DE102012107414A1 - Energieverteilung in einem Flugzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Energieverteilungssystem (100) für ein Flugzeug. Das Energieverteilungssystem (100) weist einen ersten Kabelbaum (150), der mit einer Energiequelle (120) verbunden ist, mindestens einen integrierten schaltenden Energiewandler (180, 280, 380), der bzw. die über den ersten Draht-Kabelbaum (150) mit der Energiequelle (120) verbunden ist, und mindestens einen elektrischen Verbraucher (170) auf, der über einen zweiten Drahtkabelbaum (160) mit einem entsprechenden Ausgang (362) eines entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandlers (180, 280, 380) verbunden ist. Unter Verwendung eines oder mehrerer integrierter schaltender Energiewandler (180, 280, 380) gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein niedrigeres Gesamtgewicht für die Verdrahtung, die nötig ist, um Energie im Flugzeug zu verteilen, bereitgestellt werden.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Verteilung von Energie in einem Flugzeug. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Vorrichtungen, die eine bessere Verteilung von elektrischer Energie in einem Flugzeug ermöglichen.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Herkömmliche Systeme zur Verteilung von elektrischer Energie für ein Flugzeug [1–5] können eine Transformator-Gleichrichtereinheit (TRU) vorsehen, die eine relativ hohe Eingangs-Wechselspannung, die von einem Onboard-Generator des Flugzeugs, beispielsweise einer Hilfsaggregatseinheit (APU), abgeleitet wird, in eine Ausgangs-Gleichspannung umwandelt. Solch eine TRU kann sich nahe an der APU befinden, wobei dann ein Niederspannungs-/Hochstrom-Bus verwendet wird, um Energie auf verschiedene Verbraucher am Flugzeugrumpf zu verteilen. Außerdem können verschiedene herkömmliche Kabelbaum-Schutzvorrichtungen [6–10], beispielsweise einer oder mehrere Festkörper-Energie- bzw. Leistungsregler (SSPCs) vorgesehen sein, um die Energie, die zu verschiedenen Verbrauchern geliefert wird, durch Vermeiden von Überspannungsbedingungen, Bereitstellung eines Schutzes vor Lichtbogenentladungen und Blitzschlag, usw. zu regeln.
  • Beispielsweise kann eine dreiphasige Eingangsspannung von 230-Volt durch eine TRU in eine Ausgangsgleichspannung von 28 Volt zur Verteilung unter Verwendung einer Niederspannungsverkabelung umgewandelt werden, um die 28 Volt Gleichspannung im Flugzeug zu verteilen. Diese Niederspannungsverkabelung muss jedoch in der Lage sein, einen starken bzw. hohen Strom (z. B. 700 Ampere) zu leiten, ohne zu überhitzen. Das bedeutet, dass die nötige Verkabelung notwendigerweise einen großen Leiterkern hat und somit schwer ist. Da die TRU allgemein nahe am Generator angeordnet ist, kann es daher sein, dass viele Kilometer Kabel nötig sind, um die Niederspannungsenergie im gesamten Flugzeug zu verteilen. Dies bedeutet somit notwendigerweise, dass der Kabelbaum des Flugzeugs schwer ist.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde somit im Hinblick auf die oben genannten, mit bekannten Flugzeug-Energieverteilungssystemen verbundenen Nachteile erdacht. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit ein Energieverteilungssystem für ein Flugzeug geschaffen. Das Energieverteilungssystem umfasst einen ersten Kabelbaum, der mit einer Energiequelle verbunden ist. Mindestens ein integrierter schaltender Energiewandler bzw. Schaltwandler ist über den ersten Kabelbaum mit der Energiequelle verbunden. Außerdem ist mindestens ein elektrischer Verbraucher über einen zweiten Kabelbaum mit einem entsprechenden Ausgang eines entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandlers verbunden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein integrierter schaltender Energiewandler (integrated switching power converter, ISPC) zur Verwendung in einem Flugzeug geschaffen. Der integrierte schaltende Energiewandler umfasst eine Spannungswandlungsschaltung zum Umwandeln einer Eingangsspannung einer ersten Höhe in eine Ausgangsspannung einer zweiten Höhe und Ausgangsanschlüsse zum Anschließen der Ausgangsspannung an einen oder mehrere Verbraucher. Ebenfalls im ISPC enthalten ist eine Festkörper-Leistungsreglerschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms, die bzw. der von den Ausgangsanschlüssen zu dem einen oder den mehreren Verbrauchern geliefert wird.
  • Durch Bereitstellung eines integrierten schaltenden Energiewandlers und einer neuen Architektur, die diese neuartige Vorrichtung nutzen kann, können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geschaffen werden, in denen leichtere Kabelbäume für ein Flugzeug verwendet werden können.
