CN111641250A - 用于混合电动飞行器的主动电压控制 - Google Patents

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Abstract

用于混合电动飞行器的主动电压控制。一种在混合电动飞行器供电系统中提供主动电力流控制的固态高电压直流(HVDC)母线电压控制器。该HVDC母线电压控制器包括主动电压控制器和主动整流器单元，该主动整流器单元被配置为使用PWM控制技术来控制HVDC母线电压。在一种实现方式中，主动整流器单元包括具有快速关断能力的大功率高频半导体开关。主动电压控制器将HVDC母线参考电压发送到主动整流器单元。主动整流器单元内部的低电平控制器被配置为控制HVDC母线电压以匹配HVDC母线参考电压。

Description

用于混合电动飞行器的主动电压控制
技术领域
本公开总体上涉及具有向连接的负载提供能量的两个或更多个电能源的混合电电力源。特别地，本文公开的技术涉及包括一个或更多个电池以及由内燃机或燃气涡轮发动机驱动的一个或更多个发电机的混合电电力源。
背景技术
一些飞行器具有电动推进系统(以下简称“电动飞行器”)。在这种飞行器中，电动马达将电力转换成机械动力，以供推进系统使用。例如，电动马达可以使飞行器上的一个或更多个推进器转动以提供推力。电动飞行器可以采取各种形式。例如，电动飞行器可以是飞行器、旋翼飞行器、直升机、四旋翼飞行器、无人驾驶飞行器或某种其他合适类型的飞行器。
当电动马达用于飞行器的推进时，可以由电力源供应电能。例如，可以使用电池系统来供应电能。电池系统或其他电力源上的负载是飞行器设计和制造的重要考虑因素。例如，电动马达在各个飞行阶段期间用来使飞行器移动的电能的量可能是重要的。使用电池系统的电动马达可能需要在特定量时间、距离、电能使用或其组合之后给电池充电。
一些电动飞行器具有混合电力架构(以下称为“混合电动飞行器”)，其中至少两种不同类型的电力源并联连接至负载。电能源通常将具有不同的电特性。例如，电能源可以是电池和由内燃机或燃气涡轮发动机驱动的发电机。电池向被设置成将电力转换成机械动力以供飞行器的推进系统使用的电动马达供应电力。
在配备电池的混合电动飞行器的情况下，无法主动地控制电池电压。电池电压由电池数量、电池类型、电池荷电状态(SOC，)、负载和其他因素决定。必须控制进出电池的电力流(power flow)。电池的充电或放电速率很重要，应加以控制以避免热失控。
对于混合电动飞行器，电池很大并且被设计为提供大量电力以用于推进。电池与其他电力源(例如发电机)并联。在一种实现方式中，电池连接到高电压直流(HVDC)母线，该HVDC母线也由发电机源供电。如在航空航天工业中以及本文中所使用的，在直流电的背景下的术语“高电压”是指高于500VDC的任何DC电压。这种DC高电压通常来自三相230VAC电源的整流。
没有针对采用具有数百千瓦时能量的电池的混合电动飞行器进行主动电力流控制和电池电量管理控制的解决方案。需要用于在HVDC连接处严密控制进出电池的电力流的系统和方法。
发明内容
以下详细公开的主题针对一种用于混合电动飞行器的供电系统架构。该供电系统包括固态HVDC母线电压控制器，该固态HVDC母线电压控制器提供对到混合电动飞行器供电系统的推进马达的DC电力流的主动控制。该HVDC母线电压控制器包括主动电压控制器(active voltage controller)和主动整流器单元(active rectifier unit)，其被配置为使用脉冲宽度调制(PWM)控制技术来控制HVDC母线电压。在一种实现方式中，主动整流器单元包括具有快速关断能力的大功率高频半导体开关。PWM控制技术用于实现所需的电力传输。控制HVDC母线的电压使得能够对电池进行受控的充电或放电，并在系统中实现理想的电力流。
更具体地，供电系统包括连接到AC母线的交流(AC)发电机、连接到HVDC母线的高电压直流(HVDC)电池、将AC母线连接到HVDC母线的AC-DC电力转换器、以及主动电压控制器，该主动电压控制器被配置为在HVDC连接处控制进出电池的电力流。主动电压控制器位于电池的输出处。主动电压控制器将代表HVDC母线参考电压大小的控制信号发送到主动整流器单元。主动整流器单元内部的低电平控制器被配置为控制HVDC母线电压以匹配HVDC母线参考电压。
本文公开的主动电压控制方法允许准确地控制电池的充电或放电速率。另外，主动电压控制器允许在混合电动飞行器中进行精确的电力流管理。根据飞行阶段、飞行器任务、电池SOC、剩余碳氢化合物燃料、飞行条件等，主动电压控制器被配置为准确管理流向推进系统的电力流，在某些情况下，从电池源获取较多电力而从常规发动机源获取较少电力，或者在其他情况下，保留电池电量而使用更多从发动机源产生的电力。本文公开的架构可靠且重量轻。使用主动电压控制器还可以延长电池寿命，从而节省成本。
尽管下面将详细描述用于主动控制从电池和/或发电机向混合电动飞行器的推进马达供应电力的母线的电压的系统和方法的各种实施方式，但是一个或更多个这些实施方式的特征在于一个或更多个以下方面。
