专利名称：特别是在飞机中的电能量供给系统的制作方法
特别是在飞机中的电能量供给系统本发明涉及一种特别是在飞机中的电能量供给系统。这样的系统由DE 10 2007 017 820 Al是已知的。为了在飞机上可以放弃传统的硬件设备非常复杂的涡轮发电机系统(该系统只是在紧急供电情形的特殊情况下才要使用，因此实际上可能从不使用，但仍然必须保持恒常的运行准备状态)，按该文献，设置一种用于紧急供电的燃料电池来替代它。但由于在紧急情况下也必须仍然确保实现不中断的供电，因此，要附加地预备一个有相同紧急供电功率的储能器，该储能器由常规供电(常规电源)持续地补充充电，以便在常规供电失效(或者出故障)时可以引渡搭接燃料电池的起始相位。但这再次意味着带来了功能上的和设备上的费用，纵使从来不打算需要它，也必须确保其持久的功能能力。总是存在这样的不确定性，即，是否这个本身未使用过的紧急供电系统在必要时能真正可靠地被启用。毕竟，所谓的沉睡中的缺陷(它在系统未处于工作状态时并不出现)蕴藏着这种紧急供电的剩余风险。并不是全部机组都必须要由紧急供电机组进行供电，特别是对于许多厨房和乘客舒适功能，为了限制所需要的紧急情况功率，只提供常规供电。但随着对常规供电的大大增加的需求，必然要增加紧急供电的成本和安装容量，并且甚至是超出比例的(过度的)， 因为，特别是在客机中，当前越来越多地用电控制取代功能重要的传统的流体控制系统。由此，变得越来越重型的驱动发电机仍然几乎无法满足普遍渐增的电功率需求；在B787飞机中，在每一推进驱动装置中就必须整合两个发电机，这样便附加提高了复杂性和维护费用。认识到这样的事实，本发明所要解决的技术问题是针对特别用在飞机中的电能量供给系统加以可靠设计，从而能够省却用于附加地以运行准备状态保持就绪的自给自足的紧急供电的花费。按照本发明，上述目的通过主权利要求中所说明的重要特征得以实现。据此，对常规供电，是用多个独立的功能良好的模块式电源如钝态的存储器或活性的电池的一种在输出侧的并联电路，它们全部只在特别经济的运行中承受在其容许最大负荷以下的负荷。如果一旦该能量供给系统的一个模块失效(出故障)，则那些能够运转的剩下的模块必然要承受更大的负荷。在这种情况下它们的运行虽然具有较低的效率，但为了实现这样的代偿或卸载功能不需要任何的紧急供电管理；在至少一个模块失效时，不必先起动或提升其他模块的运行，因为它们肯定已经在受控的运行当中工作，而仅仅是从此以后承受大一些的负荷而已，随此，那个失效模块的从前的分担量就分配到了全部其他的模块上。这些持久存在的、常规运行得以证明的模块可被称为“热冗余” Oiei β e Redimdanz)，代替专门的冗余供电系统的单纯运行准备功能。不必靠近在一起地安置这些始终平行地承受相同负荷的模块，它们也可以在用户例如客机的座舱上分布。优选地，该能量供给系统包括成组并联工作的模块(能源)。如果各组按地点局部地配置于那些重要的耗能器，则考虑空间需求和重量因素，明显减少了需敷设的供电线缆的花费。因此，在该模块化的能量供给系统中，重要的就是其模块的每一个在正常运行中
3维持预备有能觉察到的能量储备。在本发明的范围内，由一个模块可提供的最大功率和由它处在其下的、在操作技术上最佳的负荷的圆整成整数的商被称为该模块系统的调制度m。 它在通用的活性能量供给模块中典型地处在m = 3的数量级。这同时是在能量供给系统中要平行运行的模块的最小数目。这样，直到m-1个模块失效也能确保电能供给，因为，在这种情况下唯一的仍然保持功能良好的模块总是还可以获得用于m-1个失效的模块的功率一当然现在承受相应较大的直到甚至最大的负荷并因此具有相应变差的效率，但即使在持续运行当中总是仍然不超过功能临界点载荷。因此，即使在全部模块中除一个之外都失效的极端紧急情况下，在由该模块组馈电的电网上连接的负载(即耗电器)的能量需求仍然能保持持续地被满足，而不需要选出一些负载转接到现在才高负荷起动的紧急电网上。依据相应模块结构型式典型的功能可靠性和追求达到的系统总体可靠性，在电网上或在一模块组中的模块数目实际上或大或小程度地超过通过计算算出的商。