JP7570313B2 - 飛行体の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、飛行体の制御装置に関するものである。
従来、ガスタービンエンジン等の駆動源と、駆動源により発電された電力を貯蓄するバッテリと、を備えた飛行体が知られている。これらの飛行体では、過充電などによるバッテリの劣化を抑制するための技術が種々提案されている。
例えば特許文献１には、燃料電池と、燃料電池の余剰電力を貯蓄し且つ燃料電池の出力不足時に放電して電力を外部に出力するバッテリと、を備える電源装置の構成が開示されている。電源装置は、電力を消費する電力消費手段をさらに有し、燃料電池の発電電力が負荷電力より大であり且つバッテリが満充電状態である場合に、過剰となった電力を電力消費手段により消費させる。特許文献１に記載の技術によれば、全システムのうち一部の機構（電力消費手段）を作動させることにより、過剰電力を消費させ、これによりバッテリの過充電を抑制できるとされている。
特開２００３－３２９０６号公報
ところで、従来、駆動源により駆動される発電機と、発電機の余剰電力を貯蓄するバッテリと、発電機又はバッテリからの電力により駆動するプロペラ（回転翼）と、を有し、プロペラの駆動により推進力を得る飛行体が知られている。これらの飛行体では、飛行中に過剰電力を消費する必要がある。このため、例えば全システムのうち一部の機構を作動させつつ飛行体の飛行状態をも維持する必要がある。
そこで、本発明は、飛行状態を維持しつつバッテリの劣化を抑制することができる飛行体の制御装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る飛行体の制御装置（例えば、実施形態における飛行体の制御装置１）は、発電機（例えば、実施形態における発電機１１）、前記発電機を駆動させる駆動源（例えば、実施形態におけるガスタービンエンジン１２）、及び前記発電機で発電された電力を貯蓄するバッテリ（例えば、実施形態におけるバッテリ１３）を含むパワーユニット（例えば、実施形態におけるパワーユニット２）と、前記発電機及び前記バッテリの少なくとも一方から供給される電力により駆動される電気モータ（例えば、実施形態における電気モータ３）と、前記電気モータにより駆動される回転翼（例えば、実施形態における回転翼４）と、前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ状態検出部（例えば、実施形態におけるバッテリ状態検出部５）と、前記回転翼のピッチを変更する可変ピッチ機構（例えば、実施形態における可変ピッチ機構６）と、前記バッテリ状態検出部により検出された前記バッテリの充電率に基づいて、前記回転翼の前記ピッチを変更するか否かを判定するピッチ変更制御部（例えば、実施形態におけるピッチ変更制御部７）と、を備え、前記ピッチ変更制御部は、前記バッテリの前記充電率に基づいて前記バッテリへの充電が不可能と判断した場合、前記電気モータの負荷が増加するように前記ピッチを変更することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明に係る飛行体の制御装置は、前記ピッチ変更制御部は、前記パワーユニットから供給される電力量に基づいて、前記回転翼の前記ピッチの変化率を算出することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明に係る飛行体の制御装置は、前記飛行体のフライトコントローラ（例えば、実施形態におけるフライトコントローラ２０）から前記パワーユニットへ要求出力の低下が要求されたとき、前記ピッチ変更制御部は前記ピッチの変更を行うことを特徴としている。
