CN105794081A - 用于控制向飞行器的功率系统供应功率的方法 - Google Patents
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Abstract
用于控制向具有多个功率消耗组件的飞行器的功率系统供应功率的方法包括采用具有功率输出的发电机将功率供应到功率系统，确定功率系统的功率需求，以及将功率供应到功率消耗组件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请在35U.S.C.§119下要求2013年9月9日提交的国际申请号PCT/US2013/058743的优先权，其公开通过引用全部合并于本文中。
技术背景
功率系统，特别是飞行器中的功率系统，管理从功率源，比如电池或者发电机，供应功率到电力负荷。在飞行器中，燃气涡轮发动机用于飞行器的推进，并且通常提供机械功率，其最终供电多个不同配件，比如发电机、起动器/发电机、永磁发电机(PMA)、燃料泵和液压泵，例如用于除了推进之外在飞行器上所需的功能的设备。例如，当代飞行器需要电功率用于航空电子设备、马达和其他电气设备。耦合有燃气涡轮发动机的发电机将发动机的机械功率转化为需要供电配件的电能。
发明内容
控制向具有多个功率消耗组件的飞行器的功率系统供应功率的方法，其中一些具有暂时功率需求，从而导致功率系统具有暂态功率需求以及非暂时功率需求。该方法包含：采用发电机向功率系统供应功率，该发电机具有预定功率输出，其不能够对于暂态功率需求提供充足功率；确定功率系统的暂时功率需求；将所确定的暂时功率需求与预定功率输出比较；确定暂时功率需求超过预定功率输出；以及响应于暂时功率需求超过预定功率输出的确定将附加功率从非电池功率源供应给功率系统。
附图说明
在附图中：
图1为根据本发明一个实施例的飞行器以及功率系统的自顶向下的示意图。
图2为根据本发明一个实施例的功率系统的示意图。
图3为根据本发明一个实施例的功率系统的双混合能量系统的示意图。
图4为根据本发明一个实施例示出功率系统的暂时功率响应的图。
具体实施方式
本发明的所述实施例针对飞行器的电功率系统，其实现从涡轮发动机，优选地为燃气涡轮发动机，生产电功率。
如图1所示，示出飞行器2，具有至少一个燃气涡轮发动机，示为左发动机系统12和右发动机系统14。备选地，功率系统可以具有更少或者附加的发动机系统。左和右发动机系统12、14可以基本上相同，并且示为进一步包括功率源，例如双混合能源系统(DHES)16以及至少一个电机，例如发电机18。飞行器示为进一步包括多个功率消耗组件，例如，致动器负载26、飞行临界负载27、和非飞行临界负载28。电力负载26、27、28的每一个都与功率源16、18的至少一个电耦合，使得负载26、27、28通过源16、18供电。
在飞行器2中，操作左和右发动机系统12、14提供了机械能，其可以经由线轴(spool)提取，以便为发电机18提供驱动力。发电机18，除了DHES16之外，又将所生成功率提供给电力负载26、27、28用于负载操作。将理解，虽然本发明的一个实施方式在飞行器环境中示出，但是本发明不被如此限制并且具有对在诸如其他移动应用和非移动工业、商业及住宅应用的非飞行器应用之中的电功率系统的一般应用。
图2图示了具有多个发动机系统的飞行器的功率系统10的示意框图，该系统包含左发动机系统12和右发动机系统14。左和右发动机系统12、14可以基本上相同；因此，为了简洁只对左发动机系统12进行详细描述，以该理解，该描述应用到所有的发动机系统。
左发动机系统12包括DHES16、至少一个发电机18、集成转换器/控制器(ICC)20、至少一个配电总线(示为包含第一DC功率母线22以及第二DC功率母线24)以及致动器负载26、飞行临界负载27和非飞行临界负载28。右发动机系统14示为仅包括DC功率母线29，但是可以复制右边发动机系统12相同组件中的多个。第一DC功率母线22选择性地耦合于DHES16，舵机负载26，并且经由选择性耦合链路25与第二DC功率母线24耦合。第二DC功率母线24进一步选择性地经由ICC20耦合于发电机18、飞行临界负载27和非飞行临界负载28，并经由选择性耦合链路25与右发动机系统14的对应DC功率母线29耦合。
电力负载26、27、28的至少一部分可具有稳态或者平均的功率需求，且负载26、27、28的至少一部分因为暂时操作(例如对负载或者雷达施以脉冲)而具有暂时功率需求。在这种意义上，暂时功率需求比稳态或者平均功率需求要大。选择性耦合链路25可以是任何物理或者电连接或者断开装置，其允许或者不允许两个组件之间基于，例如预定性能，的电耦合。在这个示例中，选择性耦合链路25可测量第一DC功率母线22上的阈值电压。如果在第一DC功率母线22处的所测得的电压降到低于阈值电压，选择性耦合链路25可与第二DC功率母线24耦合，以允许在母线22、24之间分享电压。
