JP2016539051A

JP2016539051A - 航空機の動力系統に対する電力供給の制御方法

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Publication number: JP2016539051A
Application number: JP2016540868A
Authority: JP
Inventors: ラドゥン，アーサー・フォアベルク; エップス，フィリップ・ヘンリー・リチャード
Original assignee: ジーイー・アビエイション・システムズ・エルエルシー
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CA2922651A1; JP2016535579A; US20160214737A1; CN105518972B; CN105794081B; CA2922534A1; CN105518972A; WO2015034547A1; WO2015034532A1; JP6353055B2; US10128662B2; CN105794081A; EP3044846A1; US10199834B2; EP3044847A1; EP3044846B1; US20160204615A1

Abstract

複数の電力消費部品を備える航空機の動力系統に対する電力供給を制御する方法であって、ある出力を有する発電機を備えた動力系統に電力を供給することと、動力系統の電力要求を判定することと、電力消費部品に電力を供給することとを含む方法である。【選択図】図２

Description

本発明は航空機の動力系統に対する電力供給の制御方法に関する。

動力系統、特に航空機における動力系統は、バッテリや発電機などの電源からの電気負荷に対する電力供給を管理する。航空機では、航空機の推進のためにガスタービンエンジンが用いられており、例えば、発電機、始動発電機、永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）、燃料ポンプ、および油圧ポンプなどの、多くの様々な補機に最終的に電力を供給する機械動力を通常供給する。例えば、現代の航空機は、アビオニクス、モータ、および他の電気設備のために電力を必要とする。ガスタービンエンジンに接続された発電機は、エンジンの機械動力を動力補機に必要な電気エネルギーに変換する。

米国特許第８５１３８２９号明細書

複数の電力消費部品を備える航空機の動力系統であって、電力消費部品の一部が過渡電力要求を有するために、動力系統が過渡状態電力要求および非過渡電力要求を有することになるような動力系統に対する電力供給を制御する方法である。この方法は、過渡状態電力要求に足る電力の供給ができない所定出力を有する発電機を備える動力系統に対して電力を供給することと、動力系統の過渡電力要求を判定することと、判定した過渡電力要求を所定出力と比較することと、所定出力を超過する過渡電力要求を判定することと、過渡電力要求が所定出力を超過するという判定に応答して、非バッテリ電源から動力系統に追加電力を供給することとを含む。

本発明の一実施形態による、航空機および動力系統を上から見た概略図である。本発明の一実施形態による、動力系統の概略図である。本発明の一実施形態による、動力系統のデュアルハイブリッドエネルギーシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、動力系統の過渡電力要求を示すグラフである。

以下に説明される本発明の実施形態は、航空機の電気系統を対象とする。この電気系統は、タービンエンジン、好ましくはガスタービンエンジンから、電力を生成することを可能にする。

図１が示すように、航空機２は、少なくとも１つのガスタービンエンジンを備えており、左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４として示されている。あるいは、動力系統は、より少ない、または追加のエンジンシステムを含んでもよい。左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４は、実質上同一であってもよく、デュアルハイブリッドエネルギーシステム（ＤＨＥＳ）１６などの電源、および、発電機１８などの電気機械の少なくとも１つをさらに含むことが示されている。この航空機は、複数の電力消費部品、例えば、アクチュエータ負荷２６、飛行臨界負荷２７、および非飛行臨界負荷２８を含む。電気負荷２６、２７、２８が電源１６、１８によって電力を供給されるように、各負荷２６、２７、２８は、少なくとも１つの電源１６、１８と電気的に結合されている。

航空機２では、左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４の動作が、スプールによって抽出され得る機械エネルギーを供給し、発電機１８に運転力を供給する。次に、ＤＨＥＳ１６に加えて、発電機１８が、負荷運転用の電気負荷２６、２７、２８に、生成された電力を供給する。本発明の一実施形態は、航空機環境において示されているが、本発明はこのように限定されるものではなく、他の移動体用途、ならびに非移動体の工業用途、商業用途、および住居用途などの、非航空機用途における電気系統に一般的に適用される。

図２は、複数のエンジンシステムを備える航空機の動力系統１０の概略ブロック図であり、左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４を含むものとして示されている。左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４は、実質上同一であってもよい。したがって、簡潔にするために、左エンジンシステム１２のみを詳細に説明するが、この説明は、すべてのエンジンシステムに適用されるものと理解される。

