CN115892483A - 一种电推进系统能源架构及供能方法 - Google Patents

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曲江磊
李洪亮
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Abstract

本发明涉及一种电推进系统能源架构及供能方法，属于飞机电源系统设计技术领域，能够通过燃料电池APU系统的功能复用降低飞机对主发电系统容量的需求，从而减少对于飞机发动机功率的提取，降低燃油消耗；该能源架构包括燃料电池APU系统、电推进系统、原电推进供电系统、机载交流用电设备和机载电环控系统；燃料电池APU系统与原电推进供电系统并联后与电推进系统连接；燃料电池APU系统单独或与原电推进供电系统一起为电推进系统供能；燃料电池APU系统通过DC/AC变换器与机载交流用电设备连接，为机载交流用电设备提供其所需的交流电；燃料电池APU系统与机载电环控系统连接，为机载电环控系统的供能，从而为飞机提供备份引气。

Description

一种电推进系统能源架构及供能方法
技术领域
本发明涉及飞机电源系统设计技术领域，尤其涉及一种电推进系统能源架构及供能方法。
背景技术
燃料电池APU是以燃料电池为核心实现替代现有涡轮APU的功能，燃料电池APU系统中的燃料电池系统接收来自储氢系统的氢气以及供气系统的空气，利用电化学反应，产生直流电能。变配电系统再将燃料电池输出的直流电转化为飞机负载所需的交流电能以及供气系统所需的交流电能。供气系统则通过电动压气机为飞机气源系统提供所需的气能。
电推进系统是指通过电源为分布在机翼和机身的单个/多个推进电机提供电力，并由电机驱动动力装置(电涵道风扇、螺旋桨等)提供推力的新型推进系统，能极大地降低推进系统燃油消耗量和污染物排放。
专利CN112339964A公开了一种基于燃料电池的并联式气电混合动力系统，主要包括螺旋桨、天然气发动机、可逆电机，螺旋桨连接齿轮箱，利用尾气实现燃料的重整以及燃料电池的加热使其发电，与并联式混合动力系统相结合，通过阀门的控制实现不同模式的切换，以适应不同的航行工况。但该专利只考虑了燃料电池为动力系统供电的功能，而没有充分发挥燃料电池潜能，即作为APU系统为飞机提供备份供电/供气的功能。
专利CN114728699A公开了一种用于混合动力式热/电推进飞行器的电气构架和包括这种构架的双发动机飞行器，该构架针对每个涡轴发动机包括：高压DC推进电力分配网络，连接到飞行器的负载的非推进电力分配网络和连接到涡轴发动机的电控系统的负载的电力分配网络，其中，这些不同网络共享多个能量供给源。同样，该专利只考虑了燃料电池为动力系统供电的功能，而没有充分发挥燃料电池潜能，即作为APU系统为飞机提供备份供电/供气的功能。
专利GB2556063A公开了一种基于固态氧化物燃料电池的飞机辅助动力装置，包括固态氧化物燃料电池、压气机和燃气涡轮以及热电发电机，可替代飞机原有的涡轮APU为飞机提供备份供电和供气。专利EP03076810公开了一种用于使用固体氧化物燃料电池提供电力的飞行器的辅助动力单元(APU)。燃料电池的固体氧化物电解质允许重整燃料提供用于氧迁移的催化剂。利用固体氧化物燃料电池的辅助动力单元为飞行器的系统提供动力，以产生用于飞行器上的水。废排气能量由动力回收涡轮机从APU捕获。降低机场坡道噪声和废气排放。专利US20220131165A1公开了一种飞行器供电系统，该方法包括由燃料电池辅助动力单元(APU)产生辅助电力并向飞机供应辅助电力，通过燃料电池发电产生一次电功率并向飞机提供一次电能，以及将氢存储在氢存储单元中并将氢供应给燃料电池APU。上述三项专利并未考虑将燃料电池APU进行功能复用，当其作为APU的功能完成后，便进入了待机模式，对于飞机整体的效率提升帮助较小。
综上所示，现有技术的燃料电池APU以及电推进系统架构均较为独立，并没有进行一个系统级的统一考虑，从而对于飞机整体性能的提升效果有限。
因此，有必要研究一种电推进系统能源架构及供能方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电推进系统能源架构及供能方法，针对飞机电源系统供电架构及运行模式进行创新，能够用于全电/混合动力推进飞机的电源系统设计，实现降低燃油消耗、降低碳排放的目的。
一方面，本发明提供一种电推进系统能源架构，所述能源架构包括燃料电池APU系统、电推进系统、原电推进供电系统、机载交流用电设备和机载电环控系统；
所述燃料电池APU系统与所述原电推进供电系统并联后与所述电推进系统连接；所述燃料电池APU系统单独或与所述原电推进供电系统一起为所述电推进系统供能；
所述燃料电池APU系统通过DC/AC变换器与所述机载交流用电设备连接，为所述机载交流用电设备提供其所需的交流电；