DHES16进一步包括：非电池功率源，示为超级电容器30，依次与功率控制器例如第一DC到DC转换器32耦合；以及电池功率源，示为锂离子电池34，依次与第二功率控制器例如DC到DC转换器36耦合。第一和第二DC到DC转换器32、36提供了公用的功率输出，其为与第一DC功率母线22选择性耦合的DHES16的输出。第一和/或第二DC到DC转换器32、36的一个示例可包括碳化硅(SiC)或者氮化镓(GaN)基的高带宽DC到DC转换器。碳化硅或者氮化镓可以基于其固态材料结构、其在更小以及更轻形状因子(formfactor)中处理较大功率级的能力以及其非常快速执行电气操作的高速变换能力来选择。尽管SiC或者GaN基的DC到DC转换器32、36导致更小及更轻的形状因子，但是硅基DC到DC转换器在成本敏感应用中可以是优选的。
超级电容器30可配置成在完全放电之前在非常短的时间(大约百分之一秒)提供大量的DC功率。作为示例，容易实现的270伏，30法拉的超级电容器能够在大于1.0s提供200千瓦。另外，超级电容器30可以在许多循环再次充电并且放电，而不会使充电/放电性能降级。电池34，相反地，配置成与超级电容器30相比，在更长时间段供应DC功率，并且可以在许多循环再次充电和放电，但是电池34可在许多循环或者在时间上经历充电/放电性能的降级。作为示例，使用可用的5安培时电池制造的270伏电池在约1.6分钟能够供应50千瓦。
预想备选的非电池和电池功率源。例如，备用非电池功率源包括燃料电池，或者紧急的非电池功率源。另外，电池功率源可包括主要飞行器电池，或者紧急飞行器电池。另外，非电池和电池功率源的每一个可包括多于一个源，例如电容器组或者电池组，或者非电池和电池功率源的任何组合。
发电机18配置成从由操作燃气涡轮发动机所供应的机械能生成功率供应例如AC功率输出。AC功率输出供应给ICC20，其用作整流器，以将AC功率输出整流成DC功率输出，其进一步供应到第二DC功率母线24。虽然示出了发电机18，预想发电机18可备选是起动器/发电机，其也为左发动机系统12提供起动功能。在这个实施例中，DHES可供应能够经由起动器/发电机起动左发动机系统12的功率。在功率系统10的上面示例中，任何AC功率输出都整流成DC功率输出，因为电力负载26、27、28在DC功率上操作。
另外，超级电容器30和电池34配置成将DC功率供应到其相应的第一和第二DC到DC转换器32、36的每一个。每个DC到DC转换器32、36配置成接收DC功率输入，该输入可以是可变的，并将其转换为已知或者预定的DC功率输出。例如，电池34可以提供28VDC，其然后可以通过第二DC到DC转换器36转换为预定的270VDC。同样，超级电容器可以提供340VDC，其然后可以通过第一DC到DC转换器32转换为270VDC。预想备选的配置，其中超级电容器30和电池34每个都供应具有相同特性的DC功率，且只有单个的DC到DC转换器32对将相同的DC功率输入转换为预定的DC功率输出是必要的。另外，预想来自超级电容器30和电池34的备用DC功率输出，以及来自第一和第二DC到DC转换器32、36的备选DC功率，只要第一和第二DC到DC转换器32、36供应公用的DC功率输出。
将第一和第二DC到DC转换器32、36的预定公用DC功率输出，以及因此来自DHES16的DC功率输出供应到第一DC功率母线22。功率系统10因此被配置，使得由DHES16所供应的功率以及由发电机18所供应的功率，经由ICC20，是相同的，例如270VDC。在这个意义上，第一和第二DC功率母线22，24的每个接收类似的DC功率供应，并以相同的电特性进行操作。
第一和第二DC到DC转换器32、36的每个同样也以逆向操作来工作。例如，如果超级电容器30和/或电池34中任一已经被放电，则第一DC功率母线22可选择性地将DC功率供应到相应DC到DC转换器32、36，其将所供应的DC功率转换为能够对相应超级电容器30和/或电池34进行再充电的DC功率输出。
在其中相应功率源16、18不能提供足够的功率输出来同时对负载26、27、28供电的时间期间，第一和第二DC功率母线22、24也可以配置成选择性地经由选择性耦合链路25相互耦合，或者经由选择性耦合链路25与右发动机系统14的DC功率母线29耦合，以将公用的DC功率供应分享给功率系统电力负载26、27、28(或者右发动机系统14的任何负载)。另外，在不足够的功率从DHES16和发电机18供应以同时对电力负载26、27、28供电的情况下，第一和第二DC功率母线22中的一个或多个可以配置成消减或者停止将DC功率输出供应给非飞行临界负载28。