下面详细公开的主题的一个方面是一种用于向负载提供电流的混合电力供应系统，所述混合电力供应系统包括：AC电力源；AC母线；第一开关装置，其被设置成将来自所述AC电力源的AC电力可开关地(switchably)联接至所述AC母线；HVDC电力源；主动电压控制器，其被配置为生成代表HVDC母线参考电压的大小的控制信号；主动整流器单元，其包括被配置为将AC电力转换为HVDC电力的主动整流器，以及被配置为根据从所述主动电压控制器接收到的所述控制信号来控制所述主动整流器调节HVDC母线电压的控制器；第二开关装置，其被设置成将来自所述AC母线的AC电力可开关地联接至所述主动整流器单元；HVDC母线，其被联接以根据来自所述主动整流器单元的所述HVDC母线电压从所述HVDC电力源和主动整流器单元中的一者或两者接收DC电力；以及HVDC负载，其被联接以从所述HVDC母线接收HVDC电力。所述主动电压控制器包括计算机或处理器，所述计算机或处理器被编程为生成与所述HVDC母线参考电压的不同大小相对应的不同形式的所述控制信号；并且所述主动整流器单元的控制器被配置为根据所述HVDC母线参考电压的大小来控制所述主动整流器调节所述HVDC母线的所述HVDC母线电压。
根据在前一段中描述的混合电力供应系统的一些实施方式，所述HVDC负载包括马达控制器，所述马达控制器被联接以从所述HVDC母线接收HVDC电力，所述AC电力源包括发电机，并且所述HVDC电力源包括电池。
根据一些实施方式，所述混合电力供应系统还包括飞行电力管理控制器，所述飞行电力管理控制器被配置为向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以在飞行器的特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。当第一条件和第二条件二者都满足时，所述主动电压控制器生成发起(initiate)下降消息，所述第一条件是所述电池的荷电状态小于最小荷电状态储备，所述第二条件是燃料储备小于最小燃料储备。所述飞行电力管理控制器还被配置为：如果所述飞行器在地面上，所述电池被放电并且有电力源可用，则向所述主动电压控制器发送命令以对所述电池充电。此外，所述飞行电力管理控制器还被配置为执行以下操作：确定所述飞行器的当前飞行阶段；确定电池荷电状态；确定燃料水平；根据所述飞行阶段、电池荷电状态和燃料水平调整电池使用概况(profile)；根据调整后的电池使用概况设置电池放电或充电电流；以及命令所述主动电压控制器根据设置的电池放电或充电电流使所述电池被放电或充电。
下面详细公开的主题的另一方面是一种飞行器，包括：AC电力源；AC母线；第一开关装置，其被设置成将来自所述AC电力源的AC电力可开关地联接至所述AC母线；HVDC电力源；主动电压控制器，其被配置为基于所述HVDC电力源的电流生成代表HVDC母线参考电压的大小的控制信号；主动整流器单元，其包括被配置为将AC电力转换为HVDC电力的主动整流器，以及被配置为根据从所述主动电压控制器接收到的所述控制信号来控制所述主动整流器调节所述HVDC母线的HVDC母线电压的控制器；第二开关装置，其被设置成将来自所述AC母线的AC电力可开关地联接至所述主动整流器单元；HVDC母线，其被联接以根据来自所述主动整流器单元的所述HVDC母线电压从所述HVDC电力源和主动整流器单元中的一者或两者接收DC电力；电推进马达，其被联接以从所述HVDC母线接收HVDC电力；以及推进器，该推进器能够在工作上联接到所述电推进马达。所述主动电压控制器包括计算机或处理器，所述计算机或处理器被编程为生成与所述HVDC母线参考电压的不同大小相对应的不同形式的所述控制信号。所述主动整流器单元的控制器被配置为根据所述HVDC母线参考电压的大小来控制所述主动整流器调节所述HVDC母线的所述HVDC母线电压。所述飞行器还包括飞行电力管理控制器，所述飞行电力管理控制器被配置为向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以在特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。根据一个实施方式，所述AC电力源包括发电机，并且所述HVDC电力源包括电池。
根据在前一段中描述的飞行器的一个实施方式，所述飞行电力管理控制器被配置为：如果所述飞行器在地面上，所述电池被放电并且有电力源可用，则向所述主动电压控制器发送命令以对所述电池充电。根据同一或另一实施方式，如果所述飞行器在飞行中，则所述飞行电力管理控制器被配置为执行以下操作：确定所述飞行器的当前飞行阶段；确定电池荷电状态；确定燃料水平；根据所述飞行阶段、电池荷电状态和燃料水平调整电池使用概况；根据调整后的电池使用概况设置电池放电或充电电流；以及命令所述主动电压控制器根据设置的电池放电或充电电流使所述电池被放电或充电。
下文详细公开的主题的另一方面是一种用于经由HVDC母线向HVDC负载提供HVDC电力的方法，所述HVDC母线被联接以从HVDC电力源和联接到AC电力源的主动整流器单元中的一者或两者接收DC电力，所述方法包括：在主动电压控制器中生成代表HVDC母线参考电压的大小的形式的控制信号；以及控制所述主动整流器单元根据所述HVDC母线参考电压的大小来调节所述HVDC母线的HVDC母线电压。
