CN108321855A - 飞行器强电流开关模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关模块，所述开关模块包括第一单掷开关，所述第一单掷开关具有可切换到公共端子的第一输入端子。第二单掷开关具有可切换到所述公共端子的第二输入端子。第一控制器连接到第一单掷开关，并且第二控制器连接到第二单掷开关。所述第一控制器和第二控制器配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。

Description

飞行器强电流开关模块
技术领域
本申请涉及强电流技术领域，尤其涉及与飞行器有关的强电流开关模块。
背景技术
强电流电网，例如飞行器电气系统中的主系统，可以对连接网络中元件的每个可切换支路采用单独的单掷开关。所述单掷开关可以从一个或多个电力源向网络中的各种必要或非必要负载传送几十或几百安培的电流。每个开关通常可以采用连接器连接和/或机架式安装。
遗憾的是，具有许多独立开关的网络中的每个开关可能都需要按客户需要进行设计，因此增加了成本和复杂性。此外，每个开关可能需要采用至少两个强电流连接器端子来连接开关控制元件，而如果端子发生故障，每个连接器端子会引起网络可靠性方面的风险。单独的开关还可以包括定制外壳，所述定制外壳可保留连接器端子、提供开关保护并且/或者在飞行器电气系统中占据有限的体积。
发明内容
在一个方面中，本发明公开了一种开关模块，所述开关模块可以包括具有可切换到公共端子的第一输入端子的第一单掷开关。第二单掷开关可以具有可切换到所述公共端子的第二输入端子。第一控制器可以连接到第一单掷开关，并且第二控制器可以连接到第二单掷开关。所述第一控制器和第二控制器可以配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
在另一个方面中，公开了一种将具有至少两个可切换支路的网络中的多个元件互连的方法。所述方法可以包括：识别连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交的网络节点。所述方法还可以包括配置开关模块，所述开关模块配备具有第一输入端子的第一单掷开关和具有第二输入端子的第二单掷开关。所述第一单掷开关和第二单掷开关可以在公共端子处串联。所述方法还可以包括将所述开关模块的公共端子定位在所述网络节点处；将所述第一输入端子连接到所述第一元件；以及将所述第二输入端子连接到所述第二元件。
在另一个方面中，公开了一种飞行器，所述飞行器可以包括具有至少两个可切换支路的网络。所述飞行器可以包括网络节点，在所述网络节点处，连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交。所述开关模块可以具有第一单掷开关，所述第一单掷开关具有连接到所述第一元件的第一输入端子；并且可以具有第二单掷开关，所述第二单掷开关具有连接到所述第二元件的第二输入端子。所述第一单掷开关和第二单掷开关可以在公共端子处串联。第一控制器可以连接到第一单掷开关，并且第二控制器可以连接到第二单掷开关。所述第一控制器和第二控制器可以配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
具体地，本申请的技术方案1涉及一种开关模块，包括：第一单掷开关，所述第一单掷开关具有可切换到公共端子的第一输入端子；第二单掷开关，所述第二单掷开关具有可切换到所述公共端子的第二输入端子；第一控制器，所述第一控制器连接到所述第一单掷开关；第二控制器，所述第二控制器连接到所述第二单掷开关；并且其中所述第一控制器和第二控制器配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
本申请技术方案2根据技术方案1所述的开关模块，其中所述第一输入端子、所述第二输入端子或所述公共端子中的至少一者包括用于连接到飞行器的主电气系统的连接器。