第一和第二DC功率母线22、24的每个可进一步配置成如由电力负载26、27、28所需求的，将DC功率输入转换为不同的DC功率输出。例如，若干非飞行临界负载28可使用28VDC操作。在这个示例中，第二DC功率母线24可配置成在选择性将270VDC的功率输入供应给非飞行临界负载28之前，将其转换为28VDC。
图3图示DHES16更为详细的示意图。如所示，DHES16进一步包括载荷谱选择滤波器38，且第一和第二DC到DC转换器32、36的每个进一步包括相应第一和第二控制器40、42。DHES16允许数据通信，表示为虚线，使得第一控制器40发送命令信号到第二控制器42并从第二控制器42接收命令信号，从超级电容器30接收表示超级电容器30当前状态(例如作为超级电容器中能量)的超级电容器状态信号48，以及从载荷谱选择滤波器38接收第一滤波器信号。DHES16进一步允许数据通信，使得第二控制器42从电池34接收表示电池34当前状态(例如如电池34中能量)的电池状态信号50，，以及从载荷谱选择滤波器38接收第二滤波器信号54。
另外示出载荷谱选择滤波器38，其从第一DC功率母线22接收DC功率母线信号44，其表示瞬时和共同的DC功率母线22、24的能量需求。备选地，载荷谱选择滤波器38进一步从每一个DC功率母线22、24接收信号，其中每个信号表示供应给电力负载26、27、28的每个DC功率母线22、24的能量需求。在这个示例中，载荷谱选择滤波器38可对提供信号的所有DC功率母线22、24的能量需求求和。然而，虚线表示数据通信，图3的实线表示功率耦合，使得超级电容器30和电池34的每个允许往来于每一个相应第一和第二DC到DC转换器32、36的双向功率传输，并且每个转换器32、36允许往来于第一DC功率母线22的选择性双向功率传输。
功率系统10运行以为电力负载26、27、28供应平均以及暂时功率需求。在本发明的一个实施例中，发电机18被设计、定尺寸并且配置成提供足以供应功率系统10的平均功率需求的功率输出，但是它可以不被设计、定尺寸并且配置成提供足以供应功率系统10的平均功率需求的功率输出。换句话说，发电机18功率输出可以不足以对功率系统10的暂时功率需求供电。
在暂时功率需求期间，附加功率通过DHES16被供应到第一或第二DC功率母线22中的至少一个以考虑到(accountfor)暂时功率需求。由发电机18和DHES16所供应的功率组合足以考虑到暂时功率需求，其中划分确定以使得系统性能最大化，例如使其重量最小化，其寿命最大化等。当第一和/或第二DC功率母线22、24中的至少一个感测到暂时功率需求发生时(即，母线22，24感测到不足的功率供应到电力负载26、27、28)，这种情况发生。此时，第一和/或第二DC功率母线22、24发送DC功率母线信号44，表示出母线22，24具有不足，或者接近不足量的功率供应来对电力负载26、27、28供电。
DHES16运行以响应于DC功率母线信号44选择性地将功率供应给第一DC功率母线22。当载荷谱选择滤波器38首先接收表示DC功率母线22、24的瞬时能量需求的DC功率母线信号44时，这种情况发生。载荷谱选择滤波器38例如作为低通滤波器来操作以可操作性地移除DC功率母线信号44的缓慢改变的能量需求。换句话说，载荷谱选择滤波器38从DC功率母线22、24的能量需求中移除平均能量需求，仅留下电力负载26、27、28的暂时功率需求。DC功率母线22、24的暂时功率需求并且作为第一和第二滤波器信号52、54从滤波器38提供给第一和第二控制器40、42的每一个。备选地，载荷谱选择滤波器38可操作，使得在预定或者动态阈值只有暂时功率需求将作为第一和第二滤波器信号52、54提供。
第一和第二控制器40、42处于相互双向通信，使得它们可以协作控制每一个相应的第一和第二DC到DC转换器32、36，以从DHES16提供足够的DC功率输出以考虑到增加的暂时功率需求。在一个示例中，负载是从0负载正施以脉冲到240kW。平均负载功率接近100千瓦，其通过发电机供应。当负载脉冲发生时，第一和第二滤波器信号52、54提供给每一个相应的第一和第二控制器40、42，指示第一DC功率母线22需要提供因为高于平均值的暂时功率需求所引起的附加的140kW功率。第一控制器40可接收超级电容器状态信号48，指示超级电容器30可以通过放电提供120kW的功率。第二控制器42可接收电池状态信号50，指示电池34可以通过放电提供20kW的功率。