本発明の請求項１に記載の飛行体の制御装置によれば、例えばバッテリ状態検出部により検出されたバッテリの充電率が所定値以上となった場合に、ピッチ変更制御部により回転翼のピッチを変更する。具体的に、ピッチ変更制御部は、回転翼を回転させる電気モータの負荷が増加するように、回転翼のピッチを変更する。これにより、回転翼における効率が低下するので、飛行状態を維持しつつ回転翼における消費電量を増加させることができる。よって、バッテリの電力又は発電機で発電された電力の消費量を増加させ、過剰電力を効果的に消費することができる。その結果、過充電によるバッテリの劣化を抑制することができる。
したがって、飛行状態を維持しつつバッテリの劣化を抑制することができる飛行体の制御装置を提供できる。
さらに、例えばバッテリの充電率が低い場合には、電気モータの負荷が低減するように回転翼のピッチを変化させる。これにより、駆動源の作動により発電機で発電された電力をバッテリへの充電電力として振り分けることができる。よって、駆動源の負荷を低減し、燃費の悪化を抑制することができる。
本発明の請求項２に記載の飛行体の制御装置によれば、パワーユニットから供給される電力量に基づいて回転翼のピッチの変化率が決定されるので、消費したい電力分に合わせてピッチの変化率を設定できる。よって、回転翼や可変ピッチ機構に対して過剰な負荷を与えることを抑制できる。
本発明の請求項３に記載の飛行体の制御装置によれば、要求出力の低下が要求されたときにピッチの変更を行う。ここで、駆動源は、フライトコントローラからの要求に対して短時間では応答できないことが多い。つまりフライトコントローラからパワーユニットへ出力低下の要求がされてから実際に駆動源の出力が低下するまでの間にもバッテリへの給電（充電）が行われる場合がある。このため、特に要求出力の低下が要求され、かつバッテリが満充電である場合は、要求出力の増加が要求されたときと比較して過剰電力の消費条件が厳しい状況となる。本発明の飛行体の制御装置によれば、要求出力の低下が要求されたときにピッチの変更を行うので、ピッチ変更で消費する電力と、ピッチ変更に伴う回転翼の抵抗増加による電気モータの負荷増大と、により、より効果的に過剰電力を消費することができる。
実施形態に係る飛行体の制御装置の回路構成図。 ピッチ角の違いによる回転翼の周速と揚力との関係を示すグラフ。 ピッチとパワーユニットの出力との関係を示すグラフ。 実施形態に係る制御装置による制御の流れを示すフローチャート。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（飛行体の制御装置）
図１は、実施形態に係る飛行体の制御装置１（以下、単に制御装置１という場合がある。）の回路構成図である。
制御装置１は、例えば航空機等の飛行体（不図示）の機体に搭載されている。制御装置１は、詳しくは後述する発電機１１で発電される電力によって駆動される複数の電気モータ３により飛行体を推進させる、ハイブリッド推進システムを構成している。
制御装置１は、パワーユニット２と、電気モータ３と、回転翼４と、バッテリ状態検出部５と、可変ピッチ機構６と、ピッチ変更制御部７と、を備える。
（パワーユニット）
パワーユニット２は、駆動源１２と、発電機１１と、バッテリ１３と、を備える。パワーユニット２は、例えばフライトコントローラ２０からの信号に応じて駆動源１２、発電機１１及びバッテリ１３の駆動を制御する。
駆動源１２は、例えばガスタービンエンジンである。ガスタービンエンジン１２は、圧縮機及びタービンを有する。圧縮機は、航空機の機体に設けられた不図示の通風孔から吸入される吸入空気を圧縮する。タービンは、回転軸を介して圧縮機と接続され、圧縮機と一体回転する。なお、本実施形態ではガスタービンエンジン１２を駆動源の一例として説明するが、これに限られない。駆動源１２は、発電機１１を作動させて電力を生成するための動力装置であればよく、例えば燃料電池等であってもよい。
発電機１１は、ガスタービンエンジン１２と接続されている。発電機１１とガスタービンエンジン１２との間には、変速機構等が設けられていてもよい。発電機１１は、タービンの駆動によって電力（交流電力）を発電する。発電機１１で発電された交流電力は、パワードライブユニット（ＰＤＵ）のコンバータで直流電力に変換され、バッテリ１３に貯留される。