根据在前一段中描述的方法的一个实施方式，所述AC电力源和所述HVDC电力源分别是飞行器上的发电机和电池，并且所述方法还包括：从所述飞行器上的飞行电力管理控制器向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以通过调节所述HVDC母线参考电压相对于所述电池的电压的大小来在飞行器的特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。
以下公开了用于主动地控制从电池和/或发电机向混合电动飞行器的推进马达供应电力的母线的电压的系统和方法的其他方面。
附图说明
在前面的部分中讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在其他实施方式中组合。为了例示上述和其他方面，以下将参照附图描述各种实施方式。本节中简要描述的所有图均未按比例绘制。
图1是描绘根据一个实施方式的具有飞行电力管理控制器(FPMC)、至少一个主动电压控制器(AVC)和至少一个主动整流器单元(ARU)的混合电动飞行器供电系统架构的框图。
图2是标识图1所示的架构中所包括的固态主动整流器单元的一些组件的框图。
图3是根据一种提出的实现方式的标识由主动电压控制器执行的控制算法的步骤的流程图。
图4是根据一种提出的实现方式的标识由飞行电力管理控制器执行的控制算法的步骤的流程图。
在下文中将参照附图，其中不同附图中的相同要素具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面详细描述了用于主动地控制从电池和/或发电机向混合电动飞行器的推进马达供应电力的母线的电压的系统和方法的例示性实施方式。然而，在本说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这样的实施方式的开发中，必须做出许多特定于实现方式的决定，以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束，这将随实现方式的不同而不同。而且，应该意识到，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是例行的工作。
单个混合电动飞行器可具有一个或更多个HVDC电力源(例如，电池)以及一个或更多个由原动机(例如，燃气涡轮发动机或内燃机)驱动的发电机源。在电池、飞行器和环境的操作条件不断变化的情况下，需要对多种源进行控制和管理，以实现针对特定任务的最佳电力提取。
更一般地，本文提出的混合电力供应系统不限于其在混合电动飞行器上的应用。根据一种架构，本文提出的混合电力供应系统包括以下组件：AC电力源；AC母线；第一开关装置，其被设置成将来自所述AC电力源的AC电力可开关地联接至所述AC母线；HVDC电力源；主动电压控制器，其被配置为生成代表HVDC母线参考电压的大小的控制信号；主动整流器单元，其包括被配置为将AC电力转换为HVDC电力的主动整流器、以及被配置为根据从所述主动电压控制器接收到的所述控制信号来控制所述主动整流器调节HVDC母线电压的控制器；第二开关装置，其被设置成将来自所述AC母线的AC电力可开关地联接至所述主动整流器单元；HVDC母线，其被联接以根据来自所述主动整流器单元的所述HVDC母线电压从所述HVDC电力源和主动整流器单元中的一者或两者接收DC电力；以及HVDC负载，其被联接以从所述HVDC母线接收HVDC电力。下文将详细描述被设计用于给电动飞行器供电的前述架构的实施方式的一个示例。
图1是详细描绘根据一个实施方式的所提出的用于混合电动飞行器的供电系统10的架构的框图。在该示例中，混合电动飞行器具有四个推进器24(每个机翼两个)。在图1中仅描绘了可旋转地安装到一个机翼的两个推进器24以及相关联的供电系统组件。图1中描绘的供电系统10还包括飞行电力管理控制器12(以下称为“FPMC 12”)。在图1中标识的所有其他组件都与混合电动飞行器的一个机翼相关联并且形成供电系统10的一半。供电系统10的另一半(图1中未示出)包括与另一机翼相关联的重复组件。FPMC 12管理供应给两个机翼的电推进电力。
根据一个实施方式，每个推进器24由相应的电推进马达26驱动以旋转。在另一实施方式中，每个电推进马达26驱动多个推进器。每个电推进马达26在相应的推进马达控制器28的控制下操作，该控制器从HVDC母线20接收飞行器推进电力。在一个提出的实施方式中，FPMC 12是(例如，通过软件)被配置为管理供应给推进马达控制器28的HVDC电力的计算机。
图1中所描绘的供电系统10的一部分还包括两个AC发电机14和两个HVDC电池18。每个AC发电机14由内燃机或燃气涡轮发动机(图1中未示出)机械地驱动。在图1中仅示出了一个AC发电机14和一个HVDC电池18(与混合电动飞行器的一个机翼相关联)。