  • Darüber hinaus kann auch eine vereinfachte Verteilungsarchitektur geschaffen werden, wodurch der Zeit- und Kostenaufwand für sowohl Installations- als auch Reparaturarbeiten sinkt, die bei der Bereitstellung oder Wartung eines Systems für die Zufuhr elektrischer Energie in einem Flugzeug notwendig sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nun werden verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 ein herkömmliches Energieverteilungssystems für ein Flugzeug darstellt;
  • 2 ein Energieverteilungssystem für ein Flugzeug gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 einen integrierten schaltenden Energiewandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 eine I2t Verteilungs-Schutzkurve für den integrierten schaltenden Energiewandler von 3 darstellt;
  • 5 einen integrierten schaltenden Energiewandler gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 6 einen Gleichstrom-Gleichstrom- bzw. DC/DC-Wandler zur Verwendung in dem integrierten schaltenden Energiewandler von 5 darstellt.
  • Ausführliche Beschreibung
  • 1 zeigt ein herkömmliches Energieverteilungssystems 10 für ein Flugzeug. Das Energieverteilungssystem 10 weist einen Dreiphasen-Hochspannungs-(z. B. 230 V Wechselstrom-)Generator 20 auf. Der Generator 20 ist über einen ersten Energiebus 50 mit einer Transformator-Gleichrichtereinheit (TRU) 30 verbunden, die in seiner Nähe angeordnet ist. Der Energiebus 50 weist eine Länge LPSU auf und umfasst drei separate Leiterdrähte, die gebündelt sind.
  • Die TRU 30 kann so gestaltet sein, dass sie verschiedene Ausgangsspannungen zur Verteilung in einem Flugzeug aufweist. Beispielsweise kann von Verbrauchern 70 eine Kabinenleistung von 28 V Gleichspannung benötigt werden. Somit wird ein zweiter Energiebus 60 verwendet, um die Kabinenleistung von der TRU 30 über einen Festkörper-Leistungsregler 40, der den Drähten und den Verbrauchern Schutz bietet, auf die Verbraucher 70 zu verteilen. In dem dargestellten Beispiel regelt die SSPC 40 die Energie, die an zwei Verbraucher ausgegeben wird, obwohl der Fachmann weiß, dass auch mehr oder weniger von diesen Verbrauchern von einer einzigen SSPC gesteuert werden können, und dass eine oder mehrere dieser SSPCs mit dem zweiten Energiebus 60 verbunden sein können, falls nötig. Es können auch noch weitere (nicht dargestellte) Energiebusse vorgesehen sein, um Energie anderer Spannungen im Flugzeug zu verteilen.
  • Die Verbraucher 70, die z. B. in der Kabine vorgesehen sind, können in einiger Entfernung von der TRU 30 verteilt sein, die beispielsweise zusammen mit dem Generator 20 in der Nähe eines der Flugzeugmotoren angeordnet sein kann. Somit kann die Länge der Verkabelung LOUT, die im zweiten Energiebus 60 vorgesehen ist, beträchtlich sein, so dass beispielsweise LOUT >> LPSU.
  • Aufgrund der Tatsache, dass der zweite Energiebus 60 bei einer relativ niedrigen Zufuhrspannung (beispielsweise 28 V) arbeitet, müssen jedoch die darin enthaltenen Drähte so beschaffen sein, dass sie relativ hohe Ströme leiten können (z. B. 700 A für eine 19,6 kW Quelle).
  • Dies impliziert somit, dass lange Kabel mit großem Kerndurchmesser für den zweiten Energiebus 60 erforderlich sind, was wiederum bedeutet, dass der zweite Energiebus 60 notwendigerweise von Natur aus schwer ist. Das Gewicht von Armierungen, die vorgesehen sein können, um den zweiten Energiebus 60 zu schützen, nimmt mit wachsendem Durchmesser des Busses ebenfalls zu und trägt somit noch mehr Gewicht zu den Kabelbäumen bei, die den zweiten Energiebus 60 bilden.
  • 2 zeigt ein Energieverteilungssystem 100 für ein Flugzeug gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Energieverteilungssystem 100 weist einen ersten Kabelbaum 150 auf, der mit einer Energiequelle 120 verbunden ist. Der erste Kabelbaum 150 kann beispielsweise verwendet werden, um eine Energie hoher Wechsel- oder Gleichspannung aus der Energiequelle 120 zu verteilen. In einer Ausführungsform weist der Kabelbaum 150 ein Paar dünner Drähte zur Verteilung von hoch gespannter (high tension HT) Wechsel- oder Gleichspannungsenergie auf, z. B. von 270 V Gleichspannung. Die Verwendung solcher Drähte schafft nicht nur ein relativ leichtes Kabel, sondern sorgt auch für einen Spannungsschutz in einem gemeinsamen Modus für alle daran angeschlossenen Vorrichtungen. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der erste Kabelbaum 150 über im Wesentlichen die gesamte Flugzeugzelle verteilt ist, da dann ein guter Schutz vor elektromagnetischer Interferenz (EMI), die durch Gewitter, Blitzschläge usw. bewirkt wird, für Vorrichtungen im Flugzeug bereitgestellt wird.
