CN111164852A - 具有改进的构造、可操作性、耐久性和维护性的电池驱动的地面供电单元 - Google Patents

具有改进的构造、可操作性、耐久性和维护性的电池驱动的地面供电单元 Download PDF

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Abstract

用于向停在地面上的飞机供应电流的机场地面供电单元、操作地面供电单元的方法、用于向停在地面上的飞机供应电流的系统、操作该系统的方法，以及Y形转接器。地面供电单元包括：第一电池；用于将电池的输出电流转换为交流输出电流以供应给飞机的逆变器；以及一个或多个第一电子开关，用于将第一电池与逆变器连接和断开。第一开关串联连接至第一电池，并且一起连接至逆变器。第一控制器单元控制一个或多个第一开关中的至少一个。地面供电单元还包括第二电池和用于将第二电池与逆变器连接和断开的第二电子开关。第二开关串联连接到第二电池，并且一起连接到逆变器，使得它们与串联连接的第一电池和第一开关并联。第二开关中的至少一个由第一或第二数字控制器单元控制。第一二极管也串联连接到第一电池，以允许电流从第一电池流到逆变器，并阻止或限制电流从逆变器或第二电池流到第一电池。第二二极管串联连接到第二电池，以允许电流从第二电池流到逆变器，并阻止或限制电流从逆变器或第一电池流到第二电池。

Description

具有改进的构造、可操作性、耐久性和维护性的电池驱动的地 面供电单元
本发明涉及飞机地面供电单元(GPU)。在瑞士ARADEX AG的相关技术“Referenzbericht:eGPU Energieversorgung von Flugzeugen”中，提出了一种电池驱动的地面供电单元。
发明人希望改进这种电池驱动GPU的构造、可操作性、耐久性和维护性。因此，本发明的目的是提供一种具有改进的构造、可操作性、耐久性和维护性的GPU。
在本申请中，术语电池GPU总体涉及包括一个或多个电池的GPU。另外，它可以是混合式GPU，另外包含内燃机和发电机。
特别地，该目的通过优选地通过轮子移动的机场电池GPU来实现，用于向停在地面上的飞机供应电流，所述GPU包括：
-第一电池，
-逆变器，用于将电池的输出电流转换成逆变器的交流输出电流，以供应给飞机，
-一个或多个第一电子开关，用于将第一电池与逆变器连接和断开，其中，一个或多个第一开关串联连接至第一电池，其中串联连接的第一电池和一个或多个第一开关一起连接到逆变器，
-第一控制器单元，用于控制一个或多个第一开关中的至少一个、优选控制全部的第一开关；
-第二电池和
-一个或多个第二电子开关，用于将第二电池与逆变器连接和从逆变器断开，其中，一个或多个第二开关串联连接至第二电池，并且串联连接的第二电池和一个或多个第二开关一起连接到逆变器，以使它们与串联连接的第一电池和一个或多个第一开关并联，其中一个或多个第二开关中的至少一个、优选全部的第二开关由第一数字控制器单元或第二数字控制器单元控制，其中
除了一个或多个第一开关串联连接到第一电池之外，第一二极管也串联连接，从而允许电流从第一电池流到逆变器，并阻止或限制电流从逆变器或第二电池流到第一电池；
并且其中，除了一个或多个第二开关串联连接到第二电池之外，第二二极管也串联连接，从而允许电流从第二电池流到逆变器，并阻止或限制电流从逆变器或第一电池流到第二电池。
本发明的目的还特别地通过一种操作GPU以向停在地面上的飞机供应电流的方法来实现，所述操作GPU包括以下步骤：
-通过第一数字控制器单元切换一个或多个第一电子开关，用于将GPU的第一电池与GPU的逆变器连接和断开；
-将所述第一电池的输出电流转换为所述逆变器的交流输出电流，
-通过第一控制器单元或通过第二控制器单元切换一个或多个第二电子开关，用于将GPU的第二电池与逆变器连接和断开，
-通过GPU的第一二极管允许从电流第一电池流到逆变器并且阻止或限制电流从逆变器或第二电池流到第一电池，
-通过GPU的第二二极管允许电流从第二电池流到逆变器并且阻止或限制电流从逆变器或第一电池流到第二电池，
-将第二电池的输出电流转换为逆变器的交流输出电流。
由此，改善了电池GPU的构造、操作性、耐久性和维护性。例如，如果一个电池出于某种原因在负载期间断开，则剩余的电池(或多个电池，见下文)可以保持不受影响。如果需要，在飞机转弯期间，完全充电的电池可以作为连接到逆变器的储备保持。二极管由此防止反向充电或防止以无限电流反向充电，反向充电或以无限电流反向充电将对电池有害和/或导致效率降低。
优选地，以相同的方式，GPU包括具有一个或多个第三开关和第三二极管的第三电池和/或具有一个或多个第四开关和第四二极管的第四电池和/或具有并联连接到第一和第二电池以及相应开关的一个或多个额外开关和额外二极管的额外电池。以下描述的特征优选用于第一和第二电池方案，在多于两个电池的情况下，优选地也相应地适用于第三、第四或额外的电池方案。
第一电池和第二电池优选地各自被配置成在通向飞机的GPU的输出端口处维持90kW。优选地，第一电池和第二电池以具有相同电气规格的相同方式构建。第一电池和/或第二电池优选为电池组，每个电池组由多个电池单元构成。
逆变器优选配置为输出400Hz ac，优选3×200Vac(相位间)@400Hz，优选至少90kVA。
第一/第二二极管至少(被配置用于)限制电流从逆变器或从第二/第一电池流到第一/第二电池，例如通过迫使任何反向电流流过第一/第二旁路电阻器，所述第一/第二旁路电阻器可以是典型的准线性电阻器或另一限流元件或限流元件电路。特别优选地，第一/第二二极管(被配置用于)完全限制电流从逆变器或从第二/第一电池流到第一/第二电池，例如实现为不存在与相应二极管并联的允许反向电流的分流路径。
优选地，GPU不包括具有高于GPU的输出功率额定值的50％、优选30％的连续电功率输出的内燃机驱动的发电机组。
优选地，第一开关和第一二极管中的一个或多个实现在一个元件中，例如晶体管(优选IGBT)或晶闸管。对于第二开关和第二第一二极管，同样的情形是优选的。
优选地，第一开关和第一二极管中的一个或多个由电子继电器(机电或固态)实现，除非继电器已经是单向的，则由单独的串联二极管实现。对于第二开关和第二第一二极管，同样的情形是优选的。优选地，一个或多个第一开关中的至少一个和一个或多个第二开关中的至少一个实现为机电继电器。
