CN111409835A

CN111409835A - 电力推进系统

Info

Publication number: CN111409835A
Application number: CN202010014659.8A
Authority: CN
Inventors: 泽田直; M.C.哈克
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2020-07-14
Also published as: US11850951B2; US20200215922A1; EP3681034A1

Abstract

提供了一种电力推进系统2，其包括：原动机4；发电机6，所述发电机被布置成由所述原动机4驱动以产生电力；电力推进马达8；以及集成式发电机‑马达控制器10，所述集成式发电机‑马达控制器被布置成响应于控制信号12而控制向所述电力推进马达8供应所述电力。所述集成式发电机‑马达控制器10还被布置成向所述发电机6前馈与所述控制信号12相关联的功率需求参数，以便控制所述发电机6的功率输出。

Description

电力推进系统

技术领域

本公开涉及电力推进系统，诸如用于为飞机提供推进的电力推进系统。

背景技术

传统的推进系统，诸如用于对飞机进行推进的推进系统，利用内燃机（诸如涡轮螺旋桨发动机或涡轮风扇燃气涡轮发动机）直接产生推进。内燃机的使用特别适用于飞机，因为内燃机由具有非常高能量密度的烃基燃料提供动力。使用这种能量密集型电源减少了飞机必须携带的燃料重量，从而提高效率和里程。

然而，关于使用化石燃料的燃料成本的增加和环境问题导致了对飞机的替代动力源的兴趣增加。此外，内燃机通常具有较差的动态响应并且可能非常低效，特别是如果它们不在最佳条件下运行时。

已经提出电动马达作为替代的推进源。这些电动马达会是高效的、表现出更大的动态响应并且比内燃机更容易维护。电池技术的改进已经使得能够开发实验性全电动飞机，其中由电池供电的电动马达为飞机提供推进。然而，即使是最先进的电池化学物质也只能提供烃类燃料的一小部分能量密度。因此，电池供电的飞机在负载能力、速度或里程方面还不能与常规动力飞机竞争。

已经提出了替代的电力推进系统，其中使用由能量密集型燃料提供动力的传统发动机来驱动发电机。然后，由发电机产生的电力进而用于为一个或多个电动马达供电从而提供推进。本公开涉及对此类电力推进系统的改进。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种电力推进系统，其包括：

原动机；

发电机，所述发电机被布置成由所述原动机驱动以产生电力；

电力推进马达；以及

集成式发电机-马达控制器，所述集成式发电机-马达控制器被布置成响应于控制信号而控制向所述电力推进马达供应所述电力；其中所述集成式发电机-马达控制器还被布置成向所述发电机前馈与所述控制信号相关的功率需求参数，以便控制所述发电机的功率输出。

由于所述系统利用电动马达来提供推进，因此它可以提供提高的动态响应（即，马达可以多快地传递所请求的推进变化）。此外，由于功率需求参数被前馈到发电机，因此系统的动态响应可以进一步增强，如下面将更详细地解释的。

原动机可以是发动机（例如，由烃基燃料提供动力的内燃机，诸如燃气涡轮发动机）。然而，由于原动机用于产生电力而不是推进力，因此原动机可以在最佳条件下连续运行（例如，以效率最高时的恒定速度），从而导致与发动机的转速根据不同的推进要求而改变的传统系统相比，效率提高。原动机可以被控制为保持恒定速度（例如，通过对节气门进行控制的电子发动机控制单元）。

电动马达通常可以比内燃机更快地做出响应（例如，因为电-机械能转换机构比内燃机中利用的化学-机械能转换机构快得多）。因此，电动马达通常表现出更强的动态响应（即，它们能够更快地改变速度）。然而，这种改进的动态响应取决于为马达供应充足的电力。

在传统的电力推进系统中，（通常，由与推进马达控制器分开的发电机控制单元或GCU）控制发电机，以使用反馈回路将发电机的输出电压（AC或DC）在指定公差内维持在参考值，在所述反馈回路中测量输出电压并将其反馈回发电机。当推进马达需要提高功率时（例如，由于控制信号需要提高马达速度），相关联的电流消耗增加导致发电机的输出电压下降。检测到此电压降并将其反馈到发电机，作为响应，所述发电机的输出功率增加，以校正电压下降并提供所需的功率。在某些布置中，在变压变频驱动电路的DC链路上测量输出电压。