  • In alternativen Ausführungsformen können drei oder vier relativ dünne Drähte verwendet werden, um HT-Wechselspannungsenergie von der Energiequelle 120 zu verteilen. Die HT-Verkabelung ist relativ leicht, da die Kerndurchmesser der darin enthaltenen Leiter klein sind. Beispielsweise kann der erste Kabelbaum 150 eine HT-Verkabelung aufweisen, die für einen Gleich- oder Wechselspannungsbetrieb bei: > 100 V, > 200 V, > 250 V, etwa 230 V, 270 V, –270 V, ±270 V, 540 V, usw. ausgelegt ist. Die Verwendung von dünnen Drähten spart nicht nur Gewicht, sondern macht die nötige Verkabelung auch relativ flexibel und erleichtert somit ihre Führung um eine Flugzeugzelle.
  • Das Energieverteilungssystem 100 weist auch mindestens einen integrierten schaltenden Energiewandler 180 auf, der über den ersten Kabelbaum 150 mit der Energiequelle 120 verbunden ist. Schaltende Wandler sind bevorzugt, da sie im Vergleich zu linearen Reglern für einen höheren Wirkungsgrad sorgen. Beispielsweise können integrierte schaltende Energiewandler der nachstehend mit Bezug auf 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Solche integrierten schaltenden Energiewandler 180 können an einem Flugzeugrumpf in der Nähe des entsprechenden Verbrauchers bzw. der entsprechenden Verbraucher 170, den bzw. die sie ansteuern sollen, verteilt sein. Somit kann ein relativ kurzer, zweiter Kabelbaum 160, der höhere Ströme bewältigen kann, verwendet werden, um den bzw. die elektrischen Verbraucher 170 mit einem entsprechenden Ausgang eines zugehörigen integrierten schaltenden Energiewandlers 180 zu verbinden. Auf diese Weise kann/können der elektrische Verbraucher/die elektrischen Verbraucher 170 proximal zu dem integrierten schaltenden Energiewandler/den integrierten schaltenden Energiewandlern 180, von dem/von denen er angesteuert und geschützt wird/sie angesteuert und geschützt werden, angeordnet sein.
  • In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen ist die durchschnittliche Länge LOUT_AV von Anschlussdrähten des zweiten Kabelbaums 160, der die integrierten schaltenden Energiewandler 180 mit entsprechenden elektrischen Verbrauchern 170 verbindet, kürzer als die durchschnittliche Länge LPSU_AV der Drähte, welche die Energiequelle 120 mit dem bzw. den integrierten schaltenden Energiewandler(n) 180 verbinden, so dass LPSU_AV > LOUT_AV. In verschiedenen Ausführungsformen kann der/können die Verbraucher in der Nähe eines entsprechenden integrierten Energiewandlers angeordnet sein, so dass: LOUT_AV << LPSU_AV, LOUT_AV < LPSU_AV/2, LOUT_AV < LPSU_AV/5, LOUT_AV < LPSU_AV/10, oder LOUT_AV < LPSU_AV/100, wobei das jeweilige Gesamtgewicht des Kabelbaums umso geringer ist, je kürzer der zweite Kabelbaum 160 im Vergleich zum ersten Kabelbaum 150 ist.
  • In den ersten und/oder zweiten Kabelbäumen 150, 160 können verschiedene Leiteranordnungen vorgesehen sein. Beispielsweise können Drähte oder deren elektrische Äquivalente von einem Bus usw. bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine massive Busschiene, die pulverbeschichtet ist, vorgesehen sein. Einlitzige, mehrlitzige elektrische Leiter aus Kupfer, Aluminium usw. können ebenfalls verwendet werden, um die nötigen Leitungsstrukturen für die Energiekopplung bereitzustellen, was für einen Fachmann naheliegend ist.