如本文所使用的，术语“电池”包括在电池外壳的内部的至少一个电池单元以及位于电池外壳的内部或外部的至少一个传感器。在优选的实施方式中，电池包括温度传感器、电流传感器和电压传感器。在下文更详细描述的主动电压控制器的背景下，术语“测量电池电流”是指接收电流传感器的输出并将电流传感器输出转换为测量值。
再次参照图1，HVDC电池18的端子(在附图中未示出)通过电布线直接电连接到HVDC母线20。AC发电机14的端子通过电布线经由接触器2a电连接到AC母线16。
如本文所使用的，术语“接触器”是指电控开关。通常，接触器由功率水平低于开关电路的电路控制。典型的接触器包括容纳在壳体中的触头和电磁体。触头是接触器的载流部分。电磁体提供驱动力以闭合触头。可以设置弹簧以使电磁体芯相对于电磁体线圈返回到其打开位置。壳体是由电绝缘材料制成的包封件(enclosure)。
图1中所描绘的供电系统10的一部分还包括主动整流器单元40，其具有通过电布线经由接触器2b电连接到AC母线16的输入端子。主动整流器单元40的输出端子也通过电布线电连接至HVDC母线20。主动整流器单元40被控制为以将从AC母线16接收的输入AC电力转换为供应至HVDC母线20的输出HVDC电力的方式进行操作。推进马达控制器28和多个其他非推进HVDC负载30从HVDC母线20接收HVDC电力。
图1中所描绘的供电系统10的一部分还包括可调变压器整流器单元(RTRU)32，其具有通过电布线经由接触器2c电连接到AC母线16的输入端子。该系统还包括低电压直流(LVDC)母线34，其从可调变压器整流器单元32接收经调压后的AC电力。此外，其他非推进AC负载38经由相应的接触器2d以及连接的电布线从AC母线16接收AC电力。
图1中所描绘的供电系统10的一部分还包括主动电压控制器22，该主动电压控制器22被配置为从HVDC电池18接收(无线地或经由布线)代表电池状态的传感器数据6，然后向主动整流器单元40发送(无线地或经由布线)代表HVDC母线参考电压的大小的控制信号8。主动整流器单元40又控制HVDC母线20的电压以匹配HVDC母线参考电压。如果HVDC母线电压大于HVDC电池18的电压(以下称为“电池电压”)，则HVDC电池18充电。充电速率与HVDC母线参考电压与电池电压之差的大小成比例。相反，如果HVDC母线电压小于HVDC电池18的电压，则HVDC电池18放电。放电速率与HVDC母线参考电压与电池电压之差的大小成比例。因此，主动电压控制器22通过调节提供给主动整流器单元40的HVDC母线参考电压来有效地控制HVDC电池18的充电或放电速率。
根据一个实施方式，主动电压控制器22被配置为从FPMC 12接收不同的任务请求(下面描述其中的一些)。如本文所使用的，术语“任务请求”是指从FPMC 12发送(无线地或经由布线)到主动电压控制器22的控制信号所携带的信息(如图1中的虚线箭头4所示)，该信息标识了将由主动整流器单元40执行的HVDC母线电压变化。
根据一些实施方式，发电机14是由发马达控制器单元(图1中未示出)控制的绕线转子发电机。绕线转子发电机电压幅值由发马达控制器单元改变转子励磁绕组中的励磁来控制。AC母线电压的频率无法控制。因此，AC负载在其前端具有马达控制器或电力转换器(power converter)，以适应AC母线电力的变化特性。将AC母线电力转换为HVDC母线电力的电力转换器是主动整流器单元40。主动整流器单元40独立地控制HVDC母线电压。因为HVDC电池18直接连接到HVDC母线20，所以提供了主动电压控制器22以控制电池的充电或放电速率，并且用于其他高级控制技术以优化混合电动飞行器上的能量使用。
根据其他实施方式，发电机14是永磁发电机(图1中未示出)。永磁发电机是这样一种发电机，其中，励磁场由旋转的永磁体而不是由线圈提供。永磁发电机电压无法控制，其会根据原动机的速度和发电机负载而变化。因此，AC母线电压将是可变频率、可变幅值的电压。因此，AC负载也将需要位于前端的马达控制器或电力转换器，类似于先前的发电机是具有发马达控制器单元的绕线转子发电机的情况。同样，为将AC母线电力转换为HVDC母线电力的电力转换器提供了主动电压控制，因为需要控制电池的充电和放电速率。此外，HVDC母线主动电压控制器还提供了实现能量优化控制的额外优势。[如本文所用，术语“HVDC母线主动电压控制器”是指主动电压控制器22和主动整流器单元40的组合。]
主动整流器单元40是固态电力转换器，其被配置为使用PWM控制技术来控制HVDC母线电压。主动整流器有很多种拓扑，包括升压、降压、Vienna及其他。主动整流器单元40又由主动电压控制器22控制，以使得能够控制HVDC电池18的充电和放电速率并且使得能够在混合电动飞行器上优化能量使用。
图2是标识包括在图1所示的架构中的固态主动整流器单元40的一些组件的框图。根据一个实施方式，主动整流器单元40包括由主动整流器控制器52控制的主动整流器46。主动整流器单元40还包括设置在主动整流器46与发电机14之间的电磁干扰(EMI)和谐波滤波器44(以下称为“EMI和谐波滤波器44”)以及设置在主动整流器46与HVDC母线20(图2中未示出)之间的滤波器48。另外，主动整流器单元40包括设置在发电机14与EMI和谐波滤波器44之间的电压和电流感测电路42以及设置在滤波器48与HVDC母线20之间的电压和电流感测电路50。