然而，此反馈机构在发出控制信号与由发电机输送必要功率并因此电动马达实现所需的速度之间具有固有的延迟。这导致推进系统的性能降低，因为当电动马达本身能够非常快速地传递电力或扭矩（以及因此速度）的变化时，电动马达受到发电机的反馈回路的等待时间的限制。

通常，电力质量要求指定了一个包络，对于给定的瞬态功率需求，电压调节点（POR）必须保持在所述包络内。因此，在传统系统中，为了确保推进系统能够应对大的瞬态功率需求，必须提供可以承受输出电流突变、能够具有大峰值电流的发电机。然而，这种发电机的发电能力对于稳态运行可能是不必要的，并因此增加了推进系统的费用和重量。这会极大地限制此类系统在重量为关键问题的领域内（诸如在飞机上）的实施。

相反，在本公开的示例中，由于功率需求参数被前馈到发电机，因此避免了由传统反馈回路产生的固有等待时间。因此，控制信号所需的发电机功率输出变化被更准时地传递，导致整个系统的动态响应提高。

例如，前馈到发电机的功率需求参数可以指示当前施加的控制信号将导致来自电动马达的功率需求提高。然后，发电机可以在发电机的输出指示任何功率不足之前（即，在传统的反馈系统可以做出反应之前）提供这种功率需求提高。

本公开的集成式发电机-马达控制器使用前馈机构控制发电机。这样，可以预期功率需求的变化，并且可以至少部分地减轻输出电流的较大变化。结果，可以使用能够传递较低峰值电流的发电机（例如，被选择成更紧密地匹配期望稳态性能的发电机），这可以减少推进系统的重量和成本。在航空航天应用中（例如在飞机上），任何重量的减少都是特别令人期望的。

此外，在本公开的一些示例中，发电机的发电容量可以更紧密地匹配推进马达的功率，从而实现进一步的成本和/或重量效率。

发电机传递功率变化的能力有时被称为发电机的带宽。例如，带宽可以被定义为（控制信号所需功率变化的）频率，高达所述频率时，发电机可以对控制信号充分响应（例如，输送的功率不小于控制信号所需功率的约50%）。类似地，原动机和电动马达也具有特征带宽。

负载的动力学将影响推进系统的功率密度（即每千克的功率输出）和控制稳定性。利用本公开的系统，发电机和原动机系统的带宽可以明显窄于推进马达可实现的带宽，而不限制电力推进系统的全部利用机会。

可以对推进系统进行调谐，使得电动马达的功率消耗带宽在发电机的带宽内。以这种方式匹配马达和发电机的瞬态特性可以带来更好的系统稳定性。

如上所述，电动马达的动态响应（即马达能够以多快的速度传递马达速度变化）通常远高于传统发动机（例如燃气涡轮发动机）的动态响应。因此，在不受发电机带宽限制的系统中使用电动马达进行推进可以带来以更加动态的方式控制推进力的机会。例如，可以使用对飞机上的推进力的动态控制来改善飞机的性能。可以单独控制多个推进马达的速度以进行偏航或横滚控制以及维持所需的推力。

在优选示例中，原动机是内燃机，诸如燃气涡轮发动机。原动机优选地被布置成由具有高能量密度的燃料（例如烃基燃料，诸如煤油）提供动力。

原动机优选地被布置成以基本恒定的速度运行。所述恒定的速度可以是原动机最高效的速度（即原动机每燃料质量传递最大功率的速度）。在一些示例中，原动机被布置成以10,000 rpm或更高的速度运行，例如，大约20,000 rpm至70,000 rpm或甚至更高。在一个特定示例中，原动机是以大约48,800 rpm运行的辅助动力单元（APU）。

在一些示例中，发电机包括交流（AC）发电机（例如，同步AC发电机）。发电机可以被布置成产生三相AC电力。发电机可以包括一个或多个场绕组，向所述场绕组供应场电流（例如DC电流）。发电机可以被布置成根据功率需求参数来控制供应给所述一个或多个场绕组的场电流，从而控制发电机的功率输出。在一些示例中，功率需求参数可以包括供应给所述一个或多个场绕组的场电流。