电池的输出电流可以直接或间接(例如通过滤波器或另一中间元件)被引导到逆变器。
优选地，每一电池具有专用于该电池的电池监视装置，且GPU经配置以在电池监视装置指示相应电池的故障的情况下通过断开第一或第二开关中的一者来断开任何电池。
在根据本发明的另一优选实施例中，地面供电的所有电池的总容量至少为80kWh。
因此，电池能够存储足够的能量以仅通过电池存储的能量维持几次飞机转弯。
在根据本发明的另一优选实施例中，所述一个或多个第一开关中的至少一个和所述一个或多个第二开关中的至少一个各自被配置为将相应电池的两极与逆变器断开。在根据本发明的另一优选方法中，各个电池的两极连接到逆变器和与逆变器断开。
由此，提高了GPU的安全性。电池与其他电路的完全断开在紧急情况下可能是有利的。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU包含经配置以对第一电池和第二电池充电的电池充电器。在另一优选方法中，第一和第二电池由相同的充电器同时充电或轮流充电。
优选地，GPU包括开关，优选为2极开关，
a)用于将充电器连接到第一/第二电池和从第一/第二电池断开
b)或者为了将充电器连接到电源和从电源断开，向充电器输入电力。
特别优选地，在a)的情况下，该开关是一个或多个第一/第二开关之一。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU包括经配置以对第一电池充电的第一电池充电器和经配置以对第二电池充电的第二电池充电器。在根据本发明的另一优选方法中，第一电池由GPU的第一电池充电器充电，第二电池由GPU的第二电池充电器充电。
由此，实现了快速和容易的充电。通过对每个电池包括一个充电器的GPU，可以从50/60Hz电力干线对电池充电，此外，电池可以彼此独立地以快速方式充电。对于每个电池配备一个充电器提高了总电池容量的利用率，即，当某一电池的充电由于高电池电压而需要“减慢”时，剩余组的电池的充电可以继续不受影响。
优选地，第一控制器被配置为控制第一充电器，第二控制器被配置为控制第二充电器。优选地，充电器连接到GPU的一个相同或不同的连接器，用于将充电器连接到电网电力。
优选地，GPU包括：
a)开关，优选是2极的，用于将该第一充电器连接至该第一电池和从该第一电池断开该第一充电器，以及开关，优选地是2极的，用于将该第二充电器连接至该第二电池和从该第二电池断开该第二充电器，
b)或一个或多个开关，用于一起或单独地将第一充电器和第二充电器连接到电源和从电源断开，从而向第一充电器和第二充电器输入电力。
特别优选地，在a)的情况下，开关是一个或多个第一/第二开关中的一个。
因此，优选地，一个或多个第一开关中的至少一个被配置成将充电器(优选地第一充电器)从第一电池断开，并且一个或多个第二开关中的至少一个被配置成将充电器(优选地第二充电器)从第二电池断开。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU包括具有小于或等于所述GPU的功率输出额定值的50％、优选30％的连续电功率输出的内燃机驱动的发电机组或燃料电池，其中所述发电机组经配置以向充电器或第一和/或第二充电器送电和/或经配置以经由整流器将电力直接馈送到共用DC总线(即，所述电池的输出和/或所述逆变器的输入)中。在根据本发明的另一优选方法中，充电器或第一和/或第二充电器由GPU的相应发电机组供电。
因此，提供了通过非常小的发动机或燃料电池对电池充电一种成本有效且紧凑的方式，所述发动机或燃料电池的功率不足以维持GPU所定额的飞机，但其功率足以将电池充电到某一充电状态。
在根据本发明的另一优选实施例中，所述一个或多个第一开关中的至少一个被配置为将所述第一电池从所述逆变器断开，同时
-将充电器或第一电池充电器连接到第一电池
-和/或不将充电器或第一电池充电器从第一电池断开
并且其中
所述一个或多个第二开关中的至少一个被配置为将所述第二电池从所述逆变器断开，同时
-将充电器或第二电池充电器连接到第二电池
-和/或不将充电器或第二电池充电器从第二电池断开。
在根据本发明的进一步优选的方法中，切换所述一个或多个第一开关中的所述至少一个是将所述第一电池从所述逆变器断开，同时将所述充电器或所述第一电池充电器连接到所述第一电池和/或不将所述充电器或所述第一电池充电器从所述第一电池断开
以及切换所述一个或多个第二开关中的所述至少一个是将所述电池从所述逆变器断开，同时将所述充电器或所述第二电池充电器连接到所述第二电池和/或不将所述充电器或所述第二电池充电器从所述第二电池断开。
因此，可以在电池不放电的同时对电池充电。
在根据本发明的另一优选实施例中，一个或多个第二开关由第二控制器单元控制。
其中，所述GPU包括第一电池监视装置，用于监视所述第一电池的正确功能；
其中，所述第一控制器经由第一通信线路连接到所述第一电池监视装置以与所述第一电池监视装置通信，并且被配置成一旦所述第一电池监视装置指示所述第一电池发生故障，则通过断开所述一个或多个第一开关中的至少一个，优选地从所述逆变器和/或所述充电器断开所述第一电池，
其中，所述GPU包括第二电池监视装置，用于监视所述第二电池的正确功能；
其中，所述第二控制器经由第二通信线路连接到所述第二电池监视装置，以与所述第二电池监视装置通信，并且被配置为一旦所述第二电池监视装置指示所述第二电池发生故障，则通过断开所述一个或多个第二开关中的至少一个，优选地从所述逆变器和/或所述充电器断开所述第二电池。在根据本发明的另一优选方法中，相应地监视电池并在故障时相应地切换开关以断开相应的电池。
因此，提高了GPU的安全性，因为每个电池具有其自己的安全切断系统。
优选地，第一电池监视装置和第二电池监视装置是被配置成监视以下各个参数中的一个或多个的电池管理控制器：
-电压：总电压、单个电池单元的电压、最小和最大电池单元电压或周期性抽头的电压，
-温度：平均温度、冷却剂入口温度、冷却剂输出温度或单个电池单元的温度，
-充电状态(SOC)或放电深度(DOD)，以指示电池的充电水平，
-健康状态(SOH)，电池整体状况的各种定义的测量值，
-冷却剂流：对于空气或流体冷却的电池，
-电流：进出电池的电流，
-绝缘电阻：电池极和壳体之间的隔离
以及被配置为向相应的第一和第二控制器指示前述参数中的任一个或前述参数中的其中一个的计算值是否超出其允许的边界以指示故障。