本申请技术方案3根据技术方案1所述的开关模块，还包括围封所述第一单极开关和所述第二单极开关并配置成安装在机架上的壳体。
本申请技术方案4根据技术方案3所述的开关模块，还包括将所述第一输入端子、所述第二输入端子或所述公共端子中的至少一者安装到所述壳体，以用于消除应变。
本申请技术方案5根据技术方案1所述的开关模块，还包括第三单掷开关，所述第三单掷开关具有可切换到所述公共端子的第三输入端子；以及第三控制器，所述第三控制器配置成独立地控制所述第三单掷开关。
本申请技术方案6根据技术方案1所述的开关模块，其中所述第一单掷开关和第二单掷开关中的每一者是单极单掷(SPST)开关。
本申请技术方案7根据技术方案1所述的开关模块，其中每个单掷开关是多极单掷开关，并且其中所述第一控制器和第二控制器配置成控制所述电极。
本申请技术方案8根据技术方案1所述的开关模块，还包括与所述第一单掷开关和第二单掷开关中的每一者串联的电流测量装置。
本申请技术方案9根据技术方案1所述的开关模块，其中所述单掷开关中的至少一个单掷开关是固态和双向开关。
本申请技术方案10涉及一种用于将具有至少两个可切换支路的网络中的多个元件互连的方法，所述方法包括：识别网络节点，在所述网络节点处，连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交；配置开关模块，所述开关模块包括具有第一输入端子的第一单掷开关和具有第二输入端子的第二单掷开关，所述第一单掷开关和所述第二单掷开关在公共端子处串联；以及将所述开关模块的所述公共端子定位在所述网络节点处；将所述第一输入端子连接到所述第一元件；以及将所述第二输入端子连接到所述第二元件。
本申请技术方案11涉及根据技术方案10所述的方法，其中所述第一元件和第二元件中的每一者均为电力源或负载中的一者。
本申请技术方案12根据技术方案10所述的方法，其中所述网络中的至少一个元件是配置成向所述网络中的至少两个其他元件传输电力的母线。
本申请技术方案13根据技术方案10所述的方法，还包括多个开关模块，所述多个开关模块中的每个开关模块的所述公共端子分配给多个网络节点中的一个网络节点。
本申请技术方案14根据技术方案10所述的方法，还包括识别连接第三元件并与所述网络节点相交的第三可切换支路，其中所述开关模块包括具有连接到所述第三元件的第三输入端子的第三单掷开关。
本申请技术方案15根据技术方案10所述的方法，还包括独立地控制所述单掷开关中的每个单掷开关。
本申请技术方案16根据技术方案10所述的方法，还包括测量所述第一输入端子与所述第一元件之间以及所述第二输入端子与所述第二元件之间的电流。
本申请技术方案17涉及一种飞行器，包括：网络，所述网络具有至少两个可切换支路；网络节点，在所述网络节点处，连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交；开关模块，所述开关模块包括具有连接到所述第一元件的第一输入端子的第一单掷开关以及具有连接到所述第二元件的第二输入端子的第二单掷开关，所述第一单掷开关和所述第二单掷开关在公共端子处串联；第一控制器，所述第一控制器连接到所述第一单掷开关；第二控制器，所述第二控制器连接到所述第二单掷开关；并且其中所述第一控制器和第二控制器配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
本申请技术方案18根据技术方案17所述的飞行器，其中所述第一单掷开关和第二单掷开关中的至少一者是双向开关。
本申请技术方案19根据技术方案17所述的飞行器，还包括与所述第一单掷开关和第二单掷开关中的每一者串联的电流测量装置。
本申请技术方案20根据技术方案17所述的飞行器，其中所述第一单掷开关和第二单掷开关中的至少一者是固态开关。
附图说明
图1示出了与可切换支路相连的元件的第一电网。
图2示出了根据本说明书中所述的各个方面的具有两个单掷开关的开关模块的第一实施例的示意图。
图3示出了根据本说明书中所述各个方面的图2开关模块，所述开关模块包括与每个单掷开关串联的电流测量装置。
