CN105916769A - 用于以电力推进的飞行器的电力供给装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于以电力推进的飞行器的电力供给装置(25)，该电力供给装置(25)包括：第一和第二电机(20，21)，其能够确保对飞行器的推进；第一和第二高压电路(26，27)，其分别连接至两个电机(20，21)；低压电路(28)，其连接至飞行器的至少一个控制和/或监测装置(49)；第一和第二电池组(31，32)，其分别连接至两个高压电路(26，27)；第一和第二电池管理系统(34，35)，其连接至低压电路(28)，电池管理系统分别连接至两个电池组(31，32)；以及电力转换器(37)，其一方面连接至第一高压电路(26)，另一方面连接至低压电路(28)。
Description
技术领域
本发明涉及用于以电力推进的飞行器的电力供给装置。本发明还涉及与该装置相关联的启动方法以及包括所述装置的飞行器。
本发明特别有利地应用于能够运输多人的以电力推进的飞行器中，例如两座飞行器。
背景技术
以热能推进的飞行器促使全球变暖、促使化石燃料的损耗以及大气污染。为了缓解这些缺点，电力推进的飞行器是针对航空运输的未来的必要发展。
“以电力推进的”飞行器是指不使用诸如煤油这样的化石能源而是使用电能来确保其推进的飞行器。此外，以电力推进的飞行器可以尤其针对存储装置的运转而应用化学反应，以及尤其针对领航控制致动而应用机械装置。
以热能推进的飞行器具有在所消耗能量与为使飞行器移动而产生的机械能之间的约30％到40％的效率。以电力推进的飞行器能够达到约90％的效率。因此，电能使得能够以更低的能量成本进行飞行。以电力推进的飞行器还更灵敏。
在“绿色蟋蟀机(Green cricri)”项目的框架中，已经开发了由布置在飞行器前部的四个电机来确保推进的单座电力飞行器。每个电机由电池组供电。飞行器还包括连接至两个电池组的飞行器控制和监测构件，该电池组的电压电平比对电机供电的四个电池组低。该电力供给装置的主要缺点是存在使得飞行器体积庞大的四个电池组。
在e-Genius”项目的框架内，已经开发了由布置在飞行器后部的电机来确保推进的两座电力飞行器。电机由四个电池组来供电。电力转换器使得电池组的电压能够被重新使用，从而以比用于对电机供电的电压电平更低的电压电平来对飞行器控制和监测构件供电。该装置的主要缺点在于其仅具有单个带螺旋推进器的电机，从而限制了飞行器沿地面滑行的效能。
德国专利申请No.DE 10 2011 105 880(EADS Deutschland GmbH，EADS德国公司)还描述了具有在后部处的确保推进的电机的飞行器。该电机由电池组供电，该电池组的位置沿飞行器的纵轴线变化。电池组的位置变化使得能够在飞行阶段使飞行器平衡。
发明内容
本发明意在通过提出下述解决方案来克服现有技术的缺点：该解决方案使得能够限制电池组的数目并且在一个电池组出故障的情况下确保对以电力推进的飞行器的推进。
为此，本发明在其最广泛意义上涉及一种用于以电力推进的飞行器的电力供给装置，包括：
-第一电机和第二电机，其能够确保飞行器的推进，
-第一高压电路和第二高压电路，其分别连接至所述两个电机，
-低压电路，其连接至飞行器的至少一个控制和/或监测构件，
-第一电池组和第二电池组，其分别连接至所述两个高压电路，
-第一电池管理系统和第二电池管理系统，其连接至低压电路，并且分别连接至所述两个电池组，和
-电力转换器，其一方面连接至所述第一高压电路，另一方面连接至所述低压电路。
因此，本发明使得能够通过重新使用第一高压电路的电压对低压电路供电来限制电池组的数目。另外，装置使得即使电池组无法使用，也能够对确保飞行器推进的两个电机供电。
根据一个实施方式，装置包括经由开关而连接至第一电池管理系统的备用电池，该备用电池能够传递使装置运转所必需的电流。该实施方式允许使用备用电池来启动装置。此外，当转换器和/或第一电池组无法使用时，备用电池能够对飞行器的主要部件供电。因此，飞行器能够通过使用至少一个电机以及通过保持导航所必需的所有控制和监测装置来有效地飞行，所述控制和监测装置例如是无线电或起落架或者利用电力致动器工作的某些活动的飞行控制部件。