优选地，第一通信线路与第二通信线路电隔离。这进一步提高了安全性。
优选地，第一和第二控制器各自经由通信总线(例如，CAN总线)与相应的电池监视装置通信。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU包括数字中央控制器，
其中，所述中央控制器连接到用户接口，并且被配置为由用户使用用户接口来控制，并且经由通信总线连接到所述第一控制器和所述第二控制器。在根据本发明的另一优选方法中，GPU相应地由用户使用，并且中央控制器相应地与第一和第二控制器通信。
因此，由于用户对GPU的总体控制是通过单独的中央控制器实现的从而第一和第二控制器不会执行这些任务，因此进一步提高了安全性。
中央控制器优选地配置成向第一和第二控制器发送切换命令，用于连接或断开第一或第二电池和/或对其充电。该第一控制器和第二控制器被配置成接收这些命令并且切换该一个或多个第一和第二开关和/或相应地控制该第一和第二充电器。优选地，第一控制器和第二控制器被配置为在由第一或第二电池监视装置指示第一或第二电池故障的情况下拒绝用于连接或断开第一或第二电池和/或对其充电的命令。
中央控制器优选地被配置为控制逆变器。
优选地，中央控制器与第一和第二控制器之间的通信总线的通信线路与第一和第二控制器与第一和第二电池监视装置之间的第一和第二通信线路电绝缘。
在根据本发明的另一个优选实施例中，所述一个或多个第一开关中的至少一个和所述第一电池形成容纳在第一壳体中的第一电池模块，
并且其中所述一个或多个第二开关中的至少一个和所述第二电池形成容纳在第二壳体中的第二电池模块。
因此，进一步改进了结构、维护性和安全性。这种模块可以更容易地放入GPU中和被更换。此外，故障(例如起火)的影响可由壳体限制。壳体优选是防火的，例如因为是金属的。优选地，电池监视装置(参见上文)也是如此形成的电池模块的一部分。
在根据本发明的另一个优选实施例中，第一和第二电池模块各自包含软启动设备，用于在通过一个或多个第一和第二开关将相应的第一和第二电池连接到逆变器之后暂时限制相应的第一和第二电池的输出电流。在根据本发明的另一方法中，相应地暂时限制相应的第一和第二电池的输出电流。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU(优选地，第一和第二壳体中的每一者)包含加热装置，所述加热装置经配置以当温度降到低于预定温度(例如，-20℃)时自动接通或以增加的功率供电，且当温度达到高于或等于预定温度的温度时，自动断开或再次以减少的功率供电。在根据本发明的另一方法中，相应地切换/控制加热元件。
在根据本发明的另一优选实施例中，GPU包括串联连接在逆变器与第一和第二电池之间的电感。在根据本发明的另一优选方法中，逆变器的电流峰值被逆变器与第一和第二电池之间的电感衰减。
由此，进一步提高了地面供电系统的可操作性。可以重新连接断开的电池，尽管该电池具有比其余组的电池更高的电压，并且在这种情况下，电感将进入逆变器的涌入电流限制在可接受的水平。一些电池组可以被充电，而其他电池组用于维持负载(放电)。
在根据本发明的另一优选方法中，一个或多个第一电子开关的切换和一个或多个第二电子开关的切换包括：
-切换所述一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于将所述第一电池连接到所述逆变器；
-切换所述一个或多个第二电子开关中的至少一个，用于将所述第二电池连接到所述逆变器；
-切换所述一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于将所述第一电池与所述逆变器断开，同时继续将所述第二电池的输出电流转换为所述逆变器的交流输出电流，然后通过所述GPU的电池充电器对所述第一电池充电；
-在一定时间之后切换一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于再次将第一电池连接到逆变器，以便将此时已再充电的第一电池的输出电流转换为逆变器的交流输出电流，同时通过第二二极管阻止或限制电流从第一电池流到第二电池。
在根据本发明的另一优选方法中，所述一个或多个第一电子开关的切换和所述一个或多个第二电子开关的切换包括：
-切换所述一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于将所述第一电池连接到所述逆变器；
-切换所述一个或多个第二电子开关中的至少一个，用于将所述第二电池连接到所述逆变器；
-切换所述一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于将所述第一电池与所述逆变器断开，同时继续将所述第二电池的输出电流转换为所述逆变器的交流输出电流，然后通过所述GPU的电池充电器对所述第一电池充电；
-在一定时间之后切换一个或多个第一电子开关中的至少一个，用于再次将第一电池连接到逆变器，以便将此时已再充电的第一电池的输出电流转换为逆变器的交流输出电流，同时通过第二二极管阻止或限制电流从第一电池流到第一电池。
在根据本发明的另一优选方法中，所述一个或多个第一电子开关的切换包括：
-在用于监视所述第一电池的正确功能的第一电池监视装置指示所述第一电池发生故障时，切换所述一个或多个第一电子开关中的至少一个以将所述第一电池与所述GPU的逆变器和/或充电器断开；
并且一个或多个第二电子开关的切换包括
-在用于监视所述第二电池的正确功能的第二电池监视装置指示所述第二电池发生故障时，切换所述一个或多个第二电子开关中的至少一个以将所述第二电池与所述GPU的逆变器和/或充电器断开。
优选地，该控制方案在中央控制器中实现。
此外，通过一种用于向停在地面上的飞机供应电流的系统来实现提高电池GPU的可操作性的目的，所述系统包括：用于向停在地面上的飞机供应电流的电池GPU，该电池GPU优选为根据本发明的电池GPU，所述电池GPU包括一个或多个电池以及逆变器，逆变器用于将所述一个或多个电池的输出电流转换为所述逆变器的交流输出电流以供应给所述飞机，其中所述电池GPU包括交流输入端口，其中所述电池GPU被配置为经由所述交流输入端口连接到辅助GPU的交流输出连接器，以便经由所述交流输入端口将所述辅助GPU的交流输出电流引导到所述飞机。