左エンジンシステム１２は、ＤＨＥＳ１６と、少なくとも１つの発電機１８と、一体型コンバータコントローラ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ／ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）（ＩＣＣ）２０と、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４を含むものとして示されている少なくとも１つの配電バスと、アクチュエータ負荷２６、飛行臨界負荷２７、および非飛行臨界負荷２８とを含む。右エンジンシステム１４は、直流電力バス２９しか含まないものとして示されているが、左エンジンシステム１２の部品と同じ部品が多く重複していてもよい。第１直流電力バス２２は、ＤＨＥＳ１６およびアクチュエータ負荷２６と選択的に結合され、かつ、選択的結合リンク（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｉｎｇｌｉｎｋ）２５を介して、第２直流電力バス２４と選択的に結合されている。第２直流電力バス２４は、ＩＣＣ２０を介して発電機１８とさらに選択的に結合され、飛行臨界負荷２７および非飛行臨界負荷２８とさらに選択的に結合されており、かつ、選択的結合リンク２５を介して、右エンジンシステム１４の対応する直流電力バス２９と選択的に結合されている。

電気負荷２６、２７、２８の少なくとも一部は、定常電力要求または平均電力要求を有しており、負荷２６、２７、２８の少なくとも一部は、脈動負荷またはＲＡＤＡＲなどの過渡動作に起因する過渡電力要求を有する。この意味で、過渡電力要求は、定常電力要求または平均電力要求よりも大きい。選択的結合リンク２５は、例えば、所定の特性に基づいて、２つの部品間の電気的結合を可能または不可能にする、任意の物理的または電気的な接続もしくは切断であり得る。この例では、選択的結合リンク２５は、第１直流電力バス２２で、しきい値電圧を計測し得る。第１直流電力バス２２で計測された電圧がしきい値電圧を下回る場合、選択的結合リンク２５は、第２直流電力バス２４を結合して、電力バス２２と２４との間で電圧を分担することを可能にする。

ＤＨＥＳ１６は、非バッテリ電源およびバッテリ電源をさらに含む。ウルトラキャパシタ３０として示される非バッテリ電源は、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２などの電力制御器と連続的に結合される。リチウムリオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）バッテリ３４として示されるバッテリ電源は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６などの電力制御器と連続的に結合される。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、第１直流電力バス２２と選択的に結合されたＤＨＥＳ１６の出力である共通の出力を供給する。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および／または第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６の一例は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとする高帯域幅ＤＣ−ＤＣコンバータを含み得る。ＳｉＣまたはＧａＮは、両者の固体材料構造、小型化および軽量化したフォームファクタにおいて大電力の処理能力、および電気的操作を迅速に行う高速切換能力に基づいて選択され得る。ＳｉＣまたはＧａＮをベースとする第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、小型化および軽量化したフォームファクタとなるが、費用重視の用途では、ＳｉベースのＤＣ−ＤＣコンバータが好まれ得る。

ウルトラキャパシタ３０は、放電が完了する前の、およそ１００分の１秒というごく短時間に、大量の直流電力を供給するように構成され得る。一例として、容易に実現される２７０ボルト、３０ファラドのウルトラキャパシタバンクは、１．０秒超の間２００キロワットを供給できる。さらに、ウルトラキャパシタ３０は、充電／放電性能を低下させることなく、何サイクルも再充電および放電され得る。逆に、バッテリ３４は、ウルトラキャパシタ３０よりも長時間にわたって直流電力を供給するように構成され、何サイクルも再充電および放電され得るが、バッテリ３４では、多数のサイクルまたは経時的に、充電／放電性能の低下が起こり得る。一例として、既存の５アンペア時のセルを用いた２７０Ｖバッテリは、約１．６分の間５０キロワットを供給できる。

代替的な非バッテリ電源およびバッテリ電源が想定される。例えば、代替的な非バッテリ電源は、燃料電池または非常用非バッテリ電源を含んでもよい。さらに、このバッテリ電源は、航空機のメインバッテリまたは航空機の非常用バッテリを含み得る。さらに、非バッテリ電源およびバッテリ電源はそれぞれ、キャパシタバンクまたはバッテリバンクなどの１以上の電源、または、非バッテリ電源およびバッテリ電源の任意の組み合わせを含んでもよい。