图4示出了根据本说明书中所述各个方面的具有三个单掷开关的开关模块的第二实施例的示意图。
图5示出了根据本说明书中所述各个方面的每个单掷开关均具有三个电极的开关模块的第三实施例的示意图。
图6是示出根据本说明书中所述各个方面的用于使用图2所示的开关模块将图1所示网络中的多个元件互连的方法的示意图。
图7是示出根据本说明书中所述各个方面的用于使用采用另一个构造的图2所示的开关模块将图1所示网络中的多个元件互连的方法的示意图。
图8示出了与可切换支路相连的元件的第二电网。
图9是示出根据本说明书中所述各个方面的用于使用图2所示的开关模块将图8所示网络中的多个元件互连的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了电网30，所述电网包括经由至少两个可切换支路34可连接的多个元件32。所述至少两个可切换支路34可以各自选择性地将多个元件32中的至少一个元件连接到多个网络节点36中的一个网络节点。每个网络节点36可以定义成两个或更多个可切换支路34电气相交的地方。例如，图1示出了通过网络节点36连接多个元件32的十个可切换支路34。每个元件32可以是电力源，例如左发电机或右发电机50、电池52或者次级电源54。每个元件32还可以是负载，例如左主负载或右主负载40、左次级负载或右次级负载42，或者左启动器或右启动器44。可切换支路34中的每个可切换支路均可以作为独立的单极开关或多极开关实施，具体取决于通过可切换支路切换的导体的数量。
母线56可以用作一个网络节点36，并且可以包括低电阻导体，所述低电阻导体用于从网络30中的至少一个电力源例如一个发电机50接收电力，并将所接收到的电力传输到网络中的至少两个其他元件32，例如一个主负载40和一个次级负载42。由于在母线56处相交的两个可切换支路34之间的电交会点在沿母线56上的任何地方处均大体相同，因此与负载例如一个二次负载42的电阻相比，每个母线56的电阻可以视作近似为零欧姆，并且因此而形成一个网络节点36。母线56也可以视作元件32，并且可切换支路34可以将母线56切换到另一个网络节点36或另一个母线。
继续参见图1，电网30可以是但不限于强电流飞行器电气系统的主系统。例如，所述主系统可以是用于小型到中型双发动机飞行器的28V直流(DC)主电气系统。所述主系统还可以是用于商业或军用飞行器例如三相交流系统的交流(AC)主电力系统。所述飞行器主系统内的负载可包括必要和非必要负载。每个可切换支路34可以具有定制设计，以适应相对于电网30中的其他可切换支路而言独特的强电流。电网30还可以应用于需要强电流配电的地面运输、铁路或海洋应用。
每个可切换支路34可以单独包装和通过连接器连接。电网30可以经由用于各种操作模式的可切换支路34来进行配置，例如向一个启动器44中供能或者将左母线56桥接到右母线56。主负载40可以视作必要负载，并且可以直接由一个母线56向其供能。例如，在飞行器中，主负载40可以分别是但不限于厨房负载(galley load)、电热机身除冰系统或变压器整流器单元(TRU)。次级负载42可以视作非必要负载，并且可以经由一个可切换支路34向其供能。次级负载42的示例可以是但不限于航空电子设备、外部照明和机舱照明。
次级电源54可以是从陆地电源(未示出)向电网30供电的接地电源。例如，次级电源54可以是设置在机场终端处的陆地电源，所述机场终端位于停放着进行飞行器装载和卸载的飞行器相邻处。在替代应用中，次级电源54可以是位于货车场、铁路站场或海洋港口处用于向地面、轨道或海洋应用提供电力的电池或电源。
现在参见图2，在本发明的各个方面中，开关模块10可以包括串联的两个单掷开关12，并且每个所述单掷开关具有可在串联接头处切换到公共端子26的输入端子20。A单掷开关和B单掷开关12可以各自具有控制器14(分别为A或B)，用于独立于开关模块10中的另一个单开关来控制单掷开关12的开关。在图2所示的方面中，每个单掷开关12可以是一个导电通路中用于闭合或断开电路的单极单掷(SPST)开关。公共端子26和至少一个输入端子20可以配置成连接到电力源或负载中的一者。