主动整流器控制器52被配置为执行控制算法，该控制算法控制集成在主动整流器46中的开关的状态。主动整流器单元40的典型控制算法包括用于满足AC母线电力质量要求的功率因数校正(PFC)控制以及用于HVDC母线电压调节以及HVDC母线电流限制和故障保护的HVDC母线控制。电压和电流感测电路42感测主动整流器46的AC侧的电压Vac和电流Iac。电压和电流感测电路42的输出由主动整流器控制器52接收并且用于实现PFC控制。电压和电流感测电路50感测主动整流器46的DC侧的电压Vdc和电流Idc。电压和电流感测电路50的输出由主动整流器控制器52接收，并用于启用HVDC母线电压调节以及电流限制和故障保护。为了满足电力质量要求，需要主动整流器46的AC侧和HVDC侧上的EMI和谐波滤波器44和48(例如，低通滤波器，每个滤波器包括电感器和电容器)。主动整流器46由开关网络组成，使用PWM控制该开关网络以减少电压的DC分量。
脉冲宽度调制是一种可用于控制供应给电设备的电力的调制技术。通过快速接通和断开电源与负载之间的开关来控制馈入负载的电压(和电流)的平均值。与断开时段相比，开关接通的时间越长，供应给负载的总电力就越高。术语“占空比”描述了接通时间与规则间隔或时间“周期”的比例；低占空比对应于低电力，因为大多数时间电源处于关闭状态。PWM的主要优点是开关器件的功耗非常低。当开关断开时，几乎没有电流，而当开关接通且电力正被传递给负载时，开关两端几乎没有压降。因此，作为电压和电流的乘积的功耗在两种情况下都接近于零。
根据本文公开的实施方式，除了图2中所示的典型的主动整流器控制之外，提供了附加的外部反馈环路，以使得能够控制HVDC电池的充电和放电速率。也可以使用管理电池与发电机源之间的电力流的另外的控制回路。根据诸如电池SOC、用于发电机原动机的剩余碳氢化合物燃料、飞行阶段、飞行器任务等各种条件，可以使用电力流管理来优化能量利用效率。图3中示出了主动电压控制器22的一个示例控制图，其允许电池的充电和放电速率控制以及电力流管理。主动电压控制器22到主动整流器单元40的输出是大于或小于电池电压的HVDC母线参考电压。主动电压控制器22计算新的HVDC母线参考电压(是否需要减小或增加)，并将新的HVDC母线参考电压传送至主动整流器单元40。更具体地，主动电压控制器22包括测量电池电流(以下称为“测得的电池电流”)的电流传感器。然后，主动电压控制器22通过设置HVDC母线参考电压并将其发送到主动整流器单元40来控制HVDC母线电压，该HVDC母线参考电压是所测得的电池电流的函数。
图3是根据一种提出的实现方式的标识由主动电压控制器22执行的控制算法100的步骤的流程图。主动电压控制器22在图3中所示的框“增加HVDC母线电压”(步骤106)和“减小HVDC母线电压”(步骤110)中确定HVDC母线参考电压。主动整流器单元40执行步骤106和110的结果将是新的HVDC母线参考电压。
首先，主动电压控制器22测量HVDC电池电流(步骤102)。然后，主动电压控制器22确定电池电流是否大于最大放电速率(步骤104)。如果在步骤104中确定电池电流正在以大于最大放电速率的放电速率放电，则主动电压控制器22增加HVDC母线参考电压，并且通过发送代表新的HVDC母线参考电压的大小的控制信号来将该值传送到主动整流器单元40。主动整流器单元40通过增加HVDC母线电压来响应该控制信号(步骤106)，从而降低电池放电速率。如果在步骤104中确定电池电流不大于最大放电速率，则主动电压控制器22确定流入电池的电流是否大于最大充电速率(步骤108)。如果在步骤108中确定电池电流正在以大于最大充电速率的充电速率进行充电，则主动电压控制器22减小HVDC母线参考电压并通过发送代表新的HVDC母线参考电压大小的控制信号将该值传送至主动整流器单元40。主动整流器单元40通过减小HVDC母线电压来响应该控制信号(步骤110)，从而降低电池充电速率。如果在步骤108中确定流入电池的电流不大于最大充电速率，则主动电压控制器22接下来确定电池的荷电状态(SOC)是否小于最小SOC储备(步骤112)。
荷电状态(SOC)相当于电池供电的电动载具中电池组的“燃油表”。SOC的单位是百分比(0％＝空；100％＝满)。通常，SOC无法直接测量，但可以根据直接测量变量进行估算。例如，主动电压控制器22可以被配置为通过对电池电流按时间进行积分来计算SOC。
如果在步骤112中确定电池SOC不小于最小SOC储备，则主动电压控制器22确定是否已经接收到增加从电池汲取的电力的任务请求(步骤114)。如果在步骤114中确定尚未接收到增加从电池汲取的电力的任务请求，则主动电压控制器22返回到步骤102。如果在步骤114中确定已经接收到增加从电池汲取的电力的任务请求，则主动电压控制器22减小HVDC母线参考电压，并通过发送代表新的HVDC母线参考电压大小的控制信号将该值传送到主动整流器单元40。主动整流器单元40通过减小HVDC母线电压来响应该控制信号(步骤110)，从而增加电池的放电速率(步骤116)。主动电压控制器22然后返回到步骤102。