  • Während der erste Kabelbaum dafür ausgelegt sein kann, elektrische HT-Energie über einem Flugzeugrumpf zu verteilen, kann der zweite Kabelbaum 160 eine Gleichspannungsverkabelung beinhalten. Eine solche Gleichspannungsverkabelung kann für einen Niederspannungsbetrieb (z. B. bei < 30 V) ausgelegt sein und kann daher im Vergleich zur HT-Verkabelung pro Längeneinheit relativ schwer sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gleichstromverkabelung so ausgelegt sein, dass sie eine elektrische Nennleistung von > 5 kW, > 10 kW, etwa 20 kW oder > 20 kW bereitstellt. Beispielsweise kann eine Energie bzw. Leistung von 19,6 kW bei 28 V zur Verwendung in der Flugzeugkabine geliefert werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der integrierte schaltende Energiewandler bzw. beinhalten die integrierten schaltenden Energiewandler mindestens einen DC-DC-Energiewandler. Der integrierte schaltende Energiewandler bzw. die integrierten schaltenden Energiewandler kann/können auch zusammen konfiguriert sein, um ein verteiltes funktionales Äquivalent einer Transformer-Gleichrichtereinheit (TRU) bereitzustellen. Dieser integrierte schaltende Energiewandler bzw. diese integrierten schaltenden Energiewandler kann/können auf flexible Weise für bestimmte Zwecke maßgeschneidert werden, und zwar so, dass neue Verbraucher bereits bestehenden Systemen hinzugefügt werden können, ohne den gesamten primären Energieverteilungs-Kabelbaum neu verdrahten oder ersetzen zu müssen, sollte es beispielsweise gewünscht oder nötig sein, einen oder mehrere Verbraucher hinzuzufügen, die eine Energieversorgungsspannung benötigen, die zuvor in dem Flugzeug nicht zur Verfügung gestanden hat.
  • Bestimmte Energieverteilungssysteme, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, sind somit wesentlich einfacher neu zu konfigurieren, zu modifizieren oder anzupassen als herkömmliche Flugzeug-Energieverteilungssysteme.
  • 3 zeigt einen integrierten schaltenden Energiewandler 280 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der integrierte schaltende Energiewandler 280 weist eine Kombination aus Energiewandlungsstufe und SSPC-Stufe auf. Die SSPC-Stufe kann verwendet werden, um ohne Erprobung von Vorschriften eine Kabelschutzfunktion bereitzustellen.
  • Der integrierte schaltende Energiewandler 280 weist eine Energieeingabeleitung 250 auf, die mit einem Transformator 251 verbunden ist. Energie, die in die Energieeingabeleitung 250 gespeist wird, wird durch eine Spannungswandlungsschaltung in Gleichspannungsenergie umgewandelt, um einen Verbraucher 270 anzusteuern. Eine Primärspule 252 des Transformators 251 ist mit einer Festkörper-Leistungsreglerschaltung verbunden, die für eine Energieregelung und für einen Schutz des integrierten schaltenden Energiewandlers 280 sorgt.
  • Die Energieeingabeleitung 250 ist mit einer Seite der Primärspule 252 verbunden. Die andere Seite der Primärspule 252 ist mit dem Drain eines Energie-MOSFET 256 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFET 256 ist über einen Strommesswiderstand 262 mit Masse verbunden. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode 258 ist über den Source- und Drain-Verbindern des MOSFET 256 vorgesehen, um einen gegeninduzierten EMF-Schaden am MOSFET 256 zu verhindern. Der Substratanschluss des MOSFET 256 ist mit dem Source-Potential verbunden, während der Gate-Anschluss über einen Widerstand 268 mit einem Umwandlungs-Controller 272 verbunden ist.
  • Eingänge zu einem Operationsverstärker 264 sind über den Strommesswiderstand 262 angeschlossen. Der Operationsverstärker 264 ist so konfiguriert, dass er eine vorgegebene, feste Verstärkung liefert. Der Ausgang des Operationsverstärkers 264 liefert dann ein Strommesssignal, das in den Umwandlungs-Controller 272 eingegeben wird. Der Umwandlungs-Controller 272 ist mit einer SSPC 274 verkoppelt. Die SSPC 274 wird von einer Gleichspannungsquelle 282 mit Energie versorgt und steuert den Umwandlungs-Controller 272 so, dass der Umwandlungs-Controller 272 dann den Strom in der Primärspule 252 durch Modifizieren der Spannung, die über den Widerstand 268 an das Gate des Energie-MOSFET 256 angelegt wird, steuert. Vorteilhafterweise verhindert jedes Versagen des MOSFET 256 im offenen oder geschlossenen Zustand, dass der Verbraucher 270 mit Energie versorgt wird. Die Strommessung für den SSPC 274 wird an einem Ausgang 294 einer Strommessschaltung 292 vorgenommen, die verwendet wird, um den Eingangsstrom zum Verbraucher 270 zu messen. Der Ausgangsstrom wird somit von der SSPC 274 gemessen, und dadurch kann eine Entscheidung getroffen werden, um den Schaltwandler zu deaktivieren. Die Strommessschaltung 292 kann beispielsweise von einer ähnlichen Strommesswiderstands-/op-amp-Anordnung bereitgestellt werden, wie sie verwendet wird, um das Strommesssignal für den Umwandlungs-Controller 272 auszugeben. Dieses Design kann somit in verschiedenen Erscheinungen verwendet werden, um ein inhärent ausfallsicheres Energieverteilungssystem bereitzustellen.