所述燃料电池APU系统与所述机载电环控系统连接，为所述机载电环控系统的供能，从而为飞机提供备份引气。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述燃料电池APU系统、所述电推进系统、所述原电推进供电系统和所述机载电环控系统分别通过开关件与飞机的配电系统连接；所述机载交流用电设备连接所述DC/AC变换器后通过开关件与所述配电系统连接；
所述配电系统根据当前飞机状态控制所有开关件的开合动作。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述燃料电池APU系统包括并联设置的燃料电池支路和锂电池支路；
工作时，所述燃料电池支路为电流源，提供稳态功率；所述锂电池支路为电压源，提供瞬态功率。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述燃料电池支路包括燃料电池系统、与燃料电池系统电能输出端连接的DC/DC变换器、与燃料电池系统输入端连接的空气压缩机和储能系统；
所述锂电池支路包括锂电池系统和与锂电池系统电能输出端连接的双向DC/DC变换器；
所述DC/DC变换器和所述双向DC/DC变换器的输出端连接并作为整个燃料电池APU系统的输出端，实现两支路的并联。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述原电推进供电系统为高压直流发电系统。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电推进系统包括依次连接的推进电机控制器、推进电机和动力装置；所述推进电机控制器同时与所述燃料电池APU系统和所述原电推进供电系统连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述动力装置为电涵道风扇。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机载电环控系统包括为飞机气源系统和空调系统提供空气流量的电动空气压缩机，所述电动空气压缩机与所述燃料电池APU系统连接。
另一方面，本发明提供一种如上任一所述的电推进系统能源架构的供能方法，所述方法的内容包括：
飞机地面服务阶段：燃料电池APU系统为机载交流用电设备和机载电环控系统同时提供电能；
飞机滑行阶段：所述燃料电池APU系统同时为电推进系统、所述机载电环控系统以及所述机载交流用电设备提供电能；
飞机起飞、爬升、巡航或下降着陆阶段：所述燃料电池APU系统与原电推进供电系统并联后为所述电推进系统供能；同时，所述燃料电池APU系统为所述机载交流用电设备和所述机载电环控系统提供电能；
飞机单发失效阶段：所述燃料电池APU系统为所述机载交流用电设备和所述机载电环控系统同时提供电能。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述供电系统实时从飞机的飞控系统中获取飞机状态信号，根据所述飞机状态信号控制所述燃料电池APU系统、所述原电推进供电系统、所述机载交流用电设备、所述机载电环控系统和所述电推进系统的连通状态。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的基于燃料电池APU的电推进系统供电架构通过燃料电池APU的功能复用，将其与电推进系统架构进行了统一的设计考虑，提高燃料电池的运行时长，减少化石能源消耗，从而有利于实现航空领域节能减排目标；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的技术方案能够节能减排，通过燃料电池APU系统的功能复用进一步降低了飞机对于主发电系统容量的需求，从而减少了对于飞机发动机功率的提取，进而降低了发动机的燃油消耗。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的基于燃料电池APU电推进系统供电架构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种分别基于燃料电池APU(Auxiliary power unit，辅助动力单元)电推进系统供电架构，其燃料电池APU系统产生的直流电在地面及空中单发失效的工况下，还可以通过DC-AC变换器转换为机载交流用电设备所需的交流电，作为机载电源系统的备份电源，并向电动空气压缩机供电从而向飞机提供备份引气，可以实现飞机原有涡轮APU的供电和供气功能。此外，由燃料电池APU系统通过配电系统向推进电机系统供电，推进电机将电能转化为机械能，驱动电涵道风扇等动力装置为飞机提供推力，实现了燃料电池APU系统的功能复用。原来的涡轮APU，其一般只用于对机载负载进行供电，且供电能力不足，实际上也无法实现对推进系统的动力驱动。理论上来说对燃气机APU进行改进后(加大电功率提取)也可以实现类似于本发明的电推进功能复用，但在工程上没有经济收益；而本发明基于燃料电池的APU+电推进则可以提高系统效率、减排。