如果在步骤112中确定电池SOC小于最小SOC储备，则主动电压控制器22确定燃料储备是否小于最小燃料储备(步骤118)。如果在步骤118中确定燃料储备小于最小燃料储备，则主动电压控制器22向飞行员发送消息以发起下降(步骤120)。如果在步骤118中确定燃料储备不小于最小燃料储备，则主动电压控制器22执行步骤122和126。
在步骤122中，主动电压控制器22确定是否已经接收到增加从发电机汲取的电力的任务请求。如果在步骤122中确定尚未接收到增加从发电机汲取的电力的任务请求，则主动电压控制器22返回到步骤102。如果在步骤122中确定已经接收到增加从发电机汲取的电力的任务请求，则主动电压控制器22增加HVDC母线参考电压并通过发送代表新的HVDC母线参考电压大小的控制信号将该值传送至主动整流器单元40。主动整流器单元40通过增加HVDC母线电压来响应该控制信号(步骤124)，从而降低电池放电速率。(如本文所用，术语“减小”和“降低”是可互换的同义词。)然后，主动电压控制器22返回到步骤102。
在步骤126中，主动电压控制器22确定是否已经接收到对电池充电的任务请求。如果在步骤126中确定尚未接收到对电池充电的任务请求，则主动电压控制器22返回到步骤102。如果在步骤126中确定已经接收到对电池充电的任务请求，则主动电压控制器22增加HVDC母线参考电压并通过发送代表新的HVDC母线参考电压大小的控制信号将该值传送到主动整流器单元40。主动整流器单元40通过将HVDC母线电压增加到大于电池电压的电平来响应该控制信号(步骤128)，从而首先减小电池的放电速率，然后增加电池的充电速率。主动电压控制器22然后返回到步骤102。
主动电压控制器22还从飞行器飞行电力管理控制器12(以下称为“FPMC 12”)接收命令。FPMC 12是被配置为(例如，通过软件)指导主动电压控制器22从HVDC电池18或从发电机14汲取更多电力或者为HVDC电池18充电的计算机。FPMC 12还从主动电压控制器22接收关于HVDC电池18的状态的信息，例如当前电池SOC以及当前充电或放电速率。基于任务概况(profile)、飞行器状态、飞行阶段等，FPMC12被配置为对如何管理系统中的电力流做出决策。
飞行器任务从一次飞行到另一次飞行不尽相同。有些飞行航程短，有些飞行航程较长。飞行器重量也会从一次飞行到另一次飞行改变，这种重量变化会影响飞行器的航程。对于非常短的飞行和/或较轻的载荷，使用更多的电池电量以减少燃料消耗将是有利的。通常，飞行器上的一个或更多个电池在地面上充电。相反，对于较长的飞行和较重的载荷，可以使用更多的碳氢化合物燃料，而在某些飞行阶段期间电池提供辅助。在下降期间，如果使用电推进马达来使飞行器减速，则产生的再生电力可用于为电池充电。FPMC 12的功能是在混合电动飞行器中执行电力流管理，以优化总体能量使用并减少特定任务期间的燃料燃烧。
图4是根据一种提出的实现方式的标识由FPMC 12执行的控制算法140的步骤的流程图。FPMC 12被配置为确定飞行器是否在地面上(步骤142)。一方面，如果在步骤142中确定飞行器在地面上，则FPMC 12确定电池是否放电(步骤144)。另一方面，如果在步骤142中确定飞行器不在地面上，则FPMC 12确定飞行器的当前飞行阶段是什么(步骤162)。
不管步骤142的结果如何，FPMC 12在步骤154中确定机组人员是否已经输入了任务概况。一方面，如果在步骤154中确定机组人员尚未输入任务概况，则FPMC12加载默认的电池使用概况(步骤156)。默认的电池使用概况可以通过典型的飞机任务(短程或远程任务)、飞行器的重量或人数和机上货物量以及关于减少燃料燃烧的优化来建立。另一方面，如果在步骤154中确定机组人员已经输入了任务概况，则FPMC 12然后确定电池SOC和燃料水平(步骤158)。然后，FPMC 12加载用于任务的最佳燃料使用电池概况(步骤160)。
最佳燃料使用电池概况被配置为使得利用电池来最小化常规燃料燃烧并最大化电池使用。根据电池SOC和电池中的剩余电能、飞机重量和飞机任务，最佳燃料使用电池概况将通过在整个飞行周期中最大化电池电量的使用来最小化燃料燃烧。最佳燃料使用电池概况还将确保电池在飞行周期结束时不会过度放电，并且电池放电速率不会超过飞行过程中的最大允许放电速率。默认电池使用概况可能与最佳燃料使用电池概况不同。例如，从燃料燃烧的角度来看，默认电池使用概况可能不是最理想的，但是从速度或其他任务参数的角度来看，可能是最理想的。
如前所述，在FPMC 12确定飞行器在地面上之后，执行步骤144。一方面，如果在步骤144中确定电池未放电，则FPMC 12返回到步骤142。另一方面，如果在步骤144中确定电池已放电，则FPMC 12确定多个电力源(例如，外部电力、辅助电力单元或发动机电力)中的任何一个是否可用(步骤146)。一方面，如果在步骤146中确定电力源不可用，则FPMC 12返回到步骤142。另一方面，如果在步骤146中确定电力源可用，则FPMC 12确定可以用于为HVDC电池18充电的电力是多少。在确定可以将多少电力用于电池充电之后，FPMC 12设置电池充电电流(步骤150)，然后命令主动电压控制器22使用设置的电池充电电流对电池充电(步骤152)。