発電機１８は、例えば、ガスタービンエンジンの運転による機械エネルギーから生成される交流出力などの、供給電力を生成するように構成される。この交流出力は、ＩＣＣ２０に供給される。ＩＣＣ２０は、交流電力を直流電力に整流する整流器として機能する。この直流電力は、第２直流電力バス２４にさらに供給される。発電機１８が示されているが、発電機１８は、代替的に、左エンジンシステム１２に始動機能も提供する始動発電機であり得ることが想定されている。この実施形態では、ＤＨＥＳは、始動発電機を介して、左エンジンシステム１２を始動できる電力を供給し得る。上記の動力系統１０の例では、電気負荷２６、２７、２８が直流電力で動作するため、任意の交流出力は、直流出力に整流される。

さらに、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４は共に、それぞれの第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６に直流電力を供給するように構成される。各ＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６は、可変であり得る直流入力を受け取り、これを既知または所定の直流出力に変換するように構成される。例えば、バッテリ３４は、２８ＶＤＣを供給し得る。次いで、この２８ＶＤＣは、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６により、所定の２７０ＶＤＣに変換され得る。同様に、ウルトラキャパシタ３０は、３４０ＶＤＣを供給し得る。次いで、この３４０ＶＤＣは、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２により、２７０ＶＤＣに変換され得る。ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４がそれぞれ、同じ特性を有する直流電力を供給しており、同じ直流入力を所定の直流出力に変換するために必要とされるのが、単一のＤＣ−ＤＣコンバータ３２のみである代替的な構成が想定される。さらに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６が、共通の直流出力を供給する限り、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４からの代替的な直流出力、ならびに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６からの代替的な直流出力が想定される。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６による所定の共通直流出力に第１直流電力バス２２に供給され、したがってＤＨＥＳ１６からの直流出力が第１直流電力バス２２に供給される。したがって、動力系統１０は、ＤＨＥＳ１６により供給された電力、およびＩＣＣ２０を介して発電機１８により供給された電力が、２７０ＶＤＣなどの同じ電力であるように構成される。この意味で、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４はそれぞれ、同様の直流供給電力を受け取り、同じ電気的特性で動作する。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６もそれぞれ、逆の動作において同様に機能する。例えば、ウルトラキャパシタ３０および／またはバッテリ３４が放電されると、第１直流電力バス２２が、それぞれの第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６に、選択的に直流電力を供給し得る。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、供給された直流電力を、それぞれのウルトラキャパシタ３０および／またはバッテリ３４に再充電できる直流出力に変換する。

また、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４は、選択的結合リンク２５を介して、互いに選択的に結合されるように、または、選択的結合リンク２５を介して、右エンジンシステム１４の直流電力バス２９と選択的に結合されるように構成されてもよい。２つの電力バスは、それぞれの電源１６、１８が、動力系統の電気負荷２６、２７、２８のすべてに、同時に電力を供給するのに十分な出力を供給できない場合、その間の負荷２６、２７、２８（または、右エンジンシステム１４の任意の負荷）に対する共通の直流供給電力を分け合う。さらに、ＤＨＥＳ１６および発電機１８から、電気負荷２６、２７、２８のすべてに、同時に電力を供給するのに十分な電力を供給できない場合、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４の１以上は、非飛行臨界負荷２８に対する直流出力の供給を中断または停止するように構成されてもよい。

第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４はそれぞれ、直流入力を、電気負荷２６、２７、２８が要求する異なる直流出力に変換するようにさらに構成され得る。例えば、複数の非飛行臨界負荷２８は、２８ＶＤＣを用いて動作し得る。この例では、第２直流電力バス２４は、２７０ＶＤＣが非飛行臨界負荷２８に選択的に供給される前に、２７０ＶＤＣの入力を変換して２８ＶＤＣにするように構成され得る。

図３は、ＤＨＥＳ１６の、より詳細な概略図を示している。図が示すように、ＤＨＥＳ１６は、負荷スペクトル選別フィルタ３８をさらに含み、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、それぞれの第１コントローラ４０および第２コントローラ４２をさらに含む。ＤＨＥＳ１６は、点線で示されるデータ通信を可能にする。このデータ通信では、第１コントローラ４０が、第２コントローラ４２との間で指令信号４６を送受信し、ウルトラキャパシタ３０の状態を例えばウルトラキャパシタ３０のエネルギー量として表す、ウルトラキャパシタ３０からのウルトラキャパシタ状態信号４８を受信し、負荷スペクトル選別フィルタ３８から第１フィルタ信号５２を受信するように行われる。ＤＨＥＳ１６は、第２コントローラ４２が、例えばバッテリ３４の現況をバッテリ３４のエネルギー量として表す、バッテリ３４からのバッテリ状態信号５０を受信し、かつ、負荷スペクトル選別フィルタ３８から第２フィルタ信号５４を受信するように、さらなるデータ通信を可能にする。