本发明还通过一种对用于向停在地面上的飞机供应电流的系统进行操作的方法来实现，优选地所述系统为根据本发明的系统，所述系统包括电池GPU，用于通过使用一个或多个电池、优选地使用根据本发明的方法向停在地面上的飞机供应电流，优选地所述电池GPU为根据本发明的电池GPU，并且该系统进一步包括用于向停在地面上的飞机供应电流的辅助GPU，
其中所述方法包括以下步骤：
-将辅助GPU的交流输出连接器连接到电池GPU的交流输入端口，并且经由交流输入端口将辅助GPU的交流输出电流引导到飞机。
因此，通过将飞机供电从电池GPU的一个或多个电池切换到辅助GPU的相应电源(例如电池或发电机)，可以延长电池GPU的连续使用的时长。
在根据本发明的另一优选系统中，交流输入端口包括飞机插座，被配置为连接到适于连接到飞机的飞机输出连接器。
由此，多个GPU可以利用现有的GPU飞机输出连接器彼此连接。常规(例如柴油)GPU可以容易地用作辅助GPU。
飞机插座是整合在飞机机身中的插座，GPU的飞机输出连接器连接到该插座以给飞机供电。它是标准化的(6极，400Hz)并且是本领域技术人员已知的。
飞机插座优选地嵌入在GPU的壳体中。可替换地，GPU的输出电缆通过Y型电缆配置而使得飞机插座具有相应的特征。
在根据本发明的另一优选系统中，电池GPU包括Y形转接器，Y形转接器具有两个交流输入端口，每个交流输入端口包括飞机插座，并且Y形转接器具有飞机输出连接器，由此电池GPU的飞机输出连接器连接到两个交流输入端口之一。优选地，Y形转接器包括针对每个要被切换的相(例如4相)的输入耦接开关。
因此，电池GPU可以容易地配备有交流输入端口。
在根据本发明的另一优选系统中，该系统被配置为将下列项彼此同步
-电池GPU的逆变器的交流输出电流，优选地是输出电流的相位角和/或频率和/或振幅，以及
-辅助GPU的交流输出电流，优选地是输出电流的相位角和/或频率和/或振幅。
由此，可以准备GPU之间的功率传送的顺畅切换。优选地，使相位角以及频率和幅度同步。然而，在实践中对顺畅转换具有最高影响的参数可能是相位角，因为振幅和频率可以由每个GPU控制到足够精确的程度，而两个GPU的电流之间的相位角一开始是不相关的。因此，仅同步输出电流的相位角可能已经足够用于顺畅切换。
在根据本发明的另一优选系统中，系统优选为电池GPU，所述系统包括输入耦接开关，由此优选为电池GPU的系统配置为-检测辅助GPU的交流输出电流的参数(例如相位角或频率或振幅——优选相位角)，以及
-如果检测到的参数与电池GPU的逆变器的交流输出电流的相应参数之间的差小于或等于预定阈值，则闭合输入耦接开关。
由此，实现了GPU之间的功率传送的顺畅切换。检测步骤可以作为同步的一部分来执行。
在根据本发明的另一优选系统中，所述系统(优选为电池GPU)经配置以将电池GPU的逆变器的交流输出电流的参数(例如相位角或频率或振幅——优选为相位角)平移
和/或(例如)经由到辅助GPU的控制器或逆变器的通信信道来将辅助GPU的交流输出电流的参数(例如相位角或频率或振幅——优选地相位角)平移。
因此，可以通过主动地平移输出电流的一个或多个参数来加速GPU的输出电流的同步。
在根据本发明的另一优选系统中，所述系统优选为电池GPU，所述系统包括输出解耦开关，由此优选为电池GPU的系统配置为-如果输入耦接开关已经切换到闭合状态，则断开输出解耦开关。
因此，断开或停用电池GPU的逆变器，由此实现正确的功率传递，从而避免从电池GPU和辅助GPU汲取不平衡功率。优选地，在输入耦接开关已经切换到闭合状态之后的几秒或几毫秒内切换输出解耦开关。优选地，解耦开关可以是逆变器的开关之一，用于停用逆变器。
在根据本发明的另一优选系统中，该系统还包括辅助GPU，由此电池GPU和辅助GPU经由电池GPU的交流输入端口和辅助GPU的交流输出连接器彼此连接。
在根据本发明的关于操作系统的另一优选方法中，所述方法还包括以下步骤a)-c)中的一个或多个：
a)优选地通过将电池GPU的逆变器的交流输出电流的参数(例如相位角、频率、幅度)平移和/或例如经由到辅助GPU的控制器的通信信道，通过将辅助GPU的交流输出电流的参数(例如相位角、频率、幅度)移动来将下列各项彼此同步：
-电池GPU的逆变器的交流输出电流，优选地输出电流的相位角和/或频率和/或振幅，以及
-辅助GPU的交流输出电流，优选地输出电流的相位角和/或频率和/或振幅；
b)检测辅助GPU的交流输出电流的参数(例如相位角、频率、振幅)，如果检测到的参数与电池GPU的逆变器的交流输出电流的相应参数之间的差小于或等于预定阈值，则闭合输入耦接开关；
并且优选
c)如果输入耦接开关已经切换到闭合状态，则断开输出解耦开关。
优选地，电池GPU被配置为执行相位角/频率/振幅检测、同步、平移和相应开关的切换；并且相应的硬件优选地在电池GPU中实现。这样，辅助GPU可以是常规的GPU，而无需为此目的而进一步动脑筋。然而，本发明的范围还涵盖一些解决方案，在这些解决方案中，此类任务(全部或仅部分地)由辅助GPU执行或在辅助GPU与电池GPU之间共享。辅助GPU和电池GPU因此可以经由通信信道进行通信，以便允许期望的操作。
此外，通过Y形转接器来实现提高电池GPU的可操作性的目的，Y形转接器具有两个交流输入端口，每个交流输入端口包括飞机插座，并且Y形转接器具有飞机输出连接器。
因此，电池GPU可以容易地配备有交流输入端口。
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的GPU的一个实施例的概念性总览图，
图2是基于图2所示实施例的根据本发明的GPU的优选实施例的电路的示意图；
图3、图4、图5、图6、图7示出了根据本发明的用于向停在地面上的飞机供应电流的系统的每个实施例。
图1示出了根据本发明的电池GPU的一个实施例的概念性总览图。它是机场GPU 1，这里是通过轮子移动的，用于向停在地面上的飞机供应电流。GPU 1包括：
-第一电池30，
-逆变器50，用于将电池30的输出转换为逆变器50的交流输出电流以供应给飞机，
-用于将第一电池30连接到逆变器50和从逆变器50断开的一个第一电子开关60，其中第一开关60串联连接到第一电池30，并且其中串联连接的第一电池30和第一开关60一起连接到逆变器50，
-用于控制第一开关60的第一控制器单元10。
