CN108075540B - 一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法，属于混合能源动力系统。该系统包括：动力电池模组、动力电池模组监测系统、微控制单元、超级电容模组、超级电容模组监测系统、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼系统等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间。根据本发明的大功率能源动力系统及控制方法，可以实现直升机对能量和功率要求的分离；超级电容器快速、高效充放电的特性可以缓解大电流对能源动力系统的冲击，延长能源动力系统的循环使用寿命，同时能够最大限度地回收制动能量。

Description

一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法
技术领域
本发明属于混合能源动力系统，更为具体地讲，是一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法。
技术背景
直升机主要由机体、旋翼、动力、转动等四大系统以及机载飞行设备等组成，其具备垂直起降、悬停、巡航以及快速转变航向等特点，被广泛应用于运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。直升机起飞功率需求较大，通常是巡航飞行功率的14倍左右，为了平衡飞行性能指标，需要动力系统的比能量和比功率都比较大，而现有的动力电池高功率放电能力明显不足；直升机的制动能量通常以热能的形式消失在空气中，提高直升机的能量利用率就需要我们最大限度地回收制动能量，而通常的动力电池基本属于化学电池，需要一定时间才能进行回收，以至于能量回收效率不高；直升机在起飞、加速上升时需要大电流放电，制动时大电流充电，很容易造成动力电池的损坏，影响其循环使用寿命，通常的动力电池会在循环充放电2000次后出现明显衰减。
超级电容器作为一种新型的储能装置，其具备功率密度高，通常是动力电池的10倍左右；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次以上；充电速度快，充电10秒到10分钟可达到其额定容量的95％以上；能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥95％；安全系数高，长期使用免维护等优点，但超级电容器的比能量太低、自放电大等缺点，无法作为单一动力源进行输出供能。
本发明主要针对直升机，设计超级电容模组和动力电池模组组成的大功率能源动力系统及控制方法方案，解决传统动力系统功率密度低、循环寿命短、制动能量回收效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有直升机动力系统的缺点，提供一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法，根据本发明的大功率能源动力系统及控制方法，可以实现直升机对能量和功率要求的分离；超级电容器快速、高效充放电的特性可以缓解大电流对大功率能源动力系统的冲击，延长大功率能源动力系统的循环使用寿命，同时能够最大限度地回收制动能量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于直升机的大功率能源动力系统，大功率能源动力系统包括：动力电池模组、动力电池模组监测系统、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测系统、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼系统等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间；微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统；超级电容模组和动力电池模组通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测系统控制第一继电器，动力电池模组监测系统控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼系统；
所述的DC/AC转换器，超级电容模组监测系统控制第一继电器，动力电池模组监测系统控制第二继电器，通过不同的工作模式，控制继电器的通断状态，促使超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输。
所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组(Uc)，动力电池模组(Ub)，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，为滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组(Uc)并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组(Ub)与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
当开关管S4导通时，滤波电感L4和滤波电容C1蓄能，向超级电容模组电压Uc端充电；当开关管S4关断时，滤波电容C1向超级电容模组电压Uc端充电，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组充电，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax。
当开关管S1、S2、S3导通时，电流通过滤波电感L1、L2、L3时会在L1、L2、L3中存储能量，此时电机负载上的电压由滤波电容C2放电提供；当开关管S1、S2、S3关断时，电感L1、L2、L3通过续流二极管D1、D2、D3释放能量，输出电压为超级电容模组电压Uc与滤波电感L1、L2、L3产生的电压相加，提高了输入电压，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组共同放电。同时三个开关管S1、S2、S3通断时间均匀错开，能够降低输出纹波，增大输出电流。
一种用于直升机的大功率能源动力系统的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于巡航飞行状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于减速或制动状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
相比现有动力系统，本发明具有以下优点：
1.实现直升机对能量和功率要求的分离。动力电池设计可以集中于对比能量要求的考虑，使大功率能源动力系统的比能量和比功率的性能都能得到提升。
2.提高大功率能源动力系统的循环使用寿命。当电机的需求功率若超过一定值，则多余部分由超级电容模组承担；在制动过程中，超级电容参与制动能量回收，缓解大电流对大功率能源动力系统的冲击，使动力电池充放电电流不超过设定值，同时可以提高充放电效率。
3.最大限度地回收制动能量。在直升机减速或制动时，电机工作在发电状态将动能转化为电能，超级电容可以迅速高效实施再充电，有效提高了能量使用的效率。
3.附图说明
图1为本发明的直升机大功率能源动力系统框架图
图2为本发明的直升机大功率能源动力系统控制结构流程图
图3为本发明的直升机大功率能源动力系统超级电容模组充电流程图
图4为本发明的直升机大功率能源动力系统三个滤波回路的DC/DC转换器电路设计图