第一和第二控制器40、42之间的双向通信确定超级电容器30和电池34中每一个有多少附加功率将提供以考虑到暂时功率需求。在这个示例中，第一控制器40可确定超级电容器30将放电满120千瓦，且可指示第二控制器42从电池34放电20千瓦。在另一个示例中，超级电容器30和电池34中每一个可以放电70千瓦，或者电池34可放电120千瓦，而超级电容器放电20千瓦。这些实例是DES16运行的非限制示例。
DHES16可运行，使得第一控制器40使超级电容器30无论何时都放电以考虑到尽可能多的暂时功率需求。在另一个实例中，如果需要400瓦特的暂时功率需求，并且超级电容器能够放电800瓦特，第一控制器40将使超级电容器30放电，而电池34将根本不会放电。类似地，在另一个实例中，如果需要800瓦特的暂时功率需求，并且超级电容器能够放电800瓦特，第一控制器40将使超级电容器30放电，而电池34将根本不会放电。在这个示例中，仅在其中超级电容器30的放电将不足以考虑到暂时功率需求的实例中，将使电池34放电。换句话说，在将电池34选择性耦合到母线22、24之前，功率系统10可选择性地将超级电容器30耦合到第一或第二DC功率母线22、24中至少一个。这种在暂时功率需求期间提供功率的优先允许功率系统10重复提供附加的足够的功率用于飞行器，同时仅仅通过当对补充超级电容器30放电是必要时使电池34放电来有效地防止电池34充电/放电性能的降级。
由于稳定或者平均的负载，第一和/或第二DC功率母线22、24将DC功率母线信号44发送给载荷谱选择滤波器38。滤波器38因此生成第一和第二滤波器信号52、54，指示功率系统10正以平均功率需求工作。每个控制器40、42也接收相应超级电容器状态信号48，以及电池状态信号50。在不是超级电容器状态信号48就是电池状态信号50指示相应功率源没有完全充电的情况下，相应第一或第二控制器40、42选择性地操作相应第一或第二DC到DC转换器32、36，以允许第一DC功率母线22提供转换为适当DC电压的DC功率输出，以对相应源30、34充电。一旦超级电容器30和/或电池34完全充电，DHES16等候暂时功率需求。
图4图示在后面有稳态功率需求62的暂时功率需求期间的功率系统10的功率需求。在这个图形中，“Pbat”表示电池34的功率放电，“Pultrac”表示超级电容器30的功率放电，“PDHES”表示DHES16的功率放电，而“Pload”表示暂时电力负载或多个电力负载的功率需求。如所示，在时间t0，不存在暂时功率需求62。在时间t1，正功率暂时发生，并且DHES16供应补充电力以考虑到暂时功率需求60。如所示，所供应的补充功率的大部分来自在本发明这个实施例中超级电容器30放电。在时间t1和t2之间，当暂时功率需求60保持不变，超级电容器30放电，使得其供应大量补充电力。在这个相同周期期间，示出电池34，其供应由超级电容器30所提供功率的小部分，以减少电池压力(stress)，并使电池寿命最大化。
在时间t2，当负载减少到零负载时，其经历新的暂时，并且因此，功率系统以平均功率需求62操作。在此期间，DC功率母线22、24供应功率来对超级电容器30和电池34再充电，示出因为再充电而具有负功率值，当DHES16尝试在发电机上保持负载等于仅在t2负载减少暂时之前的值。图4中的图形图示功率系统10操作的一个示例，并且预想其他操作。在典型的发电机18中，即使是能够提供足够功率以考虑到暂时功率需求的超大发电机，发电机18可以不能足够快地响应暂时功率需求，这例如在几百分之一秒发生。
除了上面附图所示的实施例和配置之外的许多其他可能实施例和配置由本发明公开来预期。比如，本发明的一个实施例预期每发动机系统12、14的多于一个的发电机18。在本发明的另一个实施例中，功率系统10可合并紧急功率系统，其中DHES可在紧急操作期间提供紧急功率。在本发明又一个其他实施例中，可以省略第二滤波器信号54，并且第一控制器40可以接收第一滤波器信号52，并且然后指示第二控制器42如何基于超级电容器可供应的功率量操作。在本发明的又一个实施例中，第一和第二控制器40、42可被单个控制器替代，其控制由两个控制器40、42控制的所有方面，并且可另外位于除了所公开的之外备选位置，例如，作为DC功率母线22、24或者滤波器38的一部分。另外，任何上述信号44、48、50、52、54可以例如基于公用的信号轮询系统或者基于公用的信号触发系统。另外，各个组件的设计和放置可以重新安排，使得不同数量的内联(in-line)配置可以被实现。