  • Ein erstes Ende einer Sekundärspule 254 des Transformators 251 ist in Reihe mit einer ersten Gleichrichterdiode 284 und einer Drossel 288 mit dem Verbraucher verbunden. Das erste Ende der Sekundärspule 254 ist mit der Anode der ersten Gleichrichterdiode 284 verbunden. Ein zweites Ende der Sekundärspule 254 ist mit dem Verbraucher und mit der Anode einer zweiten Gleichrichterdiode 286 verbunden. Die Kathoden der ersten und zweiten Gleichrichterdioden 284, 286 sind miteinander und mit einem Ende der Drossel 288 verbunden. Das andere Ende der Drossel 288 ist über eine Strommessschaltung 292 mit dem Verbraucher 270 verbunden. Ausgangsanschlüsse 260 verbinden die Anschlüsse eines Glättungskondensators 290 parallel über dem Verbraucher 270 und der Strommessschaltung 292. Die Leitung des Glättungskondensators 290, die nicht elektrisch mit der Drossel 288 verbunden ist, ist sowohl mit dem Verbraucher 270 als auch mit der Anode der zweiten Gleichrichterdiode 286 verbunden.
  • Im Betrieb bewirken die ersten und zweiten Gleichrichterdioden 284, 286, die Drossel 288 und der Glättungskondensator 290, dass Gleichspannungsenergie, die von der Sekundärspule 254 bereitgestellt wird, gleichgerichtet und geglättet wird. Somit wird dem Verbraucher 270 Gleichspannungsenergie von den Ausgangsanschlüssen 260 geliefert.
  • 4 zeigt eine I2t Verteilungs-Schutzkurve 210 für den integrierten schaltenden Energiewandler 280 von 3. Die I2t-Verteilungs-Schutzkurve 210 zeigt, wie der Strom, der von den Ausgangsanschlüssen 260 an den Verbraucher 270 ausgegeben wird, vorübergehend begrenzt wird, um den Verbraucher 270 und den Kabelbaum, der den integrierten schaltenden Energiewandler 280 damit verbindet, zu schützen.
  • Es ist ein Kurzzeit-Bereich 216 dargestellt, in dem Strom auf einen maximalen Pegel 212 (z. B. 600% eines maximalen konstanten Nennstroms) begrenzt wird. Der Kurzzeit-Bereich 216 wird vom Umwandlungs-Controller 272 von Zyklus zu Zyklus bestimmt. Dies wird wiederum von der SSPC 274 überwacht, die auch einen I2t-Funktionsbereich 214 steuert. An die SSPC 274 wird das gleiche Strommesssignal ausgegeben wie an den Wandlungs-Controller 272, aber sie ist insgesamt berechtigt, die Energiewandlungsstufe zu hemmen. Diese Kombination kann somit insgesamt eine integrierte Energiewandlungsfunktion bereitstellen, die den Schutz von Verbrauchern und eine verteilte Schaltsteuerung beinhaltet.
  • 5 zeigt einen integrierten schaltenden Energiewandler 380 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der integrierte schaltende Energiewandler 380 weist einen Satz aus drei Eingangsenergieleitungen 350 auf. Die Eingangsenergieleitungen 350 liefern eine Dreiphasenenergie zu einem Energiekorrektor 382. Die Verkabelung, die mit den Eingangsenergieleitungen 350 verbunden ist, kann mit einer Hochspannungs-Niederstromverdrahtung eines ersten Kabelbaums (nicht dargestellt) verbunden sein und liefert Eingangsenergie zum integrierten schaltenden Energiewandler 380. Der Energiekorrektor 382 sorgt für eine Energiefaktorkorrektur, die das elektrische System für jede vorgelagerte Quelle wie einen Widerstand erscheinen lässt. Eine solche Energiekorrektur ist für die meisten Luft-/Raumfahrtanwendungen häufig vorgeschrieben, und kann einen Ausgang bereitstellen, der einen Verbindungsbus für hohe Gleichspannung verwendet, der bei einem höheren Potential arbeitet als vom Eingang erzeugt werden kann.
  • Der Energiekorrektor 382 erzeugt ein Ausgangs-Gleichspannungspotential zwischen einer ersten Gleichspannungs-Energieleitung 383 und einer zweiten Gleichspannungs-Energieleitung 385. Drei DC-DC-Wandler 384 sind parallel zueinander vorgesehen. Ein Glättungskondensator 351 ist auch zwischen die ersten und zweiten Gleichspannungs-Energieleitungen 383, 385 geschaltet. Somit ist für jeden DC-DC-Wandler 384 ein Gleichspannungseingang vorgesehen.