控制信号可以包括与由电力推进马达产生的推进有关的命令。例如，控制信号可以包括马达速度命令、推力（推进）命令、扭矩命令或功率命令。

功率需求参数优选地包括执行由控制信号包括的命令所需的电动马达功率需求的指示。在一些示例中，功率需求参数包括（即，电力推进马达的）瞬时功率需求。

集成式发电机-马达控制器可以被布置成接收所述电力推进马达的当前速度的度量。此当前速度可以结合控制信号由控制器用来确定所需的扭矩。例如，控制器可以被布置成基于控制信号计算目标马达速度（例如，控制信号可以包括目标马达速度）并且确定目标马达速度与当前马达速度之间的速度差。然后可以计算实现此速度差所需的扭矩。

在一些此类示例中，使用所需扭矩确定功率需求参数。例如，可以将所需扭矩乘以目标马达速度，以确定可以包括功率需求参数的马达的瞬时功率需求。

另外或可选地，推力模型可以用于确定功率需求参数。例如，电力推进马达的响应于控制信号（例如，推力需求）的行为和功率需求可以被建模并用来确定功率需求参数。

在以AC发电机为特征的示例中，集成式发电机-马达控制器可以包括整流器，所述整流器被布置成将发电机的AC输出转换成直流（DC）电力。集成式发电机-马达控制器可以包括逆变器，所述逆变器被布置成通过DC链路从整流器接收DC电力并将其转换成AC电力（例如，三相AC电力），所述AC电力被供应给电力推进马达。

一般情况下，这种DC链路可能需要布置若干个滤波器组件（例如，大电容器）以使电压波动的影响最小化。然而，在根据本公开的系统中通过前馈控制提供的提高的稳定性的进一步优点是可以减少这种DC链路滤波器组件的数量和尺寸、减少零件数量、成本和重量。

按照需要，可以利用命令状态滤波器的添加和/或失谐。这些可以用于使电动马达的动态响应或带宽与发电机的动态响应或带宽匹配，以提高稳定性。例如，可能希望减慢电动马达响应（即减小其带宽）以更紧密地匹配发电机的带宽。可以对电力推进马达输入使用低通滤波器或通过降低马达控制器的增益来实现这一点。

如本文所述对马达和发电机控制器进行集成还提供了操纵中间状态（诸如dc链路电压）以优化系统效率的机会。

集成式发电机-马达控制器可以被布置成控制逆变器以控制对电力推进马达的供电，例如，使用脉宽调制（PWM）控制。

在本公开的一些示例中，电力推进系统还包括传统的发电机输出反馈回路。例如，集成式发电机-马达控制器可以被布置成确定由发电机产生的电力的指标。电力指标可以包括任何合适的度量，诸如电流或功率，但在优选示例中，电力指标包括发电机的输出电压（例如，整流器的DC输出的电压，即DC链路电压）。

在以发电机输出反馈回路为特征的示例中，可以使用由发电机产生的电力的指标来确定功率需求参数，即，对反馈机构和前馈机构两者进行组合。

推进系统还可以包括能量存储装置，所述能量存储装置被布置成连接到发电机和/或推进马达。能量存储装置可以包括电池（例如，锂铁或镍镉电池）、电容器、超级电容器、或本领域中本身已知的任何其他合适的能量装置。

能量存储装置优选地与发电机和推进马达并联连接。例如，能量存储装置可以并联地连接在整流器与逆变器之间（即，连接到DC链路）。

能量存储装置可以用作辅助动力源（例如，以提供推进系统所需的额外动力，或者向推进系统外部的其他系统提供动力，诸如传统的飞机电气系统）。电力推进系统可以被布置成使用来自发电机的电力对能量存储装置充电。电力推进系统可以被布置成通过将电力推进马达作为由外部源驱动的发电机操作来对能量存储装置进行充电。在此类示例中，电力推进系统可以包括功率转换器，所述功率转换器被布置成当作为发电机操作时对由电力推进马达产生的电力进行转换（例如，被布置成将由马达产生的AC功率转换成DC功率以对能量存储装置充电）。在一些此类示例中，此功率转换器可以设置有/还包括逆变器。例如，电力推进系统可以主要用于操作飞机上的螺旋桨，并且在此类示例中，螺旋桨也可以充当“风车”（例如，当飞机在地面上静止或滑行时由经过螺旋桨的气流驱动）。