バッテリ１３には、ガスタービンエンジン１２の駆動によって発電機１１において発電された電力のうち、電気モータ３によって消費されなかった分の電力が貯留される。バッテリ１３に貯蓄された電力は、電気モータ３を駆動するための電力として利用可能となっている。つまりバッテリ１３は、コンバータの発電電力がインバータの消費電力を上回るとき、発電機１１による発電電力を吸収して充電する。一方、バッテリ１３は、コンバータの発電電力がインバータの消費電力を下回るとき、不足電力を補うように放電する。
（電気モータ）
電気モータ３は、例えばブラシレスＤＣモータである。なお、電気モータ３は、不図示の姿勢保持用あるいは水平推進用の補助モータ等を含んでもよい。電気モータ３は、パワーユニット２の発電機１１及びバッテリ１３にそれぞれ接続される。バッテリ１３からの放電電力及び発電機１１からの電力のうち少なくとも一方は電気モータ３に供給される。つまり、発電機１１から電気モータ３への電力の供給と、バッテリ１３から電気モータ３への電力の供給と、は適宜切り替えられる。具体的に、少なくとも以下の（ｉ）～（ｉｉｉ）のいずれかの状態となるように発電機１１、バッテリ１３、及び電気モータ３が制御される。
（ｉ）発電機１１から電気モータ３へ電力を供給するとともにバッテリ１３から電気モータ３への電力の供給を停止した状態。
（ｉｉ）発電機１１から電気モータ３への電力の供給を停止するとともにバッテリ１３から電気モータ３へ電力を供給する状態。
（ｉｉｉ）発電機１１及びバッテリ１３の両方から電気モータ３へ電力を供給する状態。このとき、発電機１１又はバッテリ１３のそれぞれからの電力の供給量の割合は必要に応じて変化させることが可能である。
（回転翼）
回転翼４は、電気モータ３に接続されている。電気モータ３と回転翼４との間には、電気モータ３と回転翼４とを機械的に接続するプロペラシャフト（不図示）が設けられる。制御信号に応じて電気モータ３が回転することで回転翼４が回転する。制御信号は、パイロットの操作または自動操縦における指示に基づく航空機を制御するための信号である。回転翼４のピッチは変更可能に構成されている。換言すれば、本実施形態の飛行体は、可変ピッチ式の飛行体となっている。
上述したように、飛行体は、主にガスタービンエンジン１２で駆動する発電機１１によって発電される電力によって電気モータ３を駆動させ、電気モータ３によって回転する回転翼４によって推力を得るように構成される。また、発電機１１において発電された電力をバッテリ１３に貯蓄し、必要に応じてバッテリ１３からの電力を、電気モータ３を駆動するための電力として利用することが可能である。
（バッテリ状態検出部）
バッテリ状態検出部５は、バッテリ１３の充電状態を検出する。バッテリ状態検出部５は、バッテリ１３の充電状態として、例えばバッテリ１３の全容量に対するバッテリ１３の現在の充電量を示すバッテリ充電率（ＳＯＣ）を検出する。加えて、バッテリ状態検出部５は、例えば充電時の充電スピードや放電時の放電スピード等を検出してもよい。
（可変ピッチ機構）
可変ピッチ機構６は、回転翼４のピッチを変更する。可変ピッチ機構６は、例えば回転翼４の中心軸の近傍に取り付けられている。可変ピッチ機構６は、詳しくは後述するピッチ変更制御部７からの信号に基づいて、所定のピッチ角となるように回転翼４のピッチを変化させる。本実施形態において、可変ピッチ機構６は、ピッチ角０％（回転翼４が地面と平行となる状態）から９０％（回転翼４が地面に対して垂直となる状態）までの間で回転翼４のピッチを変更可能である。
（ピッチ変更制御部）
ピッチ変更制御部７は、バッテリ状態検出部５により検出されたバッテリＳＯＣに基づいて、回転翼４のピッチを変更するか否かを判定する。また、ピッチ変更制御部７は、ピッチを変更する場合、パワーユニット２から供給される電力量に基づいてピッチの変化率を算出し、可変ピッチ機構６に算出結果を出力する。これにより、回転翼４のピッチが所望のピッチ角となるように制御される。