  • Die DC-DC-Wandler 384 werden von einer Steuereinheit 360 über erste und zweite Steuerleitungen 357, 359 gesteuert. Jeder von den entsprechenden DC-DC-Wandlern 384 ist auch mit einem Paar Ausgangsanschlüssen 362 versehen, um einen zweiten (nicht dargestellten) Kabelbaum anzuschließen. Ein Vorteil der Verwendung von DC-DC-Wandlern 384 ist die Bereitstellung einer Redundanz mit lokal begrenztem Kurzschlussschutz. Die Verwendung einer DC-DC-Umwandlung liefert den zusätzlichen Vorteil, dass der integrierte schaltende Energiewandler 380 im Falle eines Versagens der Steuereinheit 360 zu arbeiten aufhört, da keine Energie von der Quelle über den Transformator 386 zu den Verbrauchern geliefert wird, wodurch ein inhärenter Ausfallschutzmodus für dieses Design bereitgestellt wird.
  • Im Betrieb liefert die Steuereinheit 360 Schaltsteuersignale an die entsprechenden DC-DC-Wandler 384, um die Ausgangsspannung zu regeln und den Strom zu beschränken, der von den Ausgangsanschlüssen 362 bereitgestellt wird. Die Schaltsteuersignale können beispielsweise für eine Impulsbreitenmodulations-(PWM-)Steuerung der DC-DC-Wandler 384 sorgen. Wie in der Technik bekannt ist, kann PWM verwendet werden, um zwei Steuerzustände für die Schaltvorrichtung bereitzustellen, d. h. einen Spannungsabfall ohne/mit niedrigem Strom oder einen Strom ohne/mit tief gefallener Spannung. Somit kommt es im Vergleich mit beispielsweise einem linearen Ansteuerungsschema, in dem resistive Verluste im MOSFET selbst hoch sein würden, zu einem geringeren Energieverlust. Es kann auch ein Schalten mit festem oder variablem Tastzyklus verwendet werden.
  • Die Steuereinheit 360 weist vorzugsweise auch eine (nicht dargestellte) Mikroprozessoreinheit auf. Die Mikroprozessoreinheit kann verwendet werden, um dem integrierten schaltenden Energiewandler 380 eine algorithmische Verarbeitung hinzuzufügen, so dass eine SSPC-Funktion bereitgestellt wird. Durch Integrieren eines schaltenden Wandlers mit einer SSPC-Funktion können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf herkömmliche SSPC-MOSFETs mit hoher Ausgangsenergie verzichten, die normalerweise für einen Hochstromausgabe nötig sind, und stattdessen eine lokale SSPC-Funktion bereitstellen, die einen Schalter mit geringerer Leistung, z. B. einen MOSFET, deaktivieren kann, der verwendet wird, um im Wandler eine Schaltfunktion bereitzustellen. Optional können auch verschiedene (nicht dargestellte) Stromsensoren im integrierten schaltenden Energiewandler 380 vorgesehen sein, die dann von der Steuereinheit 360 überwacht werden können.
  • 6 zeigt einen DC/DC-Wandler 384 zur Verwendung in dem integrierten schaltenden Energiewandler 380 von 5. Die erste DC-Energieleitung 383 ist mit einer Drain-Verbindung eines ersten FET-Schalters 381 verbunden. Eine Gate-Verbindung des ersten FET-Schalters 381 ist mit der ersten Steuerleitung 357 verbunden. Die zweite Gleichspannungsenergieleitung 385 ist mit einer Source-Verbindung eines zweiten FET-Schalters 387 verbunden. Eine Gate-Verbindung des zweiten FET-Schalters 387 ist mit der zweiten Steuerleitung 359 verbunden. Einer oder mehrere von den ersten und zweiten FET-Schaltern 381, 387 kann/können unter Verwendung von Siliciumcarbid(SiC)-Feldeffekttransistoren bereitgestellt sein. Diese SiC-FETs sind besonders nützlich, wenn HT-Quellen vorgesehen sind.
  • Ein Transformator 386 ist ebenfalls im DC-DC-Wandler 384 vorgesehen. Die Primärspule 388 des Transformators 386 verbindet die Source des FET-Schalters 381 mit dem Drain des zweiten FET-Schalters 387. Die FET-Schalter 381, 387 sind durch eine erste Diode 364 und eine zweite Diode 366 gegen Gegen-EMF geschützt. Die Anode der ersten Diode 364 ist mit der zweiten DC-Energieleitung 385 verbunden, und die Kathode der ersten Diode 364 ist mit der Source des ersten FET-Schalters 381 verbunden. Die Kathode der zweiten Diode 366 ist mit der ersten DC-Energieleitung 383 verbunden, und die Anode der zweiten Diode 366 ist mit dem Drain des zweiten FET-Schalters 387 verbunden.