开关模块10可以是为飞行器电气系统的主系统配置的飞行器强电流开关模块。例如，开关模块10可设计成适合飞行器电气系统特有的强电流或环境规格。单掷开关12中的至少一个可以是诸如MOSFET或其他装置的固态开关。固态开关12可以是专门针对飞行器规格的，诸如温度、冲击、振动、额定电流、对瞬态信号的保护、工作电压或工作电流。单掷开关12还可以是诸如继电器或断路器等机电开关，并且可以由控制器14控制。
单掷开关12中的至少一个单掷开关可以是双向的，以在两个方向上传递电流。例如，双向开关可以是三端双向可控硅开关、继电器或配置成在由控制器14控制时传递特定于飞行器电网的电压和电流的其他装置。或者，一个或多个单掷开关12可以是单向的，例如具有单向特性的可控硅整流器(SCR)。
现在参见图3，在本发明的各个方面中，开关模块10可以包括与每个单掷开关12串联的电流测量装置16。电流测量装置可以包括用于测量电压的小型串联电阻器、霍尔效应传感器或所属领域中已知的其他部件。电流测量装置16可以通过控制电路(未图示)监测，以验证单掷开关12的断开/闭合状态或者检测超过开关模块10规格的操作条件。或者，开关模块10可以包括仅与一个单掷开关12串联的电流测量装置16。
现在参见图4，在本发明的各个方面中，开关模块110可以包括三个单掷开关112(A、B和C)，每个所述单掷开关(A、B和C)具有其本身的可切换到公共端子126的输入端子120(A、B或C)并且具有可独立控制114的控制器(分别为A、B和C)。如图2所示，每个单掷开关12可以是一个导电通路中用于闭合或断开电路的单极单掷(SPST)开关。
现在参见图5，在本发明的各个方面中，开关模块210可以包括两个多极单掷开关213(A和B)，每个所述多极单掷开关包括三个单极单掷开关212，每个所述单极单掷开关具有可切换到公共端子(分别为226、227或228)的输入端子(220、221或222)。所述多极单掷开关213可以各自具有独立的控制器114(A或B)。例如，开关模块210可以包括两个单掷开关，每个所述开关能够选择性地将诸如三相交流信号等三导体信号切换到公共端子226、227和228。
开关模块210还可以包括围封单极单掷开关212的壳体230。在未示出的实施例中，壳体230还可以分别包括在围封单掷开关12或112的开关模块10(图2-3)或110(图4)中。公共端子(226、227、228)或输入端子(220、221、222)中的至少一者可以安装到壳体230，以便在从开关模块210连接或断开电缆或导体(未图示)时释放施加在所安装的端子上的应变。开关模块210可以安装在机架上，并且壳体230可配置成安装到机架(未图示)。
或者，开关模块210可以配置成安装在机架上，并且壳体230可安装到开关模块210。输入(220)或公共端子226中的至少一个可以包括用于将开关模块210的一个或多个端子(220、226)手动连接到飞行器主电气系统的连接器(未图示)。例如，开关的输入和公共端子可以是具有低接触电阻的滑动插头或插座，其原理上类似于普通的香蕉插头，用于快速安装和维修开关模块。
参见图2到图5，输入和公共端子可以用连接器连接，以便在无需工具的情况下快速安装和维修。开关模块(10、110、210)还可以包括使单极开关保持对准的安装架(未图示)，用于将输入和公共端子连接或焊接到印刷电路板。开关模块可以应用于任何中小型商业或私人飞行器以及大型商用载客飞行器。有利地，与公共端子(26、126、226)对应的连接以及开关模块中的两个或更多个单掷开关之间的连接是内部的，因此可以免除电网30中的外部端子或连接器。开关模块也可用于需要强电流配电的地面或海上应用中，特别是强电流开关是通过连接器连接的独立模块的情况下。