GPU 1还包括：
-第二电池31和
-用于将第二电池31连接到逆变器50和从逆变器50断开的第二电子开关61，其中第二开关61串联连接到第二电池31，并且其中串联连接的第二电池31和一个第二开关61一起连接到逆变器50，使得它们与串联连接的第一电池30和第一开关60并联，其中第二开关61由第一数字控制器单元控制，其中
除了第一开关60串联连接到第一电池30之外，第一二极管70也串联连接，从而允许电流从第一电池30流到逆变器50并且(在没有可选择使用的第一旁路电阻器70.1的情况下)阻止或限制电流从逆变器50或第二电池31流到第一电池30；
并且其中，除了第二开关61串联连接到第二电池31之外，第二二极管71也串联连接，从而允许电流从第二电池31流到逆变器50并且(在没有可选择使用的第二旁路电阻器71.1的情况下)阻止或限制电流从逆变器50或第一电池30流到第二电池31。
图2示出了基于图2所示实施例的根据本发明的GPU的优选实施例的电路的示意图。与图2相比，存在控制第二开关61的第二数字控制器单元11。此外，附加的第一开关80和附加的第二开关81串联连接在相应的电池30、31和逆变器之间。第一控制器10另外控制开关80，第二控制器11另外控制开关81。此外，以相同的方式，GPU 1包括具有一个或多个第三开关和第三二极管的第三电池和具有一个或多个第四开关和第四二极管的第四电池，所述第三电池和第四电池与第一和第二电池以及相应开关并联连接。以下被描述为优选用于第一和第二电池方案的特征(如图中清楚显示的)也适用于第三和第四电池方案/部分。
二极管(被配置成)完全限制来自逆变器或来自除二极管串联连接到的电池之外的任何其他电池的电流。
第一开关和第二开关各自被配置成将相应电池的两极从逆变器断开。
所述GPU包括经配置以对所述第一电池充电的第一电池充电器和经配置以对所述第二电池充电的第二电池充电器。第一控制器10被配置用于控制第一充电器90，第二控制器11被配置用于控制第二充电器91。充电器90、91连接到GPU 1的一个公共连接器180，用于将充电器连接到电网电力。
附加第一开关80被配置为在不将第一电池充电器90从第一电池30断开的同时将第一电池30从逆变器50断开，并且附加第二开关81被配置为在不将第二电池充电器91从第二电池31断开的同时将第二电池31从逆变器50断开。
GPU 1包括用于监视第一电池30的正确功能的第一电池监视装置170，其中第一控制器10经由第一通信线路140连接到第一电池监视装置170，以与第一电池监视装置170通信，并且被配置成一旦第一电池监视装置170指示第一电池30发生故障就通过断开第一开关将第一电池300从逆变器和充电器断开。GPU 1包括用于监视第二电池31的正确功能的第二电池监视装置171，其中第二控制器11经由第二通信线路141连接到第二电池监视装置171，以与第二电池监视装置171通信，还被配置为一旦第二电池监视装置171指示第二电池31发生故障，就通过断开第二开关61将第二电池31与逆变器和充电器断开。
第一和第二控制器10、11分别经由CAN总线与各电池监视装置通信。第一通信线路140与第二通信线路141电隔离。
GPU 1包括数字中央控制器110，其中中央控制器110连接到用户接口120，并且被配置为由用户使用用户接口120来控制，并且经由通信总线130连接到第一控制器10和第二控制器11。
中央控制器110被配置成向第一和第二控制器10、11发送切换命令，用于连接或断开第一或第二电池30、31和/或对其充电。第一控制器和第二控制器10、11被配置为接收这些命令并且相应地切换一个或多个第一和第二开关60、61、80、81和/或控制第一和第二充电器90、91。中央控制器110被配置为控制逆变器50。中央控制器110与第一和第二控制器10、11之间的通信总线130的通信线路与第一和第二控制器10、11与第一和第二电池监视装置170、171之间的第一和第二通信线路140、141电绝缘。
第一开关60和第一电池30形成容纳在第一壳体中的第一电池模块160，第二开关61和第二电池31形成容纳在第二壳体中的第二电池模块161。电池监视装置170、171也是相应如此形成的电池模块160、161的一部分。
GPU 1包括串联连接在逆变器50与第一和第二电池30、31之间的电感100。
图3示出了用于向停在地面上的飞机供应电流的系统，该系统包括用于向停在地面上的飞机供应电流的电池GPU 1，电池GPU 1优选为根据以上实施例之一所述的电池GPU1，电池GPU 1包括一个或多个电池30、31以及逆变器50，逆变器50用于将一个或多个电池30、31的输出电流转换成逆变器50的交流输出电流，以供应给飞机，其中电池GPU 1包括交流输入端口190，其中电池GPU 1被配置为经由交流输入端口190连接到辅助GPU 1'的交流输出连接器191'，以将辅助GPU 1'的交流输出电流经由交流输入端口190引导到飞机。交流输入端口190包括飞机插座，其被配置为连接到适于连接到飞机的飞机输出连接器191、191'。
该系统被配置为使下列各项彼此同步
-电池GPU 1的逆变器50的交流输出电流，以及
-辅助GPU 1'的交流输出电流。
这里，电池GPU 1被配置为使其自身与辅助GPU 1'同步，并且执行从一个或多个电池30、31的电力供应到由辅助GPU 1'递送的电力的切换。
电池GPU 1被配置为平移逆变器50的交流输出电流的相位角。电池GPU 1包括输入耦接开关200，电池GPU 1被配置成
-检测辅助GPU 1'的交流输出电流的相位角，以及
-如果检测到的相位角与电池GPU 1的逆变器50的交流输出电流的相位角之间的差小于或等于预定阈值，则闭合输入耦接开关200。电池GPU 1包括输出解耦开关201，并且电池GPU 1被配置成
-如果输入耦接开关200已经切换到闭合状态，则断开输出解耦开关201。
该系统操作如下：
-将辅助GPU 1'的交流输出连接器191'连接到电池GPU 1的交流输入端口190，并且经由交流输入端口190将辅助GPU 1'的交流输出电流引导到飞机，
而连接包括
a)通过将电池GPU 1的逆变器50的交流输出电流的相位角平移而使下列各项彼此同步：
-电池GPU 1的逆变器50的交流输出电流，这里是输出电流的相位角，以及
-辅助GPU 1'的交流输出电流，这里是输出电流的相位角；