本发明基于燃料电池APU的电推进系统供电架构在飞机运行全过程中的运行模式如下：
(1)地面服务阶段：燃料电池APU系统实现飞机APU系统供电/供气功能；
(2)滑入/滑出阶段：燃料电池APU系统一方面替代原有APU实现原有APU的供电/供气功能，另一方面与电推进系统连接为电推进系统供电，实现功能复用；这里的电推进系统指图1中的推进电机控制器、推进电机和动力装置；
(3)起飞、爬升、巡航及下降着陆阶段：飞机高压直流发电系统与燃料电池APU系统并联运行，为电推进系统供电，实现进一步功能复用；
(4)单发失效阶段：燃料电池APU系统实现飞机APU系统供电/供气功能。
该供电架构中的燃料电池APU系统具有两种工作模式：“电推进模式”和“APU模式”。在电推进模式中，通过飞机主发电机系统(即指图1中的高压直流发电系统)和燃料电池APU系统的组合并联后，通过配电盘箱为推进电机系统供电，由推进电机将电能转换为机械能，向电涵道风扇提供轴功率，从而为飞机在地面的滑行及在空中的飞行提供推力。在APU模式中，通过燃料电池APU系统经过配电盘箱为DC-AC逆变器供电，从而为飞机机载交流用电设备提供三相交流电能，同时向电动空气压缩机提供直流电能，从而为飞机气源系统提供主发起动和空调包所需空气流量。
在本发明的一个具体实施方式中，提供一种基于燃料电池APU的电推进系统供电架构，基于传统飞机的供电架构如图1所示。飞机的高压直流发电系统、机载交流用电设备、燃料电池APU系统、电推进系统和机载电环控系统均通过开关件连接到同一主线上，通过调整各开关件的开合状态，实现不同的工作模式和功能。机载交流用电设备与其对应开关件之间还串设有DCAC变换器。各开关件均与配电系统电连接，配电系统根据飞机的当前状态控制各开关件的开合动作。
更进一步地，基于燃料电池APU的电推进系统供电架构的功能详细描述如下：
(1)地面服务阶段
当飞机在地面状态，在主发动机起动之前，燃料电池APU系统可实现飞机APU系统的备份供电及向备份引气供电功能，即闭合图1中的卡关S2、S3和S5。此时，燃料电池APU系统内的燃料电池和锂电池并联供电，燃料电池为电流源，锂电池为电压源，燃料电池提供稳态功率，锂电池提供瞬态功率；DC-AC变换器工作在逆变模式，将直流电能变换为交流电能，提供备份供电；同时向机载电环控系统供电实现备份引气。
这个阶段中，飞控系统实时判断发动机的状态，当判断发动机状态为起动且处于滑动状态时，闭合图1中的开关件S2、S3、S4和S5，断开S1。
(2)滑出/滑入阶段
当飞机在地面滑出/滑入时，燃料电池APU系统向电推进系统提供电能驱动推进电机为动力装置提供轴功率实现电推滑行功能，并可实现飞机APU系统的备份供电及向备份引气供电功能，即闭合图1中的开关S2、S3、S4和S5。此时，燃料电池APU系统内的燃料电池和锂电池并联供电，燃料电池为电流源，锂电池为电压源，燃料电池提供稳态功率，锂电池提供瞬态功率；推进电机向动力装置提供轴功率；DC-AC变换器工作在逆变模式，将直流电能变换为交流电能，提供备份供电；配电盘箱同时向电动空气压缩机供电实现备份引气。
这个阶段中，飞控系统实时判断飞机的状态，当判断飞机处于起飞、爬升、巡航或下降着陆状态时，闭合图1中的开关件S1、S2、S3和S4，断开S5；当判断飞机处于地面服务状态时，闭合图1中的开关件S2、S3和S5，断开S1和S4；当判断飞机发生单发失效故障时，闭合图1中的开关件S2、S3和S5，断开S1和S4。
(3)起飞、爬升、巡航及下降着陆阶段
在飞机起飞、爬升、巡航及下降着陆阶段，燃料电池APU系统和飞机主发电系统(高压直流发电系统)同时向电推进系统提供电能驱动推进电机为动力装置提供轴功率，即闭合图1中的开关S1、S2、S3、S4和S5。此时，主发电系统、锂电池系统和燃料电池并联供电，发电系统和燃料电池均为电流源提供稳态功率，锂电池为电压源，提供/吸收瞬态功率；推进电机向动力装置提供轴功率。
这个阶段中，飞控系统实时判断飞机的状态，当判断飞机处于滑出/滑入状态时，闭合图1中的开关件S2、S3、S4和S5，断开S1；当判断飞机发生单发失效故障时，闭合图1中的开关件S2、S3和S5，断开S1和S4。
(4)单发失效阶段
当飞机发生单发失效故障时，燃料电池APU系统可实现飞机APU系统的备份供电及向备份引气供电功能，即闭合图1中的开关S2、S3和S5。此时，主发电系统停止运行，燃料电池和锂电池并联供电，燃料电池为电流源，锂电池为电压源，燃料电池提供稳态功率，锂电池提供瞬态功率；DC-AC变换器工作在逆变模式，将直流电能变换为交流电能，提供备份供电；配电盘箱同时向电动空气压缩机供电实现备份引气。