本実施形態において、ピッチ変更制御部７は、飛行体のフライトコントローラ２０からパワーユニット２へ要求出力の低下が要求されたときであって、かつ所定の条件を満たす場合に可変ピッチ機構６にピッチの変更を行わせる。具体的に、ピッチ変更制御部７は、要求出力の低下が要求され、ガスタービンエンジン１２における出力低下が不十分であり、かつバッテリＳＯＣが所定値以上であるとき、ピッチを変更させる。一方、要求出力の低下を要求されたガスタービンエンジン１２における出力低下が十分である（ガスタービンエンジン１２のみの応答で許容できる）場合、及び、要求出力の低下を要求されたがバッテリＳＯＣが所定値未満である場合は、ピッチを変更しない。
本実施形態では、要求出力の低下が要求されてピッチを変更する場合、ピッチ変更制御部７は、まず過剰電力を算出する。過剰電力は、発電機１１の発電電力から、回転翼４の駆動電力及びバッテリ１３の電力の合計を差し引いた値である。その後ピッチ変更制御部７は、目標とするピッチ角が現在のピッチ角よりも小さくなるように回転翼４のピッチを変更する。
図２は、ピッチ角の違いによる回転翼４の周速Ｖｒと揚力Ｌｆとの関係を示すグラフである。図２のグラフＧ１は、ピッチ角が０％（回転翼４が地面と平行）の場合を示す。グラフＧ２は、ピッチ角が２０％の場合を示す。グラフＧ３は、ピッチ角が４０％の場合を示す。グラフＧ４は、ピッチ角が６０％の場合を示す。グラフの横軸は回転翼４の周速Ｖｒを示す。グラフの縦軸は飛行体の揚力Ｌｆを示す。グラフＧ５は、飛行体の目標揚力を示す。
図２のグラフＧ１に示すように、ピッチ角が０％の場合、周速Ｖｒによらず揚力はゼロである。グラフＧ２からＧ４に示すように、ピッチ角が２０％，４０％，６０％の場合、回転翼４の周速Ｖｒが上昇するにつれて揚力Ｌｆが増加する。また、グラフＧ２からＧ４を比較すると、ピッチ角が大きいほど、目標揚力Ｇ５を得るために必要な周速Ｖｒが小さくなる。すなわち、ピッチ角を大きくするほど、より少ないエネルギで必要な揚力を得ることができる。一方、ピッチ角を小さく（例えば４０％：グラフＧ３）すれば、ピッチ角が大きい場合（例えば６０％：グラフＧ６）と同等の揚力を得るために、より多くのエネルギを消費する。
図３は、ピッチＰとパワーユニット２の出力ＯＰＵとの関係を示すグラフである。グラフの横軸は、回転翼４のピッチＰを示す。グラフの縦軸は、パワーユニット２の出力ＯＰＵを示す。パワーユニット２の出力ＯＰＵとは、発電機１１からの出力及びバッテリ１３からの出力の合計値である。グラフＧ６は、飛行体の目標揚力を示す。
図３に示すように、通常時（本実施形態では、ピッチ変更前の状態）、飛行体は、ポイントＡ１で動作している。ポイントＡ１では、回転翼４のピッチＰが第一ピッチＰ１に設定され、パワーユニット２の出力ＯＰＵが第一出力ＰＷＲ１に設定されている。
ピッチ変更制御部７により回転翼４のピッチを変更することが決定されると、ピッチ変更制御部７は、飛行体がポイントＡ２で動作するようにピッチＰ及びパワーユニット２からの出力ＯＰＵを変更する。ポイントＡ２では、回転翼４のピッチＰが第二ピッチＰ２に設定され、パワーユニット２の出力ＯＰＵが第二出力ＰＷＲ２に設定されている。第二ピッチＰ２は、第一ピッチＰ１よりも小さいピッチ角である（Ｐ２＜Ｐ１）。第二出力ＰＷＲ２は、第一出力ＰＷＲ１よりも大きい（ＰＷＲ２＞ＰＷＲ１）。
このように回転翼４のピッチＰを第一ピッチＰ１から第二ピッチＰ２へ変更することで、目標揚力を得るために必要なパワーユニット２からの電力ＯＰＵが電力量Ｄだけ大きくなる。よって、ピッチ変更制御部７は、要求出力の低下が要求され、ガスタービンエンジン１２における出力低下が不十分であり、かつバッテリＳＯＣが所定値以上であるとき、第一ピッチＰ１から第二ピッチＰ２へ変更することにより、通常時と比較して過剰電力を電力量Ｄ分だけ消費することができる。これによりバッテリ１３への過充電が抑制される。
