带有双重混合能量源的用于飞行器的功率系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]功率系统、尤其是飞行器中的功率系统对从诸如电池或发电机之类的功率源至电气负载的功率供给进行管理。在飞行器中，燃气涡轮发动机用于推进该飞行器，并且通常提供最终为多个不同的辅助设备供以功率的机械功率，所述多个不同的辅助设备例如为发电机、起动器/发电机、永磁交流发电机(PMA)、燃料栗、及液压栗，例如用于飞行器上所需要的除推进之外的功能的设备。例如，当代飞行器需要用于航空电子设备的电源、马达、及其它电气设备。与燃气涡轮发动机相联接的发电机将该发动机的机械功率转换成为辅助设备供以功率所需的电能。
【发明内容】
[0002]—种用于飞行器的功率系统，所述功率系统具有多个功率消耗部件，所述多个功率消耗部件中的一些具有瞬时功率需求，从而导致了具有除平均功率需求之外的瞬态功率需求的所述飞行器，所述瞬态功率需求大于所述平均功率需求。所述功率系统包括:至少一个发电机，所述至少一个发电机具有足以供给所述平均功率需求的功率输出；功率分配通路(buss)，所述功率分配通路将所述发电机联接至所述功率消耗部件;非电池功率源；电池功率源;和功率控制器，所述功率控制器将所述非电池功率源和所述电池功率源选择性地联接至所述功率分配通路以满足所述瞬时功率需求。
【附图说明】
[0003]在附图中:
图1是根据本发明的一个实施方式的飞行器和功率系统的俯视示意图。
[0004]图2是根据本发明的一个实施方式的功率系统的示意图。
[0005]图3是根据本发明的一个实施方式的功率系统的双重混合能量系统的示意图。
[0006]图4是示出了根据本发明的一个实施方式的功率系统的瞬时功率响应的曲线图。
【具体实施方式】
[0007]本发明的所述实施方式涉及一种用于飞行器的电气功率系统，该电气功率系统使得能够从优选地为燃气涡轮发动机的涡轮发动机产生电气功率。
[0008]如图1中所示，示出了具有至少一个燃气涡轮发动机的飞行器2，所述至少一个燃气涡轮发动机被示出为左侧发动机系统12和右侧发动机系统14。作为选择，该功率系统可具有较少的或附加的发动机系统。左侧发动机系统12和右侧发动机系统14可以是大致相同的，并且被示出为还包括诸如双重混合能量系统(DHES)16之类的功率源和诸如发电机18之类的至少一个电机。该飞行器被示出为还包括多个功率消耗部件，例如致动器负载26、飞行临界负载27、和非飞行临界负载28。电气负载26、27、28中的每一个与功率源16、18中的至少一个电气联接，使得负载26、27、28由该源16、18供以功率。
[0009]在飞行器2中，运转的左侧发动机系统12和右侧发动机系统14提供了机械能，所述机械能可经由卷轴(spool)被提取出以提供用于发电机18的驱动力。除DHES 16之外，发电机18又将所产生的功率提供至电气负载26、27、28用于负载运转。将了解到的是，尽管在飞行器环境中示出了本发明的一个实施方式，但本发明并不如此受到限制并且对于电气功率系统而言在非飞行器应用中也具有广泛应用，所述非飞行器应用例如为其它可移动式应用和非可移动式工业、商业、和住宅应用。
[0010]图2示出了用于飞行器的具有多个发动机系统的功率系统10的结构示意图，该功率系统10被;^出为包括左侧发动机系统12和右侧发动机系统14。左侧发动机系统12和右侧发动机系统14可以是大致相同的；因此，出于简洁的目的，将仅详细地描述该左侧发动机系统12，这意味着该描述适用于所有的发动机系统。
[0011]左侧发动机系统12包括DHES16、至少一个发电机18、集成转换器/控制器(ICC)
20、示出为包括第一直流功率通路22和第二直流功率通路24在内的至少一个功率分配通路、和致动器负载26、飞行临界负载27、以及非飞行临界负载28。右侧发动机系统14被示出为仅包括直流功率通路29，但可复制左侧发动机系统12的相同部件中的许多部件。第一直流功率通路22与DHES 16和致动器负载26选择性地联接，并且经由选择性联接杆25与第二直流功率通路24选择性地联接。第二直流功率通路24还经由ICC 20与发电机18选择性地联接，与飞行临界负载27和非飞行临界负载28选择性地联接，并且经由选择性联接杆25与右侧发动机系统14的对应的直流功率通路29选择性地联接。