根据一个实施方式，该装置包括：超低压电路，该超低压电路连接至飞行器的至少一个控制和/或监测构件；以及电力转换器，该电力转换器一方面连接至所述低压电路，另一方面连接至所述超低压电路。该实施方式使得能够以比低压电路的电压电平更低的电压电平来对某些控制和/或监测构件供电。通常，高压电路的电压电平可以在200伏至250伏之间，额定为220伏。低压电路的电压电平可以在20伏至30伏之间，额定为24伏，并且超低压电路的电压电平可以在10伏至15伏之间，额定为12伏。
根据一个实施方式，该装置包括充电插头，该充电插头连接至所述两个高压电路，充电插头能够对所述两个电池组进行充电。该实施方式使得能够限制用于所述两个电池组的充电插头的体积和质量。
根据一个实施方式，该装置包括第一电压逆变器和第二电压逆变器，其能够通过斩波而将高压直流电压转换成三相交流能量，每个逆变器连接在高压电路与相应电机之间。该实施方式使得递送直流电压的的电池能够连接至三相电机。另外，三相交流电能使得能够对高功率电机进行高效地供电。
根据一个实施方式，该装置包括第一电机管理系统和第二电机管理系统，其连接在高压电路与相应逆变器之间，每个电机管理系统包括至少一个霍尔效应传感器、主开关和用于监视施加于电机的电压的装置，其中，霍尔效应传感器能够提供关于电机转子的位置信息，主开关能够切断对电机的供电。该实施方式使得能够例如在无刷电机的情况下对每个电机的参数进行有效监测。作为变型，监视装置还可以监视电机转速。
无刷电机包括转子，该转子设置有一个或更多个永磁体和至少两个转子位置传感器，在该情况下为三个霍尔效应传感器。电机的定子按照三相被供电以引发驱动转子的旋转磁场。当转子转动时，位置传感器将位置信号发送至电机管理系统，使得电机相位的改变能够预测转子位置。
根据一个实施方式，电机管理系统和电池管理系统包括连接至第二高压电路的备用转换器。该实施方式使得能够在第一高压电路的供电中断或者高压/低压转换器出故障的情况下，对敏感单元供电，而不使用可能具有有限电量的备用电池。当检测到低压电路中断时，备用转换器自动地运转，电机管理系统和电池管理系统仅由第二高压电路供电。
根据一个实施方式，至少一个电池组包括40Ah至80Ah的总存储容量的锂离子电池。该实施方式使得电池组能够递送高质量能量(例如为金属镍氢电池的二至五倍)，而不会出现记忆效应现象。锂离子电池组可以包括五十至七十个电池单元以获得40Ah至80Ah的总存储容量，优选地，电池组包括六十个电池单元。
根据第二方面，本发明涉及一种以电力推进的飞行器，该以电力推进的飞行器包括至少两个电机和根据前述实施方式之一所述的电力供给装置。
根据第三方面，本发明涉及一种用于启动以电力推进的飞行器的方法，该方法包括以下步骤：
-接通开关以将备用电池连接至第一电池管理系统，
-借助于电池管理系统来检查备用电池的电压，如果备用电池的电压低于临界阈值，则中断该启动，
-启动逆变器的预加载，
-接通电池组的接触式开关，
-启动电力转换器，
-借助于电池管理系统来检查至少一个电池组的电压，如果至少一个电池组的电压低于临界阈值，则中断该启动，以及
-关断开关以断开备用电池的连接。
附图说明
参考附图，通过阅读下文中仅用于说明的本发明实施方式的描述，将更好地理解本发明，其中：
●图1示出了包括根据本发明的装置的以电力推进的飞行器；
●图2示出了根据本发明的第一实施方式的电力供给装置，其中该电力供给装置包括两个电机；
●图3示出了根据本发明的第二实施方式的电力供给装置，其中该电力供给装置包括三个电机；以及
●图4示出了根据本发明的第三实施方式的电力供给装置的一部分。
具体实施方式
图1示出了包括布置在飞行器前部的机头11和布置在飞行器后部的机尾12的以电力推进的飞行器10，机头11和机尾12通过机身15连接。两个机翼17-18在飞行器侧部延伸以确保飞行器10在空中的升力。
飞行器10还包括两个电机20-21，这两个电机的电力供给装置25在图2至图4中示意性地示出。在不改变本发明的情况下，飞行器的形状和大小可以变化。
图2示出了包括两个电机20和21的电力供给装置25，每个电机连接至由电池组31、32供电的高压电路26、27。为此，每个电池组31、32与保险丝R1、R2、电机管理系统54、55以及逆变器39、40串联。
在图3的实施例中，装置25包括三个电机20、21、22。第三电机22经由逆变器41连接至第二电机管理系统55。作为变型，装置可以包括为确保飞行器10的推进而必需的电机数量。
保险丝R1、R2是为了保护电池组31、32免受过压。装置还可以包括未示出的预加载的电阻，以用于避免接通高压电路时的火花。