負荷スペクトル選別フィルタ３８が、第１直流電力バス２２からの直流電力バス信号４４を受信するものとして付加的に示される。この信号は、直流電力バス２２、２４の瞬間的および累積的なエネルギー要求を表す。代替的に、負荷スペクトル選別フィルタ３８は、各直流電力バス２２、２４からの各信号をさらに受信してもよい。この信号は、電気負荷２６、２７、２８に供給するための各直流電力バス２２、２４のエネルギー要求を表す各信号を含む。この例では、負荷スペクトル選別フィルタ３８は、直流電力バス２２、２４が供給する全信号のエネルギー要求を合計し得る。図３の点線がデータ通信を示すのに対して、実線は、電力結合を示す。この電力結合においては、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４が、それぞれの第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６に対する双方向の電力伝送を可能にし、かつ、各コンバータ３２、３６が、第１直流電力バス２２との間の選択的な双方向の電力伝送を可能にする。

動力系統１０は、電気負荷２６、２７、２８の平均電力要求および過渡電力要求を満たすように動作する。本発明の一実施形態では、発電機１８は、動力系統１０の平均電力要求を満たすのに十分な出力を供給するように設計され、サイズが決められ、構成されるが、システム１０の過渡電力要求を満たすのに十分な出力を供給するように設計され、サイズが決められ、構成されなくてもよい。別の表現をすれば、発電機１８の出力は、動力系統１０の過渡電力要求を満たすのに不十分であってもよい。

過渡電力要求があるときに、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４の少なくとも１つに、ＤＨＥＳ１６によって追加電力が供給されて、過渡電力要求を解消する。発電機１８およびＤＨＥＳ１６により供給された電力の組み合わせは、重量の最小化、寿命の最大化など、システム性能を最大化するように決定された分配によって過渡電力要求を解消するのに十分である。これは、第１直流電力バス２２および／または第２直流電力バス２４の少なくとも１つが、過渡電力要求の発生を感知した（すなわち、バス２２、２４が、電気負荷２６、２７、２８に供給されている電力が不十分であることを感知した）場合に生じる。このとき、第１直流電力バス２２および／または第２直流電力バス２４は、直流電力バス信号４４を送信する。この直流電力バス信号４４は、バス２２、２４が、電気負荷２６、２７、２８に電力を供給するのに不十分、またはほぼ不十分な供給電力しか含まないことを表している。

ＤＨＥＳ１６は、直流電力バス信号４４に応答して、第１直流電力バス２２に、選択的に電力を供給するように動作する。これは、負荷スペクトル選別フィルタ３８が、直流電力バス２２、２４の瞬時エネルギー要求を表す直流電力バス信号４４を最初に受信するときに生じる。負荷スペクトル選別フィルタ３８は、例えば、直流電力バス信号４４の緩やかに変化するエネルギー要求を効果的に解消する、ローパスフィルタとして動作する。別の表現をすれば、負荷スペクトル選別フィルタ３８は、直流電力バス２２、２４のエネルギー要求から、電気負荷２６、２７、２８の過渡電力要求のみを残して、平均電力要求を解消する。直流電力バス２２、２４の過渡電力要求は、フィルタ３８から、第１コントローラ４０および第２コントローラ４２のそれぞれに、第１フィルタ信号５２および第２フィルタ信号５４として供給される。代替的に、負荷スペクトル選別フィルタ３８は、所定のしきい値または動的しきい値を超える過渡電力要求のみが、第１フィルタ信号５２および第２フィルタ信号５４として供給されるように動作してもよい。