[0012]电气负载26、27、28中的至少一部分可具有稳态或平均功率需求，并且负载26、27、28中的至少一部分可由于瞬时运转而具有瞬时功率需求，例如脉冲负载或雷达(RADAR)。在这种意义上，该瞬时功率需求比稳态或平均功率需求大。该选择性联接杆25可以是任一物理或电气连接或断路装置，该装置基于例如预定特性而允许或禁止两个部件之间的电气联接。在该示例中，该选择性联接杆25可测量第一直流功率通路22上的阈值电压。如果在第一直流功率通路22处测量到的电压降到该阈值电压之下，则该选择性联接杆25可与第二直流功率通路24相联接以允许分配通路22、24之间的电压。
[0013]DHES 16还包括非电池功率源和电池功率源，该非电池功率源被示出为与诸如第一直流至直流转换器32之类的功率控制器顺序联接的超级电容器30，该电池功率源被示出为与诸如直流至直流转换器36之类的第二功率控制器顺序联接的锂离子(Li离子)电池34。第一直流至直流转换器32和第二直流至直流转换器36提供了通用功率输出，该通用功率输出是与第一直流功率通路22选择性地联接的DHES 16的输出。第一直流至直流转换器32和/或第二直流至直流转换器36的一个示例可包括碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)基的高带宽的直流至直流转换器。SiC或GaN可被基于它们的固态材料结构、它们的以较小及较轻的形状因数来处理大功率级的能力、及它们的用于非常快速地执行电气运转的高速转换能力进行选择。尽管SiC或GaN基的直流至直流转换器32、36导致了基于较小及较低形状因数的直流至直流转换器，但它在成本敏感的应用中会是优选的。
[0014]超级电容器30可被构造成在完全放电之前，在大约百分之一秒的非常短的时间内供给大量的直流功率。作为示例，易于实现的270伏特、30法拉的超级电容器组可大于1.0秒供给200千瓦。此外，该超级电容器30可在许多循环中被再充电和放电而不会使充电/放电性能退化。相反，电池34可被构造成持续比超级电容器30长的时间来供给直流功率，并且可在许多循环中被再充电和放电，但电池34在许多循环中或随着时间的流逝经历充电/放电性能退化。作为示例，利用可得到的5安培小时的电芯制成的270V电池可在约1.8分钟提供50千瓦。
[0015]可设想出替代的非电池功率源和电池功率源。例如，替代的非电池功率源可包括燃料电池、或应急非电池功率源。此外，该电池源可包括主要飞行器电池或者应急飞行器电池。再者，非电池功率源和电池功率源中的每一个可包括多于一个源，例如电容器组或电池组，或者非电池功率源和电池功率源的任一组合。
[0016]发电机18被构造成从由运行中的燃气涡轮发动机供给的机械能中产生功率供给，例如交流功率输出。该交流功率输出被供给至ICC 20，该ICC 20充当整流器以将交流功率输出整流成直流功率输出，所述直流功率输出将被进一步供给至第二直流功率通路24ο尽管示出了发电机18，但设想到的是，发电机18可作为选择是起动器/发电机，所述起动器/发电机还提供了用于左侧发动机系统12的起动功能。在该实施方式中，DHES可经由该起动器/发电机供给能够使该左侧发电机系统12起动的功率。在功率系统10的上述示例中，将任何交流功率输出整流成直流功率输出，这是由于电气负载26、27、28以直流功率运转。
[0017]此外，超级电容器30和电池34两者被构造成将直流功率供给至它们相应的第一直流至直流转换器32和第二直流至直流转换器36中的每一个。每一个直流至直流转换器32、36被构造成接收可能是可变的直流功率输入，并将它转换成已知的或预定的直流功率输出。例如，电池34可提供28V的直流电，该28V的直流电可随后被第二直流至直流转换器36转换成预定的270V的直流电。同样，超级电容器可提供340V的直流电，该340V的直流电可随后被第一直流至直流转换器32转换成270V的直流电。设想出替代构造，其中，该超级电容器30和电池34中的每一个供给具有相同特性的直流功率，并且仅单个直流至直流转换器32对于将相同的直流功率输入转换成预定的直流功率输出而言是必需的。此外，可设想来自超级电容器30和电池34的替代的直流功率输出以及来自第一直流至直流转换器32和第二直流至直流转换器36的替代的直流功率输出，只要第一直流至直流转换器32和第二直流至直流转换器36供给通用直流功率输出即可。
[0018]第一直流至直流转换器32和第二直流至直流转换器36的预