（飛行体の制御装置における制御の流れ）
図４は、実施形態に係る制御装置１による制御の流れを示すフローチャートである。以下、図４を用いて制御装置１における制御の流れについてより詳細に説明する。各符号については図１を併せて参照されたい。
まず、制御装置１は、ガスタービンエンジン１２（駆動源）及び発電機１１の情報を取得することにより、発電機１１が発電中であるか否かを判定する（ステップＳ０１）。発電機１１が発電中でない場合（ステップＳ０１でＮＯ）、ピッチ変更制御部７は、回転翼４のピッチを変更せず、処理を終了する（ステップＳ０７）。
発電機１１が発電中であると判定された場合（ステップＳ０１でＹＥＳ）、制御装置１は、発電した電力をバッテリ１３に充電可能か否かを判定する（ステップＳ０３）。ステップＳ０３において、制御装置１は、例えば現在のバッテリＳＯＣが、予め設定された所定値以上であるか否かの判定結果に基づいて、バッテリ１３の充電可否を判定する。制御装置１は、例えば現在のバッテリＳＯＣが所定値以上である場合、バッテリ１３への充電が不可能であると判定する。一方、例えば現在のバッテリＳＯＣが所定値未満である場合、制御装置１は、バッテリ１３への充電が可能であると判定する。
発電した電力がバッテリ１３に充電可能であると判定された場合（ステップＳ０３でＹＥＳ）、制御装置１は、バッテリ１３への充電を開始する（ステップＳ０５）。その後、ステップＳ０７へ進み、ピッチ変更を行うことなく処理を終了する。
一方、発電した電力がバッテリ１３に充電不可能であると判定された場合（ステップＳ０３でＮＯ）、ピッチ変更制御部７は、発電機１１の発電電力、回転翼４の駆動電力及びバッテリ１３の電力の取得結果に基づいて、過剰電力を算出する（ステップＳ１１）。次に、ピッチ変更制御部７は、算出した過剰電力に基づいて、ピッチの変化率を算出する（ステップＳ１３）。ピッチの変化率は、現在のピッチから、目標とするピッチまでの変化率である。目標とするピッチは、例えば基準ピッチに対して１以下の補正係数を乗算することにより算出される。補正係数は、例えば過剰電力の大きさに応じて変化する値であってもよい。例えば過剰電力が大きいほど補正係数の値が漸次小さくなるように補正係数が設定されてもよい。このようにして算出された目標とするピッチとは、電気モータ３の負荷を増加させることにより算出された過剰電力を消費するために必要なピッチである。
次に、ピッチ変更制御部７は、算出したピッチの変化率を実現するように可変ピッチ機構６に信号を出力する。可変ピッチ機構６は、ピッチ変更制御部７からの信号に基づいて、目標とするピッチとなるように回転翼４のピッチを変更する（ステップＳ１５）。ピッチの変更が完了すると、処理を終了する。これにより、本フローチャートの処理は終了する。
（作用、効果）
次に、上述の飛行体の制御装置１の作用、効果について説明する。
本実施形態の飛行体の制御装置１によれば、回転翼４のピッチを変更する可変ピッチ機構６と、バッテリ状態検出部５により検出されたバッテリ１３の充電率に基づいて、回転翼４のピッチを変更するか否かを判定するピッチ変更制御部７と、を備える。これにより、例えばバッテリ状態検出部５により検出されたバッテリ１３の充電率が所定値以上となった場合に、ピッチ変更制御部７により回転翼４のピッチを変更する。具体的に、ピッチ変更制御部７は、回転翼４を回転させる電気モータ３の負荷が増加するように、回転翼４のピッチを変更する。これにより、回転翼４における効率が低下するので、飛行状態を維持しつつ回転翼４における消費電量を増加させることができる。よって、バッテリ１３の電力又は発電機１１で発電された電力の消費量を増加させ、過剰電力を効果的に消費することができる。その結果、過充電によるバッテリ１３の劣化を抑制することができる。
したがって、飛行状態を維持しつつバッテリ１３の劣化を抑制することができる飛行体の制御装置１を提供できる。