其中：——代表电连接，
Figure BDA0001509513850000041
代表机械连接
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种用于直升机的大功率能源动力系统及控制方法，大功率能源动力系统包括：动力电池模组、动力电池模组监测系统、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测系统、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼系统等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间。
一种用于直升机的大功率能源动力系统的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；当直升机处于巡航飞行状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；当直升机处于减速或制动状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
如图1所示，给出了该直升机大功率能源动力系统框架图，微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统；超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测系统控制第一继电器，动力电池模组监测系统控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼系统。图中细实线箭头方向代表电连接，粗实线代表机械连接。
如图2所示，给出了该直升机大功率能源动力系统控制结构流程图，首先判断功率需求Pdemand是否大于0，大于0，此时系统需要放电；再将功率需求Pdemand与特定功率P0进行对比，功率需求Pdemand大于动力电池模组的特定功率P0，超级电容模组和动力电池模组共同放电；功率需求Pdemand小于动力电池模组的特定功率P0，动力电池模组单独放电。小于0，此时系统需要充电；再将此时超级电容实际电压Uc与0.9Uc-max进行对比，超级电容实际电压Uc小于0.9Uc-max，超级电容模组充电，超级电容实际电压Uc大于0.9Uc-max，动力电池模组充电。
如图3所示，给出了该直升机大功率能源动力系统超级电容模组充电流程图，首先判断超级电容模组Uc是否大于0.6Uc-max，当Uc小于0.6Uc-max，超级电容模组开始充电；当Uc大于0.6Uc-max，再对Uc是否小于0.9Uc-max进行判断，若小于0.9Uc-max则继续充电，大于0.9Uc-max则停止充电。
如图4所示，所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组(Uc)，动力电池模组(Ub)，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，为滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组(Uc)并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组(Ub)与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
其中Uc是超级电容模组电压，Ub是动力电池模组电压，S1、S2、S3、S4为开关管，L1、L2、L3、L4为滤波电感，D1、D2、D3、D4为续流二极管，C1和C2为滤波电容，S1、L1、D1组成通道1，S2、L2、D2组成通道2、S3、L3、D3组成通道3，三个通道并联，且开关周期相同、通断时间相同。
当开关管S4导通时，滤波电感L4和滤波电容C1蓄能，向超级电容模组电压Uc端充电；当开关管S4关断时，滤波电容C1向超级电容模组电压Uc端充电，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组充电，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax。
当开关管S1、S2、S3导通时，电流通过滤波电感L1、L2、L3时会在L1、L2、L3中存储能量，此时电机负载上的电压由滤波电容C2放电提供；当开关管S1、S2、S3关断时，电感L1、L2、L3通过续流二极管D1、D2、D3释放能量，输出电压为超级电容模组电压Uc与滤波电感L1、L2、L3产生的电压相加，提高了输入电压，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组共同放电。同时三个开关管S1、S2、S3通断时间均匀错开，能够降低输出纹波，增大输出电流。
以上实施方式只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对其限制，任何不超出本专利思路的组合，增加或修改，尤其是大功率能源动力系统分配设计方案与控制方法，均落入本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于直升机的大功率能源动力系统，大功率能源动力系统包括：动力电池模组、动力电池模组监测系统、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测系统、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼系统，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间；微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度状态参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统；超级电容模组和动力电池模组通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测系统控制第一继电器，动力电池模组监测系统控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼系统；
所述的DC/AC转换器，超级电容模组监测系统控制第一继电器，动力电池模组监测系统控制第二继电器，通过不同的工作模式，控制继电器的通断状态，促使超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组，动力电池模组，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
2.一种用于直升机的大功率能源动力系统的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于巡航飞行状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于减速或制动状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测系统获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测系统获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测系统和动力电池模组监测系统，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
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