在一些示例中，发电机可以作为用于原动机的起动马达（即，通过向发电机提供电力）操作。例如，电力推进系统可以被布置成使得可以通过功率转换器将能量存储装置中所储存的能量引导到发电机，以向原动机提供初始启动转矩。功率转换器可以包括逆变器（即，逆变器也可以用于向发电机供应起动AC功率）。在此类示例中，电力推进系统可以包括第一切换构件（例如，在逆变器与推进马达之间），以使逆变器的输出能够可选择地连接到发电机或推进马达。电力推进系统可以包括在发电机与整流器之间的第二切换构件，以便允许在原动机启动期间整流器与发电机断开连接。可选地，功率转换器可以与逆变器分开（例如，设置有整流器），在这种情况下，可能不需要切换装置。

如上所述，电力推进系统可以与（例如，飞机上的）螺旋桨结合使用。所述螺旋桨可以是变螺距螺旋桨。

电力推进系统可以被布置成提供推力逆转功能。例如，在电力推进马达被布置成驱动（旋转）螺旋桨以产生向前推力的示例中，螺旋桨的螺距可以改变为逆向推力配置（即，其中在同一旋转方向的逆向方向上产生推力）。这可以用于提供制动力。

当螺旋桨未被驱动以提供推力时，流过螺旋桨的空气（例如，当飞机正在移动时）可以使螺旋桨加速。在此类场景下，通过将电动马达用作发电机，结合合适的功率转换器，可以从气流再生电能。再生的电能可以用于给能量存储装置充电或者可以被耗散。

本文公开的推进系统可以用于为许多不同类型的车辆提供推进。然而，在一个优选示例中，推进系统在飞机上实现。在一些此类示例中，控制信号可以由飞机飞行计算机发出（例如，响应于飞行员的输入或自动驾驶系统）。

如上所述，本公开的推进系统可以用在许多不同的应用中，其中需要不同量的推进力和/或电力。例如，对于（例如，能够运载多达50名乘客的）小型客机，典型的推进系统可以传递大约1 MW的功率。

本公开扩展到一种飞机推进系统，其包括：

至少一个原动机；

至少一个发电机，所述至少一个发电机被布置成由所述至少一个原动机驱动以产生电力；

一个或多个电力推进马达，所述一个或多个电力推进马达被布置成为飞机提供推进；以及

集成式发电机-马达控制器，所述集成式发电机-马达控制器被布置成响应于控制信号而控制向所述至少一个电力推进马达供应所述电力；

其中所述集成式发电机-马达控制器还被布置成向所述至少一个发电机前馈与所述控制信号相关联的功率需求参数，以便控制所述至少一个发电机的功率输出。

在飞机推进系统的一些示例组中，一个中央原动机可以驱动多个发电机。用一个大型原动机驱动多个发电机可以提高飞机推进系统的效率。然而，能够驱动多个发电机的强大原动机可能是不切实际的（例如，由于重量或尺寸）。因此，在其他示例中，所述（或每个）原动机仅驱动一个发电机。

还应理解，在一些示例中，可以有多个电力推进马达连接到一个（或多于一个）发电机。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的一个示例的电力推进系统的示意图。电力推进系统2包括原动机4（例如，燃气涡轮发动机）、三相AC发电机6、三相电动马达8和集成式马达-发电机控制器10。

原动机4被布置成驱动发电机6以产生电力，所述电力进而用于为电动马达8提供动力以使螺旋桨14旋转。螺旋桨14的旋转产生推力，所述推力的幅度取决于其旋转速度。

原动机4由原动机控制器16（例如，燃气涡轮发动机的电子发动机控制器（EEC））控制，以保持恒定的速度。此速度可以被选择为使原动机4的效率最大化。

控制器10响应于控制信号12（例如，马达速度需求、推力需求、扭矩需求或功率需求）控制对电动马达8的电力供应。控制信号12可以是从单独的控制系统（例如，飞行计算机）发送的。