在本发明的又一个实施例中，预想DC功率母线22、24可备选地配置为一个或多个的AC功率母线，并且电力负载26、27、28在AC功率上操作。在这个实施例中，超级电容器30、电池34以及发电机18中每一个将配置有适当的转换器和/或逆变器，以能够将合适电压和频率的AC功率提供给AC功率母线。另外，选择性地耦合超级电容器30和电池34到AC功率母线的转换器和/或逆变器可配置成允许逆向转换，使得超级电容器30和电池34的每一个可被充电。
本文所公开的实施例提供了飞行器的功率系统，其配置成供应附加的功率以说明暂时功率需求。当设计飞行器组件时，要解决的重要因素是尺寸、重量和可靠性。可在上面的实施例中实现的一个优势是上述实施例相对于常规类型功率系统具有优越的重量和尺寸优势。为了提供发电机(单独)以说明暂时功率需求，发电机将会需要更大，导致增加尺寸和重量。这种增加的尺寸和重量对暂时功率模式(其也不是频繁发生)可以不是所希望的。通过允许DHES在暂时功率需求期间提供补充功率，该配置可允许更小和/或更轻的发电机，其仅仅必须供应平均的功率需求，而不是按比例扩大到更大或者更重的发电机来考虑到因为暂时功率需求引起的功率供应上的压力。DHES也允许当将附加功率供应给功率系统时比典型发电机更快响应。另外，更小和/或更轻的发电机允许延长操作寿命，这增加了系统的可靠性，并且减少了维护和更换成本。减少的重量和尺寸与飞行期间的竞争优势相互关联。
另外，上述实施例的另一个优势允许因为暂时功率需求期间超级电容器优先放电所引起的电池充电和放电性能中更小的降级。从使用的充电和放电压力的电池性能的更小降级增加了飞行器的电池系统的可靠性和寿命，并且减少了维护和更换成本。
在还未描述的意义上，各个实施例的不同特征和结构可以如所希望地那样相互结合使用。那一个特征可不在所有实施例中图示，不意味着解释它不在，而是为了描述的简洁这样做。因此，不同实施例的各个特征可以如所希望地那样混合及配合以形成新的实施例，不管新的实施例是否清楚描述。本文所述特征的所有组合或者排列由本公开涵盖。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何包含的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则预计它们处于权利要求的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于控制向具有多个功率消耗组件的飞行器的功率系统供应功率的方法，所述组件中的一些具有暂时功率需求，导致所述功率系统具有暂态功率需求以及非暂时功率需求，所述方法包括：
采用发电机将功率供应到所述功率系统，所述发电机具有预定功率输出，其不能够对于所述暂态功率需求提供足够功率；
确定所述功率系统的暂时功率需求；
将所确定的暂时功率需求与预定功率输出进行比较；
确定所述暂时功率需求超过所述预定功率输出；以及
响应于所述暂时功率需求超过所述预定功率输出的确定而从非电池功率源将附加功率供应到所述功率系统。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定功率输出包括所述功率系统的平均功率需求。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括响应于所述暂时功率需求超过所述预定功率输出和来自所述非电池功率源的所述附加功率的组合而从电池功率源将附加功率供应到所述功率系统。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括在所述非暂时功率需求期间对所述非电池功率源或电池思路源中至少一个进行再充电。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述再充电进一步包括相对于所述电池功率源的所述再充电确定所述非电池功率源的所述再充电优先顺序。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述非电池功率源和电池功率源的所述再充电同时进行。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述非暂时功率需求期间对所述非电池功率源或电池功率源中至少一个进行再充电。
8.如权利要求1所述的方法，其中供应来自所述非电池功率源的附加功率包括对电容器、超级电容器或者电容器组中至少一个进行放电。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述供应附加功率进一步包括将来自所述非电池功率源的所述附加功率转换，以配合所述功率系统的功率特性。
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