CN113437742A - 一种用于混合动力航空器的供电方法、系统 - Google Patents

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康元丽
回彦年
李洪亮
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Abstract

本专利公开了一种用于混合动力航空器的供电方法、系统，属于航空电气系统领域，用于解决混合动力飞机高压电网与低压电网融合的问题，一方面实现了高效的电力推进，大幅度降低燃油消耗，另一方面利用储能装置实现了电推进系统与起动发电技术结合，提高了系统的集成度和复用能力。本发明的供电系统包括：储能装置、混动发电机、起动发电机、原动机、电推进系统力和电能分配系统。

Description

一种用于混合动力航空器的供电方法、系统
技术领域
本发明涉及航空电气系统领域，尤其涉及一种用于混合动力航空器的供电方法及供电系统。
背景技术
当前随着航空业电气化技术变革，对飞机绿色、节能、低碳等提出了更高的要求，新型能源形式、混合动力、电推进技术已成为航空领域的研究热点。由于航空燃油能量密度比电池高，电推进效率比传统燃气轮机高，混合动力系统是综合两者优点提出的解决方案。混合动力系统普遍采用涡轮发电结合储能装置方式，可实现能源结构的优化和效率的提升，是未来航空器推进系统效率提升和绿色航空的突破点。
发明内容
传统燃气轮机航空发动机的总体效率一般低于40％，混合动力技术将燃气轮机与电力技术结合，可实现高效的电力推进，大幅度降低燃油消耗，降低飞机噪声，提高航空器乘坐的舒适度。但在常规飞机电网基础上引入混动系统需要面临很多技术挑战，在与常规电网的匹配、关联等方面存在技术难点。
本发明所公开的一种用于航空器的混合动力系统，该系统在当前飞机构型的技术上引入混动架构，并结合当前多电技术中的起动发电技术完成与常规电网的融合设计，最大程度优化系统复用能力。混合动力航空器采用涡轮发电结合储能装置方式，系统架构上采用串联方式，涡轮发电结合储能装置共同驱动电动机，配合传统发动机产生推力。混动系统一般采用 540V以上高压直流，常规电网一般230VAC/115VAC低压交流，系统融合较为困难，影响了系统集成度。
本发明公开了一种混合动力航空器的供电方法及供电系统，将混合动力系统与飞机常规电网进行融合设计，一方面实现了高效的电力推进，大幅度降低燃油消耗，另一方面利用储能装置实现了电推进系统与起动发电技术结合，提高了系统的集成度和复用能力。
本发明公开了一种用于混合动力航空器的供电方法：
在航空器处于地面滑行阶段或爬升阶段，原动机带动混动发电机和起动发电机产生电能，所述混动发电机产生的电能与储能装置输出的电能用于驱动电推进系统；
在航空器处于巡航阶段，所述原动机带动所述混动发电机产生电能，经过电能分配单元，为所述储能装置进行充电和/或驱动电推进系统；发动机带动所述起动发电机，为所述储能装置进行充电；
在航空器处于下降阶段，气流驱动所述电推进系统中的涵道风扇产生电能，为所述储能装置充电；
优选的，在航空器处于启动阶段，所述储能装置通过低压回路为所述起动装置提供电能起动所述起动发电机，所述起动发电机在发动机点火前带动发动机运行。
优选的，在航空器启动后，所述起动发电机为所述航空器其他用电设备提供230V或 115V的交流电。
优选的，所述混动发电机产生540V以上高压直流电，为所述混合动力航空器提供高压电能。
优选的，所述混合动力航空器产生的电能通过电能分配系统进行分配、调解、控制电压。
本发明公开了一种使用上述用于混合动力航空器的供电方法的混合动力系统，具体包括：
储能装置；
混动发电机，用于驱动电推进系统；
起动发电机，具备电动机和发电机的功能，所述混合动力航空器的每台发动机至少设置 1台所述起动发电机；
起动装置，用于起动所述起动发电机，所述混合动力航空器的每台起动发电机至少设置 1台所述起动装置；
原动机，包括兆瓦级涡轮发动机，用于驱动所述混动发电机和所述起动发电机；所述原动机驱动所述混动发电机为所述储能装置充电；