控制器10还被布置成通过向发电机6前馈与控制信号12相关联的功率需求参数来控制发电机6的功率输出（当由原动机4以恒定速度驱动时）。

功率需求参数代表由控制信号14引起的推进马达8的瞬时功率需求。发电机6被布置成产生与此功率需求一致的功率输出，以确保电动马达8可以有效地执行控制信号所需的速度变化。通过前馈此功率需求并相应地控制发电机，与依赖于来自发电机输出的反馈的传统系统相比，电力推进系统2可以传递高动态响应性。

集成式马达-发电机控制器10还可以经由原动机控制器16（例如，还使用功率需求参数）向原动机4提供前馈控制。当对发电机6的功率需求变化时，所述前馈控制可以用于控制原动机4以保持恒定速度，从而改善了推进系统2的性能。

图2示出了根据本公开的电力推进系统的更详细的示意图。电力推进系统102包括原动机104（例如，燃气涡轮发动机）、三相AC发电机106、三相电动马达108和集成式马达-发电机控制器110。

原动机104被布置成驱动发电机106以产生三相AC电力，所述三相AC电力进而用于为电动马达108提供动力以使螺旋桨114旋转。螺旋桨114的旋转产生推力，所述推力的幅度取决于其旋转速度。

飞机计算机103接收（例如，来自飞机飞行员的控制或自动驾驶系统的）控制输入，所述控制输入包括对由螺旋桨106产生的特定推力水平的需求。飞机计算机103解译控制输入并产生使马达以（根据推力需求确定的）期望速度旋转的马达速度命令112，所述马达速度命令被发送到控制器110。

集成式马达-发电机控制器110包括整流器118、逆变器120、PWM电压调节器122、电流调节器124和速度补偿器126。计算（由速度传感器109感测的）马达108的当前速度与由马达速度命令112指示的期望速度之间的差，并且速度补偿器126确定由马达108传递以实现期望速度的扭矩。

将所需扭矩以扭矩电流I_q ^*的形式发送到电流调节器124。基于转矩电流I_q ^*与（用电流传感器128检测的）当前供应给马达108的电流I_abc之间的比较，电流调节器124输出转矩电压V_q ^*，所述转矩电压被发送到PWM电压调节器122。

整流器118被布置成接收由发电机106产生的三相电力并输出DC电力。将整流器118输出的DC电力通过DC链路发送到逆变器120。然后，逆变器120在由PWM电压调节器122发送的多个选通信号的控制下将三相AC电力输出到电动马达108。这些栅极信号的时序和持续时间由PWM电压调节器122基于转矩电压V_q ^*确定，使得所需转矩由马达108传递并且实现期望的速度。

为了确保发电机106产生足够的电力来传递所需的扭矩，控制器102还可以被配置为向发电机106提供前馈控制。

控制器102被布置成根据马达速度命令112和转矩电流I_q ^*确定瞬时功率需求P^*（例如，通过将所需速度乘以转矩电流I_q ^*）。集成式控制器102利用瞬时功率需求P^*作为前馈（FF）补偿，用于调节发电机106的场电流I_F。场电流调节器132接收瞬时功率需求P^*并提供发电机106的电力输出所需的场电流I_F以满足瞬时功率需求。前馈补偿的使用允许更快地执行所命令的速度变化（即，提高的动态性能）。

实际马达速度和电流可以用于计算实际功率需求，所述实际功率需求还可以用于对发电机106进行前馈控制。

集成式发电机-马达控制器102还包括电压检测器134，所述电压检测器被布置成测量整流器118与逆变器120之间的DC链路的电压。此电压指示发电机106的功率输出，并且还作为反馈补偿源（FB）被发送到场电流调节器132。

FF补偿与FB补偿的组合改善了发电机106和推进系统102整体的动态性能和稳定性。此外，由于来自发电机106的电力供应更加完善，因此提高了推进马达108的性能，因为环路增益变化较小并且DC链路电压更稳定。