如前所述，在FPMC 12确定飞行器不在地面上之后，执行步骤162。在确定飞行器飞行阶段之后，FPMC 12接下来确定电池SOC和燃料水平(步骤164)。然后，FPMC 12根据飞行阶段、电池SOC和燃料水平来调整电池使用概况(步骤166)。在调整了电池使用概况之后，FPMC12根据调整后的电池使用概况来设置电池放电或充电电流(步骤168)，然后命令主动电压控制器22使用设置的电池放电或充电电流对电池放电或充电。
尽管已经参照各种实施方式描述了用于主动地控制从电池和/或发电机向混合电动飞行器的推进马达供应电力的母线的电压的系统和方法，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文教导的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其要素。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行许多修改以使本文的教导适应特定情况。因此，权利要求旨在不限于本文公开的特定实施方式。
以上公开的实施方式使用一个或更多个计算机系统。如权利要求中所使用的，术语“计算机系统”包括经由有线或无线连接进行通信的单个处理或计算装置或者多个处理或计算装置。此类处理或计算装置通常包括以下中的一项或更多项：处理器、控制器、中央处理单元、微控制器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列、数字信号处理器和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理设备。以上示例仅是示例性的，因此无意于以任何方式限制术语“计算机系统”的定义和/或含义。
本文描述的方法可以被编码为体现在非暂时性有形计算机可读存储介质中的可执行指令，该介质包括但不限于存储装置和/或存储器装置。当由处理或计算系统执行时，这种指令使系统设备执行本文描述的方法的至少一部分。
下文提出的过程权利要求不应被解释为要求按字母顺序执行其中所叙述的步骤(权利要求中的任何字母顺序仅用于引用先前叙述的步骤的目的)或按叙述它们的顺序来执行，除非权利要求语言明确指定或声明了指示执行这些步骤中的一些或全部的特定顺序的条件。过程权利要求也不应解释为排除同时或依次执行的两个或更多个步骤的任何部分，除非权利要求语言明确指出排除这种解释的条件。
对应于所附权利要求中叙述的术语“开关装置”的结构包括触头、继电器及其结构等同物。
注意：以下段落描述了本发明的其他方面：
A1.一种用于经由HVDC母线向HVDC负载提供HVDC电力的方法，所述HVDC母线被联接以从HVDC电力源和联接到AC电力源的主动整流器单元中的一者或两者接收DC电力，所述方法包括：
在主动电压控制器中生成代表HVDC母线参考电压的大小的形式的控制信号；以及
控制所述主动整流器单元根据所述HVDC母线参考电压的大小来调节所述HVDC母线的HVDC母线电压。
A2.根据段落A1所述的方法，其中，所述AC电力源和所述HVDC电力源分别是飞行器上的发电机和电池，所述方法还包括：
从所述飞行器上的飞行电力管理控制器向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以通过调节所述HVDC母线参考电压相对于所述电池的电压的大小来在飞行器的特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。

Claims (18)

1.一种用于向负载提供电流的混合电力供应系统，所述混合电力供应系统包括：
交流电力源；
交流母线；
第一开关装置，该第一开关装置被设置成将来自所述交流电力源的交流电力可开关地联接至所述交流母线；
高电压直流电力源；
主动电压控制器，该主动电压控制器被配置为生成代表高电压直流母线参考电压的大小的控制信号；
主动整流器单元，该主动整流器单元包括：主动整流器，该主动整流器被配置为将交流电力转换为高电压直流电力；以及控制器，该控制器被配置为根据从所述主动电压控制器接收到的所述控制信号来控制所述主动整流器调节高电压直流母线电压；
第二开关装置，该第二开关装置被设置成将来自所述交流母线的交流电力可开关地联接至所述主动整流器单元；
高电压直流母线，该高电压直流母线被联接以根据来自所述主动整流器单元的所述高电压直流母线电压从所述高电压直流电力源和所述主动整流器单元中的一者或两者接收直流电力；以及
高电压直流负载，该高电压直流负载被联接以从所述高电压直流母线接收高电压直流电力。
2.根据权利要求1所述的混合电力供应系统，其中，所述高电压直流负载包括马达控制器，所述马达控制器被联接以从所述高电压直流母线接收高电压直流电力。
3.根据权利要求1所述的混合电力供应系统，所述混合电力供应系统还包括交流负载和第三开关装置，所述第三开关装置被设置成将来自所述交流母线的交流电力可开关地联接至所述交流负载。