b)检测辅助GPU 1'的交流输出电流的相位角，如果检测到的相位角与电池GPU 1的逆变器50的交流输出电流的相位角之差小于或等于预定阈值，则闭合输入耦接开关200；
c)如果输入耦接开关200已经切换到闭合状态，则断开输出解耦开关201。
图4示出了类似于图3所示的系统，但输入耦接开关200'在辅助GPU1'中实现。此外，作为示例，辅助GPU 1'也是电池GPU，优选地是根据图1和/或图2的具有两个或更多个电池30'，31'的电池GPU。在该示例性硬件设置中，一种可能的操作是由辅助GPU 1'执行同步(通过将辅助GPU 1'的逆变器50'的相位角平移)和切换输入耦接开关200'。经由到电池GPU1的通信信道，辅助GPU 1'接着将解耦开关201切换到断开状态。另一种可能的操作是由电池GPU 1执行的同步和切换，由此关于辅助GPU 1'的逆变器50'相位角的信息经由通信信道从辅助GPU 1'发送到电池GPU 1，并且开关200'经由通信信道由电池GPU 1切换。如在此设置中，当电池GPU 1未连接到辅助GPU 1'时，在电池GPU 1的操作期间将存在输入端口190的带电公引脚(＝电压下的引脚)，将需要提供机械保护(例如保护盖)或额外开关以增强安全性并避免用户与带电公引脚接触。对于根据图5和6的实施例也是如此，由此在图6中，Y形转接器300的输入端口390.2可以具有带电公引脚并且需要保护。
图5示出了类似于图4所示的系统，由此电池GPU 1的输出电缆通过Y型电缆配置以使输入端口190上的飞机插座具有相应的特征。
图6示出了类似于图5所示的系统的系统，其中电池GPU 1包括Y形转接器300，Y形转接器300具有两个交流输入端口390.1、390.2，每个交流输入端口390.1、390.2包括飞机插座，并且Y形转接器300具有飞机输出连接器391，由此，电池GPU 1的飞机输出连接器191连接到两个交流输入端口390.1、390.2中的一个。图6.1单独示出了Y形转接器300。
图7示出了类似于图3所示的系统，其中两个相同的GPU用于执行从GPU之一到另一GPU的切换。
附图标记
1电池地面供电单元 110主控制器
1'辅助地面供电单元 120用户接口
10第一数字控制器单元 130通信总线
11第二数字控制器单元 140第一通信线路
30第一电池 141第二通信线路
32第二电池 150通用控制信号线路
50逆变器 160第一电池模块
60第一电子开关 161第二电池模块
61第二电子开关 170第一电池监视装置
70第一二极管 171第二电池监视装置
70.1第一旁路电阻器 180至电力干线的连接器
71第二二极管 190输入端口
71.1第二旁路电阻器 191输出连接器
80第一附加电子开关 200输入耦接开关
81第二附加电子开关 201输出解耦开关
90第一电池充电器 300Y形转接器
91第二电池充电器 390.1、390.2输入端口
100电感 391输出连接器

Claims (27)

1.用于向停在地面上的飞机供应电流的机场电池地面供电单元(1)，所述地面供电单元(1)包括
-第一电池(30)，
-逆变器(50)，用于将所述电池(30)的输出电流转换成逆变器(50)的交流输出电流，以供应给飞机，
-一个或多个第一电子开关(60，80)，用于将所述第一电池(30)与所述逆变器(50)连接和断开，其中，所述一个或多个第一开关(60，80)串联连接至所述第一电池(30)，并且其中所述串联连接的第一电池(30)和一个或多个第一开关(60，80)一起连接到所述逆变器(50)，
-第一数字控制器单元(10)，用于控制一个或多个第一开关(60，80)中的至少一个；
其特征在于，所述地面供电单元(1)还包括
-第二电池(31)和
-一个或多个第二电子开关(61，81)，用于将所述第二电池(31)与所述逆变器(50)连接和断开，其中，所述一个或多个第二开关(61，81)串联连接至第二电池(31)，并且所述串联连接的第二电池(31)和一个或多个第二开关(61，81)一起连接到所述逆变器(50)，以使它们与串联连接的第一电池(30)和一个或多个第一开关(60，80)并联，其中所述一个或多个第二开关(61，81)中的至少一个由所述第一数字控制器单元(10)或第二数字控制器单元(11)控制，其中
除了所述一个或多个第一开关(60，80)串联连接到所述第一电池(30)之外，第一二极管(70)也串联连接到所述第一电池(30)，从而允许电流从所述第一电池(30)流到所述逆变器(50)，并阻止或限制电流从所述逆变器(50)或所述第二电池(31)流到第一电池(30)；
其中，除了所述一个或多个第二开关(61，81)串联连接到所述第二电池(31)之外，第二二极管(71)也串联连接所述第二电池(31)，从而允许电流从所述第二电池(31)流到所述逆变器(50)，并阻止或限制电流从所述逆变器(50)或所述第一电池(30)流到第二电池(31)。
2.根据权利要求1所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)的所有电池(30，31)的总容量为至少80kWh。
3.根据以上权利要求之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述一个或多个第一开关(60)中的至少一个和所述一个或多个第二开关(60)中的至少一个均被配置为将各个电池(30，31)的两极与所述逆变器(50)断开。
4.根据以上权利要求之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)包括被配置为对所述第一电池(30)和所述第二电池(31)充电的电池充电器。
5.根据权利要求1至3之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)包括配置为对所述第一电池(30)充电的第一电池充电器(90)和配置为对所述第二电池(31)充电的第二电池充电器(91)。
6.根据权利要求4至5之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)包括内燃机驱动的发电机组或燃料电池，所述发电机组或燃料电池具有小于或等于所述地面供电单元的输出功率额定值的50％的连续电力输出，其中所述发电机组被配置为给所述充电器或所述第一和/或第二充电器(90，91)供电。