  • Die Sekundärspule 390 des Transformators 386 weist einen zentralen Abgriff auf. Der zentrale Abgriff stellt einen ersten Ausgangsanschluss 362 bereit. Ein zweiter Ausgangsanschluss 362 ist mit der Kathode einer ersten Gleichrichterdiode 369 verbunden. Die Anode der ersten Gleichrichterdiode 369 ist mit einem Ende der Sekundärspule 390 verbunden. Das zweite Ende der Sekundärspule 390 ist mit der Anode einer zweiten Gleichrichterdiode 368 verbunden. Die Kathode der zweiten Gleichrichterdiode 368 ist außerdem mit dem zweiten Ausgangsanschluss 362 verbunden. Zur Verringerung von Welligkeiten ist außerdem ein Kondensator 371 zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen 362 vorgesehen.
  • Jegliche Störung bzw. jegliches Versagen eines oder mehrerer von den FET-Schaltern 381, 387 (entweder im offenen oder im Kurzschlussmodus) verhindert die Übertragung von Energie über den Transformator 386, wodurch für einen weiteren inhärenten Schutz des integrierten schaltenden Energiewandlers 380 gegenüber einem solchen Versagen einer Komponente gesorgt wird.
  • Obwohl hierin verschieden Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, werden einem Fachmann bestimmte Varianten dazu einfallen. Beispielsweise wird ein Fachmann erkennen, dass die Verwendung verschiedener integrierter schaltender Energiewandler den Betrieb eines ersten Kabelbaums unter Verwendung nur einer einzigen Zufuhrspannung ermöglichen kann, wodurch mehrfach vorhandene Spannungsbusse, die in herkömmlichen Flugzeug-Energieverteilungssystemen zu finden sind, ersetzt werden können. Beispielsweise kann ein erster Kabelbaum eine 230 V Wechselstrom- oder +/–270 V Gleichstromquelle mit lokaler Energiewandlung nutzen, die dann von verschiedenen integrierten schaltenden Energiewandlern verwendet wird, um die spezifischen Spannungen zu erzeugen, die für die jeweiligen Verbraucher lokal benötigt werden. Solche Konfigurationen können somit verwendet werden, um die Komplexität von Verdrahtungen, das Volumen der verwendeten Komponenten und das Gesamtgewicht verschiedener Flugzeug-Energieverteilungssysteme zu verringern. Beispielsweise wird angenommen, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine 30%-ige Gewichtsverringerung des Kabelbaum-Gesamtgewichts leisten können.
  • Außerdem weiß der Fachmann, dass verschiedene Niederspannungs-Energiebusanordnungen einen einzigen Energiebus mit einer Rückführungs- oder Masseleitung, die von verschiedenen leitenden Komponenten eines Flugzeugrumpfs verwendet wird, bereitstellen können. Verschiedene integrierte schaltende Energiewandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch als einzelne gepackte Komponenten bereitgestellt werden, beispielsweise wenn ihre Schaltung als einzelne integrierte Schaltung (IC) auf einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer ausgebildet ist.
  • Der Fachmann weiß außerdem, dass integrierte schaltende Energiewandler bereitgestellt werden können, um einem herkömmlichen Energiezufuhrsystem verbesserte bzw. erweiterte Funktionen hinzuzufügen. Solche integrierten schaltenden Energiewandler können, einzeln oder in Kombination, unbegrenzt verwendet werden, um einen oder mehrere Verbraucher mit Energie von einer oder mehreren Spannungen zu versorgen.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Energieverteilungssystem 100 für ein Flugzeug. Das Energieverteilungssystem 100 weist einen ersten Kabelbaum 150, der mit einer Energiequelle 120 verbunden ist, mindestens einen integrierten schaltenden Energiewandler 180, 280, 380, der über den ersten Kabelbaum 150 mit der Energiequelle 170 verbunden ist, und mindestens einen elektrischen Verbraucher 170 auf, der über einen zweiten Kabelbaum 160 mit einem entsprechenden Ausgang 362 eines entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandlers 180, 280, 380 verbunden ist. Unter Verwendung eines oder mehrerer integrierter schaltender Energiewandler 180, 280, 380 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein niedrigeres Gesamtgewicht für die Verdrahtung, die nötig ist, um Energie im Flugzeug zu verteilen, bereitgestellt werden.
  • Entgegenhaltungen:
  • Wo zulässig, ist der Inhalt der oben angegebenen Entgegenhaltungen in ihrer Gesamtheit ebenfalls in diese Anmeldung aufgenommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (24)

  1. Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wobei das Energieverteilungssystem aufweist: einen ersten Kabelbaum, der mit einer Energiequelle verbunden ist; mindestens einen integrierten schaltenden Energiewandler, der über den ersten Kabelbaum mit der Energiequelle verbunden ist; und mindestens einen elektrischen Verbraucher, der über einen zweiten Kabelbaum mit einem entsprechenden Ausgang eines entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandlers verbunden ist.