4.根据权利要求1所述的混合电力供应系统，其中：
所述主动电压控制器包括计算机或处理器，所述计算机或处理器被编程为生成与所述高电压直流母线参考电压的不同大小相对应的不同形式的所述控制信号；并且
所述主动整流器单元的所述控制器被配置为根据所述高电压直流母线参考电压的大小来控制所述主动整流器调节所述高电压直流母线的所述高电压直流母线电压。
5.根据权利要求1所述的混合电力供应系统，其中，所述交流电力源包括发电机，并且所述高电压直流电力源包括电池。
6.根据权利要求5所述的混合电力供应系统，其中，所述控制信号是当流出所述电池的电流大于最大放电速率时增加所述高电压直流母线电压的命令。
7.根据权利要求5所述的混合电力供应系统，其中，所述控制信号是当流入所述电池的电流大于最大充电速率时减小所述高电压直流母线电压的命令。
8.根据权利要求5所述的混合电力供应系统，所述混合电力供应系统还包括飞行电力管理控制器，该飞行电力管理控制器被配置为向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以在飞行器的特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。
9.根据权利要求8所述的混合电力供应系统，其中，当第一条件和第二条件二者都满足时，所述主动电压控制器生成发起下降消息，所述第一条件是所述电池的荷电状态小于最小荷电状态储备，并且所述第二条件是燃料储备小于最小燃料储备。
10.根据权利要求8所述的混合电力供应系统，其中，所述飞行电力管理控制器还被配置为：如果所述飞行器在地面上，所述电池被放电并且有电力源可用，则所述飞行电力管理控制器向所述主动电压控制器发送命令以对所述电池充电。
11.根据权利要求8所述的混合电力供应系统，其中，所述飞行电力管理控制器还被配置为执行以下操作：
确定所述飞行器的当前飞行阶段；
确定电池荷电状态；
确定燃料水平；
根据所述飞行阶段、所述电池荷电状态和所述燃料水平调整电池使用概况；
根据调整后的电池使用概况设置电池放电或充电电流；以及
命令所述主动电压控制器根据设置的电池放电或充电电流使所述电池被放电或充电。
12.一种飞行器，该飞行器包括：
交流电力源；
交流母线；
第一开关装置，该第一开关装置被设置成将来自所述交流电力源的交流电力可开关地联接至所述交流母线；
高电压直流电力源；
主动电压控制器，该主动电压控制器被配置为基于所述高电压直流电力源的电流生成代表高电压直流母线参考电压的大小的控制信号；
主动整流器单元，该主动整流器单元包括：主动整流器，该主动整流器被配置为将交流电力转换为高电压直流电力；以及控制器，该控制器被配置为根据从所述主动电压控制器接收到的所述控制信号来控制所述主动整流器调节高电压直流母线电压；
第二开关装置，该第二开关装置被设置成将来自所述交流母线的交流电力可开关地联接至所述主动整流器单元；
高电压直流母线，该高电压直流母线被联接以根据来自所述主动整流器单元的所述高电压直流母线电压从所述高电压直流电力源和所述主动整流器单元中的一者或两者接收直流电力；
电推进马达，该电推进马达被联接以从所述高电压直流母线接收高电压直流电力；以及
推进器，该推进器能够在工作上联接到所述电推进马达。
13.根据权利要求12所述的飞行器，其中：
所述主动电压控制器包括计算机或处理器，所述计算机或处理器被编程为生成与所述高电压直流母线参考电压的不同大小相对应的不同形式的所述控制信号；并且
所述主动整流器单元的所述控制器被配置为根据所述高电压直流母线参考电压的大小来控制所述主动整流器调节所述高电压直流母线的所述高电压直流母线电压。
14.根据权利要求12所述的飞行器，所述飞行器还包括飞行电力管理控制器，所述飞行电力管理控制器被配置为向所述主动电压控制器发送电力流管理命令，以在特定任务期间优化总体能量使用并减少燃料燃烧。
15.根据权利要求12所述的飞行器，其中，所述交流电力源包括发电机，并且所述高电压直流电力源包括电池。
16.根据权利要求15所述的飞行器，其中，当第一条件和第二条件二者都满足时，所述主动电压控制器生成发起下降消息，所述第一条件是所述电池的荷电状态小于最小荷电状态储备，并且所述第二条件是燃料储备小于最小燃料储备。
17.根据权利要求15所述的飞行器，所述飞行器还包括飞行电力管理控制器，所述飞行电力管理控制器被配置为：如果所述飞行器在地面上，所述电池被放电并且有电力源可用，则向所述主动电压控制器发送命令以对所述电池充电。
18.根据权利要求15所述的飞行器，所述飞行器还包括飞行电力管理控制器，如果所述飞行器在飞行中，则所述飞行电力管理控制器被配置为执行以下操作：
确定所述飞行器的当前飞行阶段；
确定电池荷电状态；
确定燃料水平；
根据所述飞行阶段、所述电池荷电状态和所述燃料水平调整电池使用概况；
根据调整后的电池使用概况设置电池放电或充电电流；以及
命令所述主动电压控制器根据设置的电池放电或充电电流使所述电池被放电或充电。
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