.根据权利要求1或2所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有第二并联驱动模式；
所述混合动力系统处于所述第二并联驱动模式，且动力电池的SOC小于第三阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述ISG电机为发电机，且所述ISG电机输出的电能全部用于驱动所述尾桨电机。
9.根据权利要求1或2所述的用于直升机的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统具有纯电动模式；
所述混合动力系统处于所述纯电动模式时，所述发动机不工作，所述离合装置接合，所述动力电池为所述ISG电机和所述尾桨电机供电，所述ISG电机为电动机，所述ISG电机适于带动所述发动机起动且适于驱动所述直升机的主旋翼。
10.一种直升机，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项的用于直升机的混合动力系统。
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