所述电推进系统包括逆变器、电动机、涵道风扇，用于接受所述混动发电机和所述储能装置产生的电能产生推力；
电能分配系统，用于隔离高压回路与低压回路，分配电能、调解和控制电压。
优选的，所述储能装置输出电压低于540V。
优选的，所述起动发电机互为冗余备份，共同为所述航空器其他用电设备提供230V或 115V的交流电。
优选的，所述起动装置接收电压低于540V的直流电，用于起动所述起动发电机，多台起动装置互为备份。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电系统的框架图；
图2是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电方法中正常供电模式的示意图；
图3是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电方法中充电模式的示意图；
图4是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电方法中电能反馈模式的示意图；
图5是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电方法中起动阶段的示意图；
图6是本发明提供的一个实施例中一种用于混合动力航空器的供电方法中地面推进阶段的示意图；
上述附图中，标记的S/G1、S/G2、S/G3为起动发电机，标记的S/G起动为起动装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明提供的一个实施例中，公开了一种混合动力航空器的供电系统，下面以供电系统中各组成部分的功能和连接关系，说明供电系统的具体实现方式。
所述供电系统包括储能装置，采用电压低于540V的电池。一方面通过低压回路，可以驱动起动发电机提供起动功能，也可以作为供电备份。另一方面通过双向DCDC转换器进行升压，双向DCDC转换器配合混动发电机进行电压调节，使储能装置中储存的电能在飞机起飞阶段与混动发电机产生的电能共同驱动电动机和涵道风扇。而在飞机巡航阶段可利用混动发电机的电能为储能装置进行充电。
所述供电系统还包括混动发电机，用于驱动电推进系统；所述混动发电机接受原动机提供的动能，将动能转化为540V以上的直流电。当飞机处于起飞爬升阶段或地面滑行阶段，混动发电机产生的电能为电推进系统提供动力。当飞机处于巡航阶段，混动发电机产生的电能一方面通过电能分配单元为储能装置进行充电，另一方面为电推进系统提供动力。
所述供电系统还包括起动发电机，具备电动机和发电机的功能，所述混合动力航空器的每台发动机至少设置1台所述起动发电机。在本发明提供的一个实施例中，混合动力航空器有3台发动机，其中2台用于提供推力，1台原动机用于为混动发电机提供动力来源。每台发动机设置1台起动发电机，共计3台起动发电机。其中，第一、二起动发电机(图1 中S/G1、S/G2)由第一、第二发动机带动；第三起动发电机(图1中S/G3)由原动机带动。
所述第一至第三起动发电机作为发电机使用时，可以提供230V或115V交流电，共同为飞机常规负载供电。
所述起动装置共有3台，用于接受储能装置产生的电压低于540V的直流电起动第一至第三起动发电机，三台起动装置互为冗余备份。
第一至第三起动发电机互为冗余，在起动阶段作为电动机使用，接受起动装置输出的电能，在发动机点火前带动发动机运行。
所述供电系统还包括原动机，所述原动机为兆瓦级涡轮发动机，用于驱动所述混动发电机和所述起动发电机；所述原动机驱动所述混动发电机为所述储能装置充电；
所述电推进系统包括逆变器、电动机、涵道风扇，用于接受所述混动发电机和所述储能装置产生的电能产生推力；
电能分配系统，用于隔离高压回路与低压回路，分配电能、调解和控制电压。
在本发明还提供的一个实施例中，公开了一种用于混合动力航空器的供电方法，下面以混合动力航空器中动力系统的各个工作模式为顺序，展开叙述供电方法的具体实施方式。