第１コントローラ４０および第２コントローラ４２は、互いに双方向的な通信状態にある。この双方向的な通信において、増加した過渡電力要求を解消するのに十分な直流出力をＤＨＥＳ１６から供給するため、両コントローラは、それぞれの第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６を協調的にコントロールする。一例では、負荷が、負荷のない状態から２４０ｋＷまで脈動している。発電機から供給される平均負荷電力は、およそ１００キロワットである。負荷脈動が生じた場合、第１フィルタ信号５２および第２フィルタ信号５４が、それぞれ第１コントローラ４０および第２コントローラ４２に供給される。これらの信号は、平均値を上回る過渡電力要求に起因しており、第１直流電力バス２２が１４０キロワットの追加電力を供給する必要があることを示している。第１コントローラ４０は、ウルトラキャパシタ状態信号４８を受信してもよい。この信号は、ウルトラキャパシタ３０が、放電により１２０キロワットの電力を供給し得ることを示している。第２コントローラ４２は、バッテリ状態信号５０を受信してもよい。この信号は、バッテリ３４が、放電により２０キロワットの電力を供給し得ることを示している。

第１コントローラ４０と第２コントローラ４２との間の双方向的な通信は、過渡電力要求を解消するためにウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４のそれぞれが供給する追加電力の量を判定する。この例では、第１コントローラ４０は、ウルトラキャパシタ３０が１２０キロワットを完全に放電し得ることを決定してもよく、かつ第２コントローラ４２に、バッテリ３４から２０キロワットを放電するよう指示してもよい。別の例では、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４のそれぞれが、７０キロワットを放電してもよく、またウルトラキャパシタ３０が２０キロワットを放電して、バッテリ３４が１２０キロワットを放電してもよい。これらの例は、ＤＨＥＳ１６の動作の非限定的な例である。

ＤＨＥＳ１６は、第１コントローラ４０が、過渡電力要求を可能な限り解消できる場合は常に、ウルトラキャパシタ３０を放電するように動作し得る。別の例では、４００ワットの過渡電力要求があり、ウルトラキャパシタ３０が８００ワットを放電できる場合、第１コントローラ４０がウルトラキャパシタ３０を放電して、バッテリ３４は全く放電されないことになる。同様に、別の例では、８００ワットの過渡電力要求があり、ウルトラキャパシタ３０が８００ワットを放電できる場合、第１コントローラ４０がウルトラキャパシタ３０を放電して、バッテリ３４は全く放電されないことになる。この例では、ウルトラキャパシタ３０の放電が、過渡電力要求を解消するのに十分でない場合のみ、バッテリ３４が放電されることになる。別の表現をすれば、動力系統１０は、直流電力バス２２、２４にバッテリ３４を選択的に結合する前に、第１直流電力バス２２および第２直流電力バス２４の少なくとも１つに、ウルトラキャパシタ３０を選択的に結合してもよい。過渡電力要求があるときに電力供給を優先することで、動力系統１０は、航空機に十分な追加電力を反復的に供給することができると同時に、ウルトラキャパシタ３０の放電を補う必要がある場合に、バッテリ３４の放電のみによって、バッテリ３４の充電／放電性能の低下を積極的に防ぐことができる。

第１直流電力バス２２および／または第２直流電力バス２４は、定常負荷または平均負荷で、負荷スペクトル選別フィルタ３８に直流電力バス信号４４を送信する。したがって、フィルタ３８は、第１フィルタ信号５２および第２フィルタ信号５４を生成する。両信号は、動力系統１０が平均電力要求で動作していることを示す。各コントローラ４０、４２は、それぞれウルトラキャパシタ状態信号４８およびバッテリ状態信号５０を受信する。ウルトラキャパシタ状態信号４８またはバッテリ状態信号５０によって、それぞれの電源が十分に充電されていないことが示される場合には、第１コントローラ４０または第２コントローラ４２が、それぞれの第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３６を選択的に動作させて、第１直流電力バス２２が、適切な直流電圧に変換される直流出力を供給すること、およびそれぞれの電源３０、３４を充電することを可能にする。ウルトラキャパシタ３０および／またはバッテリ３４が完全に充電されると、ＤＨＥＳ１６は、過渡電力要求を待機する。

図４は、過渡電力要求６０と、それに続く定常電力要求６２がある場合の、動力系統１０の電力要求を示す。このグラフでは、「Ｐｂａｔ」がバッテリ３４の放電、「Ｐｕｌｔｒａｃ」がウルトラキャパシタ３０の放電、「ＰＤＨＥＳ」がＤＨＥＳ１６の放電、「Ｐｌｏａｄ」が過渡的な電気負荷の電力要求を示す。図が示すように、時間ｔ₀では、過渡電力要求６２は存在しない。時間ｔ₁では、正の電力過渡変化が生じ、ＤＨＥＳ１６は、補給電力の供給を開始して、過渡電力要求６０を解消する。図が示すように、供給される補給電力の大部分は、本発明のこの実施形態では、ウルトラキャパシタ３０の放電に起因する。時間ｔ₁とｔ₂との間では、過渡電力要求６０は一定のままであるが、ウルトラキャパシタ３０は、大量の補給電力を供給するように放電する。これと同じ時間期間中に、バッテリ３４は、バッテリへの応力を減じてバッテリ寿命を最大化するために、ウルトラキャパシタ３０から供給される電力の微量を供給することが示されている。