逆变器39、40使得能够将高压直流电压转换成能够对电机20、21的定子的绕组供电的三相交流电能。优选地，逆变器39、40具有15kHz至20kHz的转换频率。电机管理系统54、55包括至少两个霍尔效应传感器、主开关和用于监视施加于电机20、21的电压的装置，其中，霍尔效应传感器能够提供关于电机20、21的定子的位置的信息，主开关能够切断对电机20、21的电力供给。霍尔效应传感器使得能够根据其所测量的位置来预测对电机20、21的转矩和速度命令。监视装置使得能够测量在逆变器39、40处可能存在的任何相位滞后。
两个电池组31、32可以通过连接至这两个电池组31、32的充电插头52同时被充电。优选地，每个电池组31、32包括总容量在40Ah至80Ah之间的多个锂离子电池，优选地为40Ah。电池组31、32可以包含五十至七十个电池单元，优选地包括六十个电池单元。
电池管理系统34、35监视每个电池组31、32的电池单元。电池管理系统34、35借助于布置在每个电池组31、32的每个电池单元上的传感器来分析温度和电压以及监测关联的电池组31、32中的每个电池单元的充电。此外，每个电池管理系统34、35例如通过CAN(控制器局域网)协议，借助于数据总线与关联的电机管理系统54、55进行通信。
电池管理系统34、35包括能够通过开关46、47接地以触发电池管理系统34、35的启动的输入端。此外，由低压电路28经由电阻R3、R4对电池管理系统34、35供电。
低压电路28由连接至第一高压电路26的转换器37来供电。高压电路26具有200伏至250伏的DC直流电压，优选地为220伏。低压电路28具有20伏至30伏的直流电压，优选地为24伏。低压电路28经由针对每个构件49的电阻R9来对飞行器的至少一个控制和/或监测构件49供电。控制和/或监测构件49可以是遥测装置、电信装置等。
低压电路28还经由电阻R8连接至转换器38。转换器38对具有10伏至15伏，优选地为12伏的直流电压的超低压电路29供电。超低压电路29还经由针对每个构件50的电阻R10对飞行器的至少一个控制和/或监测构件50供电。控制和/或监测构件50可以是飞行指示器、飞行器的定位致动器、无线电等。
当开关45处于第一位置时，可以由低压电路28经由电阻R5对其他致动器51供电。这些致动器51可以允许轮子的输出或滑车的输出。当开关45处于第二位置时，这些致动器51可以在开关43处于第二位置时由备用电池42供电。开关43的第一位置和第二位置连接至第一电池管理系统34的两个不同输入端。开关43的第一位置还连接至与电阻R7串联的发光二极管D1。开关43的第三位置使得备用电池42能够被完全断开。该备用电池能够提供低压直流电压以对第一电池管理系统43供电并且启动装置25。
在飞行器10的启动阶段期间，第一步骤是将开关43置于第一位置以将备用电池42连接至第一电池管理系统34。然后电池管理系统34检查备用电池的电压，如果备用电池42的电压低于临界阈值，则中断该启动。在相反的情况下，电池管理系统34使电力转换器37运转。然后电池管理系统34检查至少一个电池组31、32的电压，如果至少一个电池组31、32的电压低于临界阈值，则中断该启动。在相反的情况下，电池管理系统34将开关43置于第三位置，并且使至少一个电机20、21运转。
作为变型，飞行器的每个敏感单元，例如电机管理系统54、55和电池管理系统34、35，包括连接至第二高压电路27的备用转换器。
图4示出了装置25仅被部分示出的本发明的实施方式。装置25不包括电机管理系统54。然而，第一电池管理系统34控制三个接触式开关K1-K3和传感器C1。
第一接触式开关K1使转换器37能够连接至高压电路26。该接触式开关在装置25的启动时关断，并且电池管理系统34为了飞行器的正常运转而强制该接触式开关接通。接触式开关K2和K3可以交替地用于使用电阻R11并且修改电池组31的效率。传感器C1向电池管理系统34提供电池组31的电压或电流信息。
图4还示出了能够借助于转换器36而直接在高压电路26上被供电的电池管理系统34，其中该转换器36递送等同于低压电路28的电压的低压电压。
因此，本发明使得能够通过限制电池组31、32的数目以及应用能够在装置25的部件有问题的情况下启动或重新启动装置25的备用电池42，对以电力推进的飞行器10供电。
本发明通过添加具有适宜的控制电路的电池组，可转换成包括多于两个电机的以电力推进的飞行器。
Claims (10)