起动阶段：如图5所示，当飞机处于地面启动阶段，由储能装置通过低压回路驱动第三起动发电机的起动装置为第三起动发电机(S/G3)供电，第三起动发电机(S/G3)作为电动机使用来起动原动机，同理可以驱动第一、二起动发电机(S/G1,S/G2)起动航空发动机。待原动机和航空发动机起动后，第一至第三起动发电机(S/G1,S/G2,S/G3)则进入正常供电模式。
正常供电模式：如图2所示，当飞机处于起飞爬升阶段，由原动机带动混动发电机和第三起动发电机(S/G3),其中第三起动发电机(S/G3)为常规飞机电网供电，混合发电机与储能装置通过电能分配单元驱动电推进系统中的电动机，产生推力。第一至第三起动发电机 (S/G1,S/G2,S/G3)一起为飞机常规电网供电。
充电模式：如图3所示，当飞机处于巡航阶段，原动机带动混动发电机一方面通过电能分配单元可为储能装置进行充电，一方面驱动电推进系统中的电动机。而由第一至第三起动发电机(S/G1,S/G2,S/G3)供电的常规电网也可以通过电能分配单元为储能装置充电。
电能回馈：如图4所示，当飞机处于下降阶段，推进器处于风车状态时，即通过流动的空气带动涵道风扇转动，电动机进入发电模式，通过电能分配单元和双向DCDC为储能装置进行充电回馈。
地面推进：如图6所示，当飞机处于地面滑行阶段，可由原动机带动混动发电机为电动机和推进器产生推力，飞机进行地面滑行，由第三起动发电机(S/G3)为机载系统供电，从而可以关闭航空发动机，降低燃油消耗。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于混合动力航空器的供电方法，其特征在于，所述方法包括：
在航空器处于地面滑行阶段或爬升阶段，原动机带动混动发电机和起动发电机产生电能，所述混动发电机产生的电能与储能装置输出的电能用于驱动电推进系统；
在航空器处于巡航阶段，所述原动机带动所述混动发电机产生电能，经过电能分配单元，为所述储能装置进行充电和/或驱动电推进系统；发动机带动所述起动发电机，为所述储能装置进行充电；
在航空器处于下降阶段，气流驱动所述电推进系统中的涵道风扇产生电能，为所述储能装置充电。
2.根据权利要求1所述的一种用于混合动力航空器的供电方法，其特征在于，所述方法还包括：
在航空器处于启动阶段，所述储能装置通过低压回路为所述起动装置提供电能起动所述起动发电机，所述起动发电机在发动机点火前带动发动机运行。
3.根据权利要求1所述的用于混合动力航空器的供电方法，其特征在于，所述方法还包括：
在航空器启动后，所述起动发电机为所述航空器其他用电设备提供230V或115V的交流电。
4.根据权利要求1所述的用于混合动力航空器的供电方法，其特征在于，所述混动发电机产生540V以上高压直流电，为所述混合动力航空器提供高压电能。
5.根据权利要求1-4所述的用于混合动力航空器的供电方法，其特征在于，所述混合动力航空器产生的电能通过电能分配系统进行分配、调解、控制电压。
6.一种使用权利要求1-5所述的用于混合动力航空器供电方法的混合动力供电系统，其特征在于，所述系统包括：
储能装置；
混动发电机，用于驱动电推进系统；
起动发电机，具备电动机和发电机的功能，所述混合动力航空器的每台发动机至少设置1台所述起动发电机；
起动装置，用于起动所述起动发电机，所述混合动力航空器的每台起动发电机至少设置1台所述起动装置；
原动机，包括兆瓦级涡轮发动机，用于驱动所述混动发电机和所述起动发电机；所述原动机驱动所述混动发电机为所述储能装置充电；
所述电推进系统包括逆变器、电动机、涵道风扇，用于接受所述混动发电机和所述储能装置产生的电能产生推力；
电能分配系统，用于隔离高压回路与低压回路，分配电能、调解和控制电压。
7.根据权利要求6所述的混合动力供电系统，其特征在于，所述储能装置输出电压低于540V。
8.根据权利要求6所述的混合动力供电系统，其特征在于，所述起动发电机互为冗余备份，共同为所述航空器其他用电设备提供230V或115V的交流电。
9.根据权利要求6所述的混合动力供电系统，其特征在于，所述起动装置接收电压低于540V的直流电，用于起动所述起动发电机，多台起动装置互为备份。
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