现在参见图6，在本发明的各个方面中，图1所示网络中的元件32可以使用图2所示的多个开关模块10互连，以实现可切换支路34。每个网络节点36可以定义成两个或更多个可切换支路34电气相交的地方。每个开关模块10的公共端子26可以位于多个网络节点36中的一个网络节点处。在图6中所示的示例中，使用具有总共五个公共端子26的五个开关模块10来通过将公共端子26定位在网络节点36处来实施图1所示的开关拓扑。可存在开关模块10的替代布置，以实现图1所示的开关拓扑，其中一个替代布置如下文参见图7所述。
有利地，通过将公共端子26分配给电网30中的网络节点36，可以巧妙地部署标准化开关模块10，以减少电网30中的部件数量。此外，如果开关模块10包括围封每个开关模块10的壳体(230，图5)，则可以减小可切换支路所占据的体积。此外，与图1中所需的二十个端子相比，图6所示的总共十五个输入和公共端子可以表示将电网30内需要连接的开关端子的数量减少25％，从而可以提高电网30的可靠性。
继续参见图6，在各个方面中，由于电池母线56的一些连接现已并入三个上部开关模块内，因此可将电池母线56简化成仅将三个部件连接在一起(三个上部开关模块10)。这可以是比图1所示各个可切换单掷支路34所需的六个连接更少的连接数。
在未图示的方面中，开关模块可以设计成包括三个单掷开关，每个开关都具有可转换到公共端子的输入端子，其优点在于可以通过图6中所示的双开关模块10实现更大的规模经济性和紧凑性。在将开关模块的三开关实施例应用于电网30时，可以识别网络节点，即三个或更多个可切换支路电气地相交处，然后可以将开关模块的公共端子定位在所述网络节点处。但是，三个开关模块中的至少一开关模块中的至少一个单掷开关可能不被使用，例如当网络节点仅连接到两个可切换支路时。例如，图1所示可切换支路可以替换成四个开关模块，每个开关模块包括三个单掷开关(而不是图6所示的五个开关模块)，并且可以使总共两个单掷开关不被使用。
现在参见图7，在本发明的各个方面中，图1中的多个元件32互连的另一种布置被图示成使用图2所示的开关模块10。可以识别网络节点36的一系列替代，当所述网络节点分配给图1所示的开关模块10的公共端子26时，完全实现图1所示的开关拓扑，而不留下任何未使用的单掷开关12。请注意，连接到左母线和右母线56中的每个母线的元件32和开关模块10的数量从图1所示的四个连接减少到图7中所示的三个连接。图7中所示的开关模块10的此实施方案可以吸纳图1所示的20个端子连接中的五个端子连接，并且可以将电网30中的端子连接减少25％。
可能存在开关模块10的其他配置，并且所述配置可有利地适应强电流分配系统中的其他约束，例如各种元件32的布线细节和位置。例如，参见图7，左侧启动器44和电池52可以在飞行器中彼此靠近，并且形成比电池52和次级电源54更方便地实施开关模块10的节点。
图8示出了第二电网31，所述第二电网可以包括可经由八个可切换支路34连接的八个元件32和两个母线56。电力源包括三个发电机50和次级电源54。电气负载包括两个主负载40和两个次级负载42。每个可切换支路34可以表示具有两个或更多个导体的用于切换交流信号的单独的多极开关。总线结58可以将两个或更多个母线56连接在一起，以便在电网31中发生左侧或右侧故障时提供冗余。
母线结58可以用作一个网络节点36，并且可以包括低电阻导体，用于从网络30中的至少一个电力源，例如一个发电机50接收电力，并将所接收到的电力传输到网络中的至少两个其他元件32，例如左母线和右母线56。
现在参见图9，在本发明的各个方面中，图8所示网络中的元件32可以使用图2所示的多个开关模块10互连，以实施可切换支路34。每个开关模块10的公共端子26可以位于由开关模块10例示的两个可切换支路之间形成的多个网络节点36中的一个网络节点处。在图9中所示的示例中，可以使用具有总共四个公共端子26的四个开关模块来实施图8所示的开关拓扑。可以采用开关模块10的替代布置(未图示)来实施图8所示的开关拓扑，并且可以或可以不致使一个或多个单掷开关20不被使用。