7.根据权利要求4至6之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述一个或多个第一开关(80)中的至少一个被配置为将所述第一电池(30)与所述逆变器(50)断开连接，同时，
-将所述电池充电器或所述第一电池充电器(90)连接到所述第一电池(30)
-和/或不将所述电池充电器或所述第一电池充电器(90)与所述第一电池(30)断开连接
并且其中
一个或多个第二开关(81)中的至少一个被配置为将所述第二电池(31)与所述逆变器(50)断开连接，同时，
-将所述电池充电器或所述第二电池充电器(91)连接到所述第二电池(31)
-和/或不将所述电池充电器或所述第二电池充电器(91)与所述第二电池(31)断开连接。
8.根据以上权利要求之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述一个或多个第二开关(61，81)由所述第二控制器单元(11)控制，
其中，所述地面供电单元(1)包括第一电池监视装置(170)，用于监视所述第一电池(30)的正确功能，
其中，所述第一控制器(10)经由第一通信线路(140)连接至所述第一电池监视装置(170)，用于与所述第一电池监视装置(170)进行通信，并配置成一旦所述第一电池监视装置(170)指示所述第一电池(30)发生故障，通过断开所述一个或多个第一开关(60，80)中的至少一个而断开所述第一电池(30)的连接，
其中，地面供电单元(1)包括第二电池监视装置(171)，用于监视所述第二电池(31)的正确功能，
其中，所述第二控制器(11)经由第二通信线路(141)连接至所述第二电池监视装置(171)，用于与所述第二电池监视装置(171)进行通信，并配置成一旦所述第二电池监视装置(171)指示所述第二电池(31)发生故障，通过断开所述一个或多个第二开关(61，81)中的至少一个而断开所述第二电池(31)的连接。
9.根据权利要求8所述的地面供电单元(1)，其中所述地面供电单元(1)包括数字中央控制器(110)，
其中，所述中央控制器(110)连接到用户接口(120)，并且被配置成由用户使用用户接口(120)来控制，并且经由通信总线(130)连接到所述第一控制器(10)和所述第二控制器(11)。
10.根据以上权利要求之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述一个或多个第一开关(60)中的至少一个和所述第一电池(30)形成容纳在第一壳体中的第一电池模块(160)，
并且其中所述一个或多个第二开关(61)中的至少一个和所述第二电池(31)形成容纳在第二壳体中的第二电池模块(161)。
11.根据权利要求10所述的地面供电单元(1)，其中，所述第一电池模块(160)和所述第二电池模块(161)各自包含软起动装置，所述软起动装置用于在相应的所述第一电池(30)和所述第二电池(31)通过一个或多个第一和第二开关(60，80，61，81)连接到逆变器(50)之后临时地限制相应的所述第一电池(30)和所述第二电池(31)的输出电流。
12.根据以上权利要求之一、优选地根据权利要求10或11所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)、优选地所述第一壳体和所述第二壳体中的每一个包括加热装置，所述加热装置被配置成当温度下降到低于预定温度(例如-20℃)时，自动接通或提供增加的功率，并且当温度达到高于或等于所述预定温度的温度时，自动断开或提供减少的功率。
13.根据以上权利要求之一所述的地面供电单元(1)，其中，所述地面供电单元(1)包括串联连接在所述逆变器(50)与所述第一和第二电池(30，31)之间的电感(100)。
14.用于向停在地面上的飞机供应电流的系统，包括用于向停在地面上的飞机供应电流的电池地面供电单元(1)，优选为根据以上权利要求之一所述的用于向停在地面上的飞机供应电流的地面供电单元，所述电池地面供电单元(1)包括一个或多个电池(30，31)以及逆变器(50)，所述逆变器用于将所述一个或多个电池(30，31)的输出电流转换为所述逆变器(50)的交流输出电流以供应给飞机，其中所述电池地面供电单元(1)包括交流输入端口(190，390.2)，其中所述电池地面供电单元(1)被配置成经由所述交流输入端口(190，390.2)连接到辅助地面供电单元(1')的交流输出连接器(191')，以将所述辅助地面供电单元(1')的交流输出电流经由所述交流输入端口(190，390.2)引导到飞机。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述交流输入端口(190，390.2)包括飞机插座，所述飞机插座被配置为连接到适于连接到所述飞机的飞机输出连接器(191，191')。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电池地面供电单元(1)包括Y形转接器，所述Y形转接器具有两个交流输入端口(390.1，390.2)，所述交流输入端口(390.1，390.2)中的每一个包括飞机插座，所述Y形转接器具有飞机输出连接器(391)，由此所述电池地面供电单元(1)的飞机输出连接器(191)连接到所述两个交流输入端口(390.1)之一。
17.根据权利要求14至16之一所述的系统，其中所述系统被配置成使下列各项彼此同步：
-所述电池地面供电单元(1)的所述逆变器(50)的所述交流输出电流，以及
-所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出电流。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述系统包括输入耦接开关(200，200')，并且由此所述系统被配置为
-检测所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出电流的参数，以及