時間ｔ₂では、負荷は、ゼロ負荷に減少したときに新たな過渡電流を受ける。そのため、動力系統１０は、平均電力要求６２で動作する。この間に、直流電力バス２２、２４は、電力を供給して、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４を再充電する。両者は、図が示すように、ＤＨＥＳ１６がｔ₂の過渡的な負荷減少直前の値と等しくなるように、発電機の負荷の維持を試みているとき、再充電に起因する負の電力値を有する。図４のグラフは、動力系統１０の動作の一例を示すが、他の動作も想定される。典型的な発電機１８が、過渡電力要求を解消するのに十分な電力を供給できる大型の発電機であっても、発電機１８は、例えば、１００分の数秒間しか生じない過渡電力要求には、十分迅速に応答できないかもしれない。

本開示では、上記の図に示されたものに加えて、他の多くの可能な実施形態および構成が考えられる。例えば、本発明の一実施形態は、各エンジンシステム１２、１４あたり１以上の発電機１８を企図する。本発明の別の実施形態では、動力系統１０は、ＤＨＥＳ１６によって非常動作時に非常用電力が供給され得る、非常用動力系統を組み込んでもよい。本発明のさらに別の実施形態では、第２のフィルタ信号５４が除かれてもよく、第１コントローラ４０が、第１フィルタ信号５２を受信し、次いで、ウルトラキャパシタ３０が供給し得る電力に基づいて、第２コントローラ４２に動作の仕方を指示してもよい。本発明のさらに別の実施形態では、第１コントローラ４０および第２コントローラ４２が、両コントローラ４０、４２によって制御されるすべての様態を制御する単一のコントローラに置き換えられてもよく、また、開示されたのとは異なる代替的な位置、例えばフィルタ３８または直流電力バス２２、２４の一部に位置していてもよい。さらに、前述の信号４４、４８、５０、５２、５４は、例えば、共有の信号ポーリングシステム、または共有の信号トリガシステムに基づいていてもよい。さらに、様々な部品の設計および配置は、多くの様々なインライン構成が実現され得るように再調整され得る。

本発明のさらに別の実施形態では、直流電力バス２２、２４が、１以上の交流電力バスとして代替的に構成され得ること、および、電気負荷２６、２７、２８が、交流電力で動作することが想定されている。この実施形態では、ウルトラキャパシタ３０、バッテリ３４、および発電機１８がそれぞれ、交流電力バスに適切な電圧と周波数で交流電力を交流電力バスに供給できるような、適切なコンバータおよび／またはインバータによって構成されることになる。さらに、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４を交流電力バスに選択的に結合するコンバータおよび／またはインバータは、逆変換を可能にするように構成されてもよく、その結果、ウルトラキャパシタ３０およびバッテリ３４のそれぞれが充電されてもよい。

本明細書で開示される実施形態は、追加電力を供給して、過渡電力要求を解消するように構成された、航空機の動力系統を提供する。航空機の部品を設計する際に、検討すべき重要な要因は、サイズ、重量、および信頼性である。上記の実施形態で実現され得る一つの利点は、上述の実施形態が、従来型の動力系統に対して、重量およびサイズの点で優位に立つことにある。過渡電力要求を解消するために発電機（のみ）を提供する場合、発電機の大型化が必要であり、結果としてサイズと重量が増加することがあり得る。このようなサイズと重量の増加は、過渡的な電力状態が稀にしか生じないことに対して、望ましくないものであり得る。本構成は、過渡電力要求があるときに、ＤＨＥＳが補給電力を供給することを可能にする。この構成によって、過渡電力要求のために生じる供給電力負担を解消するために、より大型で重量のある発電機にスケールアップすることなく、平均電力要求を供給するだけでよい、より小型かつ／または軽量な発電機を可能にし得る。また、ＤＨＥＳは、動力系統に追加電力を供給する際に、典型的な発電機よりも迅速な応答を可能にする。さらに、より小型かつ／または軽量な発電機により、運転寿命の延長が可能となり、システムの信頼性が増し、保守および交換の費用が減少する。重量とサイズの減少は、飛行時の競争優位性に相関する。