ピッチ変更制御部７は、パワーユニット２から供給される電力量に基づいて、回転翼４のピッチの変化率を算出する。これにより、消費したい電力分に合わせてピッチの変化率を設定できる。よって、回転翼４や可変ピッチ機構６に対して過剰な負荷を与えることを抑制できる。
ピッチ変更制御部７は、要求出力の低下が要求されたときにピッチの変更を行う。ここで、ガスタービンエンジン１２（駆動源）は、フライトコントローラ２０からの要求に対して短時間では応答できないことが多い。つまりフライトコントローラ２０からパワーユニット２へ出力低下の要求がされてから実際にガスタービンエンジン１２の出力が低下するまでの間にもバッテリ１３への給電（充電）が行われる場合がある。このため、特に要求出力の低下が要求され、かつバッテリ１３が満充電である場合は、要求出力の増加が要求されたときと比較して過剰電力の消費条件が厳しい状況となる。本発明の飛行体の制御装置１によれば、要求出力の低下が要求されたときにピッチの変更を行うので、ピッチ変更で消費する電力と、ピッチ変更に伴う回転翼４の抵抗増加による電気モータ３の負荷増大と、により、より効果的に過剰電力を消費することができる。
なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、要求出力の低下が要求され、かつバッテリＳＯＣが所定値以上であるときにピッチ変更を行うとしたが、これに限られない。例えばバッテリ１３のＳＯＣが予め設定された下限値よりも低い場合には、電気モータ３の負荷が低減するように回転翼４のピッチを変化（ピッチ角を増加）させてもよい。これにより、ガスタービンエンジン１２の作動により発電機１１で発電された電力をバッテリ１３への充電電力として振り分けることができる。よって、ガスタービンエンジン１２の負荷を低減し、燃費の悪化を抑制することが可能となる。
ガスタービンエンジン１２や発電機１１が複数設けられていてもよい。
駆動源としてガスタービンエンジン１２が用いられる例について説明したが、これに限られない。駆動源１２として、例えば燃料電池等が用いられてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１ 飛行体の制御装置
２ パワーユニット
３ 電気モータ
４ 回転翼
５ バッテリ状態検出部
６ 可変ピッチ機構
７ ピッチ変更制御部
１１ 発電機
１２ ガスタービンエンジン（駆動源）
１３ バッテリ
２０ フライトコントローラ

Claims (3)

  1. 発電機、前記発電機を駆動させる駆動源、及び前記発電機で発電された電力を貯蓄するバッテリを含むパワーユニットと、
    前記発電機及び前記バッテリの少なくとも一方から供給される電力により駆動される電気モータと、
    前記電気モータにより駆動される回転翼と、
    前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ状態検出部と、
    前記回転翼のピッチを変更する可変ピッチ機構と、
    前記バッテリ状態検出部により検出された前記バッテリの充電率に基づいて、前記回転翼の前記ピッチを変更するか否かを判定するピッチ変更制御部と、
    を備え、
    前記ピッチ変更制御部は、前記バッテリの前記充電率に基づいて前記バッテリへの充電が不可能と判断した場合、前記電気モータの負荷が増加するように前記ピッチを変更することを特徴とする飛行体の制御装置。
  2. 前記ピッチ変更制御部は、前記パワーユニットから供給される電力量に基づいて、前記回転翼の前記ピッチの変化率を算出することを特徴とする請求項１に記載の飛行体の制御装置。
  3. 前記飛行体のフライトコントローラから前記パワーユニットへ要求出力の低下が要求されたとき、前記ピッチ変更制御部は前記ピッチの変更を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の飛行体の制御装置。
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