-如果所述检测到的参数与所述电池地面供电单元(1)的所述逆变器(50)的所述交流输出电流的相应参数之间的差小于或等于预定阈值，则闭合所述输入耦接开关(200，200')。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述系统被配置为将所述电池地面供电单元(1)的所述逆变器(50)的所述交流输出电流的参数平移和/或将所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出电流的参数平移。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统包括输出解耦开关(201)，并且由此所述系统被配置为
-如果所述输入耦接开关(200，200')已经切换到闭合状态，则断开所述输出解耦开关(201)。
21.根据权利要求14-20之一所述的系统，其中，所述系统进一步包括辅助地面供电单元(1')，由此所述电池地面供电单元(1)和所述辅助地面供电单元(1')经由所述电池地面供电单元(1)的所述交流输入端口(190)和所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出连接器(191')彼此连接。
22.Y形转接器(300)，所述Y形转接器具有两个交流输入端口(390.1，390.2)，每个所述交流输入端口包括飞机插座，并且所述Y形转接器具有飞机输出连接器(391)。
23.一种操作电池地面供电单元(1)以向停在地面上的飞机供应电流的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过第一数字控制器单元(10)切换一个或多个第一电子开关(60，80)，用于将所述地面供电单元(1)的第一电池(30)与所述地面供电单元(1)的逆变器(50)连接和断开；
-将所述第一电池(30)的输出电流转换为所述逆变器(50)的交流输出电流，
其特征在于，所述方法进一步包括：
-通过所述第一控制器单元(10)或通过第二控制器单元(11)切换一个或多个第二电子开关(61，81)，用于将所述地面供电单元(1)的第二电池(31)与所述逆变器(50)连接和断开，
-通过所述地面供电单元(1)的第一二极管(80)允许电流从所述第一电池(30)流到逆变器(50)并且阻止或限制电流从所述逆变器(50)或所述第二电池(31)流到所述第一电池(30)，
-通过所述地面供电单元(1)的第二二极管(81)允许电流从所述第二电池(31)流到所述逆变器(50)并且阻止或限制电流从所述逆变器(50)或所述第一电池(30)流到所述第二电池(31)，
-将所述第二电池(31)的输出电流转换为所述逆变器(50)的所述交流输出电流。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个第一电子开关(60，80)的切换和所述一个或多个第二电子开关(61，81)的切换包括：
-切换所述一个或多个第一电子开关(60，80)中的至少一个，用于将所述第一电池(30)连接到所述逆变器(50)；
-切换所述一个或多个第二电子开关(61，81)中的至少一个，用于将所述第二电池(31)连接到所述逆变器(50)；
-切换所述一个或多个第一电子开关(80)中的至少一个，用于将所述第一电池(30)与所述逆变器(50)断开，同时继续将所述第二电池(31)的输出电流转换为所述逆变器(50)的交流输出电流，然后通过所述地面供电单元(1)的电池充电器(90)对所述第一电池(30)充电；
-在一定时间之后切换所述一个或多个第一电子开关(80)中的至少一个以再次将所述第一电池(30)连接到所述逆变器(50)，以便将此时已再充电的第一电池(30)的输出电流转换为所述逆变器(50)的交流输出电流，同时通过所述第二二极管(81)阻止或限制电流从所述第一电池(30)流到所述第二电池(31)。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述一个或多个第一电子开关(60，80)的切换包括：
-在用于监视所述第一电池(30)的正确功能的第一电池监视装置(170)指示所述第一电池(30)发生故障时，切换所述一个或多个第一电子开关(60)中的至少一个，以将所述第一电池(30)与所述地面供电单元(1)的所述逆变器(50)和/或充电器(90)断开；
并且所述一个或多个第二电子开关(61，81)的切换包括：
-在用于监视所述第二电池(31)的正确功能的第二电池监视装置(171)指示所述第二电池(31)发生故障时，切换所述一个或多个第二电子开关(61)中的至少一个，以将所述第二电池(31)与所述地面供电单元(1)的所述逆变器(50)和/或充电器(91)断开。
26.一种操作用于向停在地面上的飞机供应电流的系统的方法，所述系统优选地为根据权利要求14至20之一所述的系统，所述系统包括通过使用一个或多个电池(30，31)、优选地使用根据权利要求23至25之一所述的方法向停在地面上的飞机供应电流的电池地面供电单元(1)，所述电池地面供电单元优选地为根据权利要求1至13之一所述的电池地面供电单元，并且所述系统进一步包括用于向停在地面上的飞机供应电流的辅助地面供电单元(1')，其中所述方法包括以下步骤：
-将辅助地面供电单元(1')的交流输出连接器(191')连接到所述电池地面供电单元(1)的交流输入端口(190，390.2)，并且所述经由交流输入端口(190，390.2)将所述辅助地面供电单元(1')的交流输出电流引导到飞机。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步，所述连接包括以下步骤a)-c)中的一个或多个：
a)使下列各项彼此同步
-所述电池地面供电单元(1)的所述逆变器(50)的所述交流输出电流，以及
-所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出电流；
b)检测所述辅助地面供电单元(1')的所述交流输出电流的参数，如果检测到的参数与所述电池地面供电单元(1)的所述逆变器(50)的所述交流输出电流的相应参数之间的差小于或等于预定阈值，则闭合输入耦接开关(200，200')；
并且优选
c)如果所述输入耦接开关(200，200')已经切换到闭合状态，则断开输出解耦开关(201)。
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