1.一种用于以电力推进的飞行器(10)的供给电力的装置(25)，其特征在于，所述电力供给装置(25)包括：
-第一和第二电机(20，21)，所述第一和第二电机(20，21)能够确保所述飞行器(10)的推进，
-第一和第二高压电路(26，27)，所述第一和第二高压电压(26，27)分别连接至所述两个电机(20，21)，
-低压电路(28)，所述低压电路(28)连接至所述飞行器(10)的至少一个控制和/或监测构件(49)，
-第一和第二电池组(31，32)，所述第一和第二电池组(31，32)分别连接至所述两个高压电路(26，27)，
-第一和第二电池管理系统(34，35)，所述第一和第二电池管理系统(34，35)连接至所述低压电路(28)，所述电池管理系统(34，35)分别连接至所述两个电池组(31，32)，
-电力转换器(37)，所述电力转换器(37)一方面连接至所述第一高压电路(26)，另一方面连接至所述低压电路(28)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括经由开关(43)连接至所述第一电池管理系统(34)的备用电池(42)，所述备用电池(42)能够递送使所述装置(25)运转所必需的电流。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括：
-超低压电路(29)，所述超低压电路(29)连接至所述飞行器(10)的至少一个控制和/或监测构件(50)，以及
-电力转换器(38)，所述电力转换器(38)一方面连接至所述低压电路(28)，另一方面连接至所述超低压电路(29)。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括充电插头(52)，所述充电插头(52)连接至所述两个高压电路(26，27)，所述充电插头(52)能够对所述两个电池组(31，32)进行充电。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括第一和第二电压逆变器(39，40)，所述第一和第二电压逆变器(39，40)能够通过斩波将高压直流电压转换成三相交流电能，每个逆变器(39，40)连接在高压电路(26，27)与相应的电机(20，21)之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置包括第一和第二电机管理系统(54，55)，所述第一和第二电机管理系统(54，55)连接在高压电路(26，27)与相应的逆变器(39，40)之间，每个电机管理系统(54，55)包括至少一个霍尔效应传感器、主开关和用于监视被施加至所述电机的电压的装置，其中，所述霍尔效应传感器能够提供关于所述电机的位置的信息，所述主开关能够切断对所述电机的电力的供给。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电机管理系统(54，55)和所述电池管理系统(34，35)包括连接至所述第二高压电路(27)的备用转换器。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的装置，其特征在于，至少一个电池组(31，32)包括总存储容量在40Ah与80Ah之间的的锂离子电池。
9.一种以电力推进的飞行器(10)，所述以电力推进的飞行器(10)包括至少两个电机(20，21)和根据权利要求1至8中的一项所述的供给电力的装置(25)。
10.一种用于启动根据权利要求9所述的以电力推进的飞行器(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-接通开关(43)以将备用电池(42)连接至第一电池管理系统(34)，
-借助于所述电池管理系统(34)来检查所述备用电池(42)的电压，如果所述备用电池(42)的电压低于临界阈值，则中断所述启动，
-启动逆变器(39，40)的预加载，
-接通电池组(31，32)的接触式开关，
-启动所述电力转换器(37)，
-借助于所述电池管理系统(34)来检查至少一个电池组(31，32)的电压，如果所述至少一个电池组(31，32)的电压低于临界阈值，则中断所述启动，以及
-断开所述开关(43)以断开所述备用电池(42)的连接。
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