  2. Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei ein entsprechender elektrischer Verbraucher nahe am entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandler, der den elektrischen Verbraucher mit Energie versorgt, angeordnet ist.
  3. Leitungsverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Länge (LOUT) von Ausgangsanschlussdrähten des zweiten Kabelbaums, der einen integrierten schaltenden Energiewandler mit seinem entsprechenden elektrischen Verbraucher verbindet, kürzer ist als die Länge (LPSU) der Verbindungsdrähte, die die Energiequelle mit dem entsprechenden integrierten schaltenden Energiewandler verbinden.
  4. Energieverteilungssystem nach Anspruch 3, wobei LPSU > LOUT so dass: LOUT < LPSU/2, LOUT < LPSU/5, LOUT < LPSU/10 oder LOUT < LPSU/100.
  5. Energieverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Kabelbaum eine Verkabelung für Gleichspannung beinhaltet.
  6. Energieverteilungssystem nach Anspruch 5, wobei die Verkabelung für Gleichspannung für einen Niedervoltbetrieb und eine Energie von > 5 kW, > 10 kW, etwa 20 kW oder > 20 kW ausgelegt ist.
  7. Energieverteilungssystem nach Anspruch 6, wobei die Niederspannung niedriger ist als 30 V.
  8. Energieverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Kabelbaum eine HT-Verkabelung beinhaltet, die für Gleichstrom- oder Wechselstrombetrieb bei: > 100 V, > 200 V, > 250 V, etwa 230 V, 270 V oder 540 V ausgelegt ist.
  9. Energieverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Kabelbaum ein Hoch-Gleichspannungskabel mit doppelten Leitern umfasst.
  10. Energieverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine integrierte schaltende Energiewandler mindestens einen DC-DC-Energiewandler aufweist.
  11. Energieverteilungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, eine Mehrzahl von integrierten schaltenden Energiewandlern aufweisend, die zusammen konfiguriert sind, um ein verteiltes funktionales Äquivalent für eine Transformator-Gleichrichtereinheit (TRU) bereitzustellen.
  12. Integrierter schaltender Energiewandler zur Verwendung in einem Flugzeug, wobei der integrierte schaltende Energiewandler aufweist: eine Spannungswandlungsschaltung zum Umwandeln einer Eingangsspannung erster Höhe in eine Ausgangsspannung zweiter Höhe; Ausgangsanschlüsse zum Verbinden der Ausgangsspannung mit einem oder mehreren Verbrauchern; und eine Festkörper-Leistungsreglerschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms, die bzw. der von den Ausgangsanschlüssen zu dem einen oder den mehreren Verbrauchern geliefert wird.
  13. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 12, der in einer Einkomponentenpackung bereitgestellt wird.
  14. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei die Spannungswandlungsschaltung und die Festkörper-Leistungsreglerschaltung zusammen als eine integrierte Schaltung ausgebildet sind.
  15. Integrierter schaltender Energiewandler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Spannungswandlungsschaltung und die Festkörper-Leistungsreglerschaltung einen oder mehrere Siliciumcarbid(SiC)-Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen.
  16. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Festkörper-Leistungsreglerschaltung dazu dient, einen I2t-Schutz für die Ausgangsanschlüsse bereitzustellen.
  17. Integrierter schaltender Energiewandler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Spannungswandlungsschaltung einen oder mehrere schaltende Wandler aufweist.
  18. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 17, wobei der eine oder die mehreren schaltenden Wandler mindestens einen DC-DC-Wandler beinhalten.
  19. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei die Festkörper-Leistungsreglerschaltung eine Steuereinheit aufweist, die dazu dient, den einen oder die mehreren schaltenden Wandler, die von der Spannungswandlungsschaltung bereitgestellt werden, zu steuern.
  20. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 19, wobei die Steuereinheit ferner dazu dient, den Strom, der durch die Ausgangsanschlüsse ausgegeben wird, zu messen.
  21. Integrierter schaltender Energiewandler nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei die Steuereinheit dazu dient, eine algorithmische Verarbeitung im integrierten schaltenden Energiewandler zu implementieren, um eine Festkörper-Energiewandler(SSPC)-Funktion bereitzustellen.
  22. Integrierter schaltender Energiewandler nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Steuereinheit dazu dient, ein Impulsbreitenmodulations-(PWM-)Schema zu implementieren, um einen variablen Schaltungstastzyklus bereitzustellen, um den Ausgang des einen oder der mehreren Schaltwandler zu steuern.
  23. Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wie hierin oben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  24. Integrierter schaltender Energiewandler zur Verwendung in einem Flugzeug, im Wesentlichen wie hierin oben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben
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