母线结58可以被图9中的中心所示的开关模块10吸收。输入端子20和公共端子26的总数可以从图8所示的十六个端子减少到图9所示的十二个端子。在未图示的替代配置中，具有三个或更多个单掷开关的开关模块可以配置成实施图8所示的开关拓扑。
本发明中预期还包括除了上述附图中所示之外的许多其他可能的实施例和配置。在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可根据需要彼此组合使用。所有这些实施例中未说明的特征并不意图解释成其无法包括在这些实施例中，而是出于简明描述的目的。因此，不同实施例的各种特征可以根据需要组合和匹配，以形成新的实施例(无论该新实施例是否被明确说明)。此外，尽管已经描述了“一组”或“多个”各种元件，但是应理解，“一组”或“多个”可以包括仅具有一个元件的任意数量的各个元件。本说明书中涉及本说明书中所述特征的结合或排列。
本说明书使用了多个实例来公开本发明的实施例，包括最佳模式，同时还使得所属领域中的任何普通技术人员能够实践这些实施例，包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种开关模块，包括：
第一单掷开关，所述第一单掷开关具有可切换到公共端子的第一输入端子；
第二单掷开关，所述第二单掷开关具有可切换到所述公共端子的第二输入端子；
第一控制器，所述第一控制器连接到所述第一单掷开关；
第二控制器，所述第二控制器连接到所述第二单掷开关；并且
其中所述第一控制器和第二控制器配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
2.根据权利要求1所述的开关模块，其中所述第一输入端子、所述第二输入端子或所述公共端子中的至少一者包括用于连接到飞行器的主电气系统的连接器。
3.根据权利要求1所述的开关模块，还包括围封所述第一单极开关和所述第二单极开关并配置成安装在机架上的壳体。
4.根据权利要求3所述的开关模块，还包括将所述第一输入端子、所述第二输入端子或所述公共端子中的至少一者安装到所述壳体，以用于消除应变。
5.根据权利要求1所述的开关模块，还包括第三单掷开关，所述第三单掷开关具有可切换到所述公共端子的第三输入端子；以及第三控制器，所述第三控制器配置成独立地控制所述第三单掷开关。
6.根据权利要求1所述的开关模块，其中所述第一单掷开关和第二单掷开关中的每一者是单极单掷(SPST)开关。
7.根据权利要求1所述的开关模块，其中每个单掷开关是多极单掷开关，并且其中所述第一控制器和第二控制器配置成控制所述电极。
8.根据权利要求1所述的开关模块，还包括与所述第一单掷开关和第二单掷开关中的每一者串联的电流测量装置。
9.一种用于将具有至少两个可切换支路的网络中的多个元件互连的方法，所述方法包括：
识别网络节点，在所述网络节点处，连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交；
配置开关模块，所述开关模块包括具有第一输入端子的第一单掷开关和具有第二输入端子的第二单掷开关，所述第一单掷开关和所述第二单掷开关在公共端子处串联；以及
将所述开关模块的所述公共端子定位在所述网络节点处；将所述第一输入端子连接到所述第一元件；以及将所述第二输入端子连接到所述第二元件。
10.一种飞行器，包括：
网络，所述网络具有至少两个可切换支路；
网络节点，在所述网络节点处，连接第一元件的第一可切换支路与连接第二元件的第二可切换支路相交；
开关模块，所述开关模块包括具有连接到所述第一元件的第一输入端子的第一单掷开关以及具有连接到所述第二元件的第二输入端子的第二单掷开关，所述第一单掷开关和所述第二单掷开关在公共端子处串联；
第一控制器，所述第一控制器连接到所述第一单掷开关；
第二控制器，所述第二控制器连接到所述第二单掷开关；并且
其中所述第一控制器和第二控制器配置成分别独立地控制所述第一单掷开关和第二单掷开关。
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