さらに、上述の実施形態の別の利点は、過渡電力要求があるときにウルトラキャパシタの放電を優先することによって、バッテリの充電性能および放電性能の低下を抑えることを可能にする。使用時の充電応力および放電応力によるバッテリ性能の低下を抑えることで、航空機のバッテリシステムの信頼性と寿命が増加し、保守および交換の費用が減少する。

まだ説明していない範囲では、様々な実施形態の異なる特徴および構造が、必要に応じて互いと組み合わせされて用いられてもよい。１つの特徴がすべての実施形態で示されていないかもしれないが、これは、その特徴がないと解釈されるべきであることを意味するのではなく、説明の簡略化のためになされることである。したがって、新たな実施形態を形成するために、異なる実施形態の様々な特徴を任意に組み合わせ適合させてもよい。これらの新たな実施形態が明確に説明されているか否かは問わない。本明細書で説明される特徴のすべての組み合わせまたは置換は、本開示に含まれる。

本明細書は、発明を開示するため、かつ、装置やシステムの製造および使用、または組み込まれる方法の実施を含む、当事者による発明の実施を可能にするために、最良の形態を含む例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、かつ当業者が想到する他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、または、それらが請求項の文言と実質的な差異のない、均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

２航空機
１０動力系統
１２左エンジンシステム
１４右エンジンシステム
１６デュアルハイブリッドエネルギーシステム（ＤＨＥＳ）
１８発電機
２０一体型コンバータコントローラ（ＩＣＣ）
２２第１直流電力バス
２４第２直流電力バス
２５選択的結合リンク
２６アクチュエータ負荷
２７飛行臨界負荷
２８非飛行臨界負荷
２９直流電力バス
３０ウルトラキャパシタ
３２第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
３４リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）バッテリ
３６第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
３８負荷スペクトル選別フィルタ
４０第１コントローラ
４２第２コントローラ
４４直流電力バス信号
４６指令信号
４８ウルトラキャパシタ状態信号
５０バッテリ状態信号
５２第１フィルタ信号
５４第２フィルタ信号
６０過渡電力要求
６２定常電力要求

Claims

複数の電力消費部品を備える航空機（２）の動力系統（１０）であって、前記電力消費部品の一部が過渡電力要求を有するために、過渡状態電力要求および非過渡電力要求を有することになるような動力系統（１０）に対する電力供給を制御する方法であって、
前記過渡状態電力要求に足る電力の供給ができない所定出力を有する発電機（１８）を備える前記動力系統（１０）に対して電力を供給することと、
前記動力系統（１０）の過渡電力要求を判定することと、
前記判定した過渡電力要求を所定出力と比較することと、
前記所定出力を超過する前記過渡電力要求を判定することと、
前記過渡電力要求が前記所定出力を超過するという判定に応じて、非バッテリ電源から前記動力系統（１０）に追加電力を供給することと
を含む方法。
前記所定出力が、前記動力系統（１０）の平均電力要求を含む、請求項１に記載の方法。
前記過渡電力要求が、前記所定出力および前記非バッテリ電源からの追加電力の組み合わせを超過するという判定に応じて、バッテリ電源から前記動力系統（１０）に前記追加電力を供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記非過渡電力要求があるときに、前記非バッテリ電源または前記バッテリ電源の少なくとも１つを再充電することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
前記再充電することが、前記バッテリ電源を前記再充電することよりも、前記非バッテリ電源を前記再充電することを優先することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記非バッテリ電源および前記バッテリ電源を前記再充電することが同時に生じる、請求項５に記載の方法。
前記非過渡電力要求があるときに、前記非バッテリ電源および前記バッテリ電源の少なくとも１つを再充電することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記非バッテリ電源から前記追加電力を供給することが、キャパシタ、ウルトラキャパシタ（３０）、キャパシタバンクの少なくとも１つを放電することを含む、請求項１に記載の方法。
前記追加電力を供給することが、前記非バッテリ電源からの前記追加電力を前記動力系統（１０）の電力特性に適合するように変換することをさらに含む、請求項１に記載の方法。