图3示出了根据本公开的电力推进系统的另一示例。推进系统202与以上参考图2描述的系统102共享许多相似之处。然而，在此示例中，使用推力模型234（例如，作为飞机计算机的一部分）确定前馈到场电流调节器132的瞬时功率需求P^*。推力模型234基于控制输入和与推进系统202的行为和性能有关的信息确定推进马达108的动力需求P^*、速度需求N^*和/或扭矩需求T^*。已确定的参数中的至少一个（或两个或更多个参数的组合）可能与速度命令112组合地被前馈到场电流调节器132，以确定控制输入所需的场电流I_F。

此外，来自推力模型134的一个或多个输出可以用于确定发送到电流调节器124的转矩电流I_q ^*。

图4示出了根据本公开的电力推进系统的又一示例。推进系统302通常类似于图2中所示并且如上所述的推进系统。然而，图4中所图示的电力推进系统302还包括与整流器118和逆变器120并联地连接到DC链路的电池304。

在此示例中，推进系统302可以使用推进马达108在地面上作风车般传动的同时收获能量（即，充当发电机，经由逆变器120对电池304充电）。而且，推进系统还允许在着陆时的推力逆转期间收获能量，通过螺旋桨114的逆向俯仰或者马达108的逆转旋转。

图5示出了根据本公开的电力推进系统的进一步示例。推进系统402通常类似于图4中所示并且如上所述的推进系统。然而，图5中所示的推进系统402还包括逆变器输出重新配置功能。通过在逆变器120与电动马达108之间设置第一切换构件404，以及在发电机与整流器之间设置第二切换构件406，可以将逆变器的输出连接到推进马达108或发电机106。

这种配置使得发电机106能够用作电动马达以启动原动机104。这可以使用电池302中的储存能量或来自另一电源的储存能量来完成。

由于不可能同时使用推进功能和起动功能，因此本公开的这种实施方式消除了用于原动机104的专用起动器的必要性并且使发电机106和逆变器120的使用最大化。

Claims

1.一种电力推进系统，其包括：

原动机；

电力推进马达；以及

集成式发电机-马达控制器，所述集成式发电机-马达控制器被布置成响应于控制信号而控制向所述电力推进马达供应所述电力；

其中所述集成式发电机-马达控制器还被布置成向所述发电机前馈与所述控制信号相关的功率需求参数，以便控制所述发电机的功率输出。

2.如权利要求1所述的电力推进系统，其中所述发电机包括一个或多个场绕组，向所述场绕组供应场电流，并且所述发电机被布置成根据所述功率需求参数控制向所述一个或多个场绕组供应的所述场电流。

3.如权利要求1或2所述的电力推进系统，其中所述控制信号包括马达速度命令、推力命令、扭矩命令或功率命令中的至少一种。

4.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述功率需求参数包括瞬时功率需求。

5.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述原动机是内燃机，诸如燃气涡轮发动机。

6.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述原动机被控制为以基本恒定的速度运行。

7.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述集成式发电机-马达控制器被布置成接收所述电力推进马达的当前速度的度量。

8.如权利要求7所述的电力推进系统，其中所述集成式发电机-马达控制器被布置成基于所述控制信号和所述马达的所述当前速度确定所需转矩。

9.如权利要求8所述的电力推进系统，其中使用所述所需扭矩确定所述功率需求参数。

10.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中使用推力模型确定所述功率需求参数。

11.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述集成式发电机-马达控制器被布置成确定由所述发电机产生的电力的指标。

12.如权利要求11所述的电力推进系统，其中使用由所述发电机产生的电力的所述指标来确定所述功率需求参数。

13.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其还包括：能量存储装置，所述能量存储装置被布置成连接到所述发电机和/或所述推进马达。

14.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述集成式发电机-马达控制器被布置成控制逆变器以控制向所述电力推进马达供应所述电力，并且其中所述电力推进系统还包括第一切换构件，所述第一切换构件被布置成允许所述逆变器可选择地连接到所述发电机或连接到所述推进马达。

15.如任一前述权利要求所述的电力推进系统，其中所述集成式发电机-马达控制器被布置成测量供应给电动马达的所述电力的电流。