本发明的燃料电池APU系统可以采用常规架构的航空燃料电池来实现，其架构如图1中虚线框内所示的燃料电池APU系统，包括并列的燃料电池和锂电池两支路。燃料电池APU系统的最大输出功率不应低于184kW，锂电池容量应不低于1.76kWh，储氢系统应满足燃料电池输出电能不低于491.65kWh，对于输出电能及气能的具体指标参数应符合相关标准规范要求，且与飞机电源系统及气源系统协调一致。
本发明的基于燃料电池APU电推进系统供电架构及供能方法，可以应用在一般供电结构的飞机型号上，也可以用在目前较为新型的多电飞机的供电架构中。应用在多电飞机的供电架构中时，其运行模式与前面所述大致相同，区别在于在起飞、爬升、巡航及下降着陆阶段，这是由于两种飞机原本的电推动系统功能框架的区别所导致的，但其功能构思是相同的，都是将燃料电池APU系统和飞机原本的电推动系统一起为电推动系统供电，同时燃料电池还用于实现APU功能，实现燃料电池APU系统的功能复用。
以上对本申请实施例所提供的一种电推进系统能源架构供能方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

Claims (10)

1.一种电推进系统能源架构，其特征在于，所述能源架构包括燃料电池APU系统、电推进系统、原电推进供电系统、机载交流用电设备和机载电环控系统；
所述燃料电池APU系统与所述原电推进供电系统并联后与所述电推进系统连接；所述燃料电池APU系统单独或与所述原电推进供电系统一起为所述电推进系统供能；
所述燃料电池APU系统通过DC/AC变换器与所述机载交流用电设备连接，为所述机载交流用电设备提供其所需的交流电；
所述燃料电池APU系统与所述机载电环控系统连接，为所述机载电环控系统的供能，从而为飞机提供备份引气。
2.根据权利要求1所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述燃料电池APU系统、所述电推进系统、所述原电推进供电系统和所述机载电环控系统分别通过开关件与飞机的配电系统连接；所述机载交流用电设备连接所述DC/AC变换器后通过开关件与所述配电系统连接；
所述配电系统根据当前飞机状态控制所有开关件的开合动作。
3.根据权利要求1所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述燃料电池APU系统包括并联设置的燃料电池支路和锂电池支路；
工作时，所述燃料电池支路为电流源，提供稳态功率；所述锂电池支路为电压源，提供瞬态功率。
4.根据权利要求3所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述燃料电池支路包括燃料电池系统、与燃料电池系统电能输出端连接的DC/DC变换器、与燃料电池系统输入端连接的空气压缩机和储能系统；
所述锂电池支路包括锂电池系统和与锂电池系统电能输出端连接的双向DC/DC变换器；
所述DC/DC变换器和所述双向DC/DC变换器的输出端连接并作为整个燃料电池APU系统的输出端，实现两支路的并联。
5.根据权利要求1所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述原电推进供电系统为高压直流发电系统。
6.根据权利要求1所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述电推进系统包括推进电机控制器；所述推进电机控制器同时与所述燃料电池APU系统和所述原电推进供电系统连接。
7.根据权利要求6所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述电推进系统还包括推进电机和动力装置，所述推进电机控制器、所述推进电机和所述动力装置依次连接；所述动力装置为电涵道风扇。
8.根据权利要求1所述的电推进系统能源架构，其特征在于，所述机载电环控系统包括电动空气压缩机，所述电动空气压缩机与所述燃料电池APU系统连接。
9.一种权利要求1-8任一所述的电推进系统能源架构的供能方法，其特征在于，所述方法的内容包括：
飞机地面服务阶段：燃料电池APU系统为机载交流用电设备和机载电环控系统同时提供电能；
飞机滑行阶段：所述燃料电池APU系统同时为电推进系统、所述机载电环控系统以及所述机载交流用电设备提供电能；
飞机起飞、爬升、巡航或下降着陆阶段：所述燃料电池APU系统与原电推进供电系统并联后为所述电推进系统供能；同时，所述燃料电池APU系统为所述机载交流用电设备和所述机载电环控系统提供电能；
飞机单发失效阶段：所述燃料电池APU系统为所述机载交流用电设备和所述机载电环控系统同时提供电能。
10.根据权利要求9所述的供能方法，其特征在于，所述供电系统实时从飞机的飞控系统中获取飞机状态信号，根据所述飞机状态信号控制所述燃料电池APU系统、所述原电推进供电系统、所述机载交流用电设备、所述机载电环控系统和所述电推进系统的连通状态。
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