同样，在关注总体可靠性时，全部组对于在其中相应地连在一起的各模块、对于为各模块提供功能能量以及对于在其电网上连接的负载方面不应该设计成完全相同的。因为通过模块化能够使有差异的分系统显著地减小失效概率(相对于彼此相同的系统而言)，从而，更加不可能的是在两个不同的模块组中会同时发生相同的模块失效。对于钝态的模块，特别可以涉及蓄电池，它例如在运行过程中借助于至少一个仍只是小型的、例如由一增压涡轮驱动的发电机来补充充电。或者作为选择，这些蓄电池可以在地上补充充电(快速充电)或加以替换。蓄电池的调制度通过其最大容许负荷与最佳负荷之比来确定，后者表示在由于较小放电负荷而具有高输出电压的高(放电)效率与由于较小尺寸规格(小的电池数量或电池尺寸)而具有较低输出电压的低(放电)效率之间的折衷。但优选是采用活性模块如电池组以及特别是燃料电池系统的形式，它们利用可回收使用的动力燃料如氢、甲醇或乙醇进行工作。特别是，在物理学技术上给出的在燃料电池最佳功率与最大功率之间的关系借助于按照本发明的模块化可以实现一种高可用性的能量供给，在模块设计有附加差异性的情况下，由于不可能同时产生严重故障，该能量供给系统因而提供了一种进一步增加的冗余度，并且无论如何，肯定省却了用于独立的紧急供电的花费。图中示意绘示的各实施例涉及燃料电池模块，由其以下说明可得出其他的特征和优点，此外，在各从属权利要求中记载了本发明的进一步发展设计和变型方案的特征。图中示出
图1作为供给模块的燃料电池的影响参数，图2包括三个模块的一组，图3编组的按图2的组，图4 一个组，包括模块的外围设备用于各模块功能，图5相对图4简化的构造，引证了一种鲁棒(robust)中央外围设备，和图6上级的系统，包括按图5的多个组。在燃料电池堆运行时，要力求达到这样一个工作点，其一方面产生少的动力燃料消耗(小的负荷或高的电池电压)而另一方面以小的堆尺寸(所谓的包括各个电串联的电池的组)便能满足使用要求。电池电压随负载电流的升高而下降。因此，在某一确定的电流时以及在结构型式典型的最佳的电池电压0. 8伏时实现一方面仍然有相对很有利的效率而另一方面仍然有合理堆尺寸的运行，如其在图1中记录的那样。具有按图1所示特性曲线域的燃料电池的最大负荷处在0. 44W/cm2，但其最佳的运行功率能力是约0. 15W/cm2。由该差异产生m = 3的调制度，作为其对该电池的功率密度商。因此参见图2，并联了(至少)三个这样的电池用作一负载电网16的模块式供电的模块13。如果其模块13中的一个或甚至两个失效，则最后剩下的模块13承受相应更大的负荷，这就增加了对动力燃料的相对消耗并因此可以降低效率，但在输出上这样一组12 连接的负载的供电仍然是不中断的，并且使剩下的电池保持不超过功能临界点载荷。由负载所要求的能量将是这样提供，即，通过不仅刚要接通的而且还通过本来处于监控运行中的供电网利用该模块组12仍然连续地提供。按照安全性要求，在硬件设备设计时也可以提高调制度，但它应该至少为m = 3。图2中按照单极的电路方块图的方式示意的能量供给系统11包括三个燃料电池堆的一组12，用作向负载电网16供给直流电压的调制度分别为3的各模块13。各模块13 在输出侧经由去耦电路14并联，这些去耦电路在这里功能性地通过二极管来表示。它们用作模块13的保护，以防功能损坏的反向电压。实际上，在这里应使用小消耗功率的大功率半导体开关。在使用抗反向电压的燃料电池时则相反，如在使用所谓可逆燃料电池的情况下，也可以取消这样的预防措施，参见图4。图3中说明，各组12本身可以组成一个上级的系统，这相应地提高了该总系统的运行可靠性。因为在所示的构造中，其中一个调制度m = 3的模块的失效(未调节的)使系统功率只减少1/9，或者在不变的(经调节的)系统中，其余8个模块的功率只提高9/8 =12.5%。因此，对于各组12的各个部件，简单的功能可靠性足够了，特别是不需要为其各部件付出可靠性花费。按图4，适宜的是，每一模块13经由自己的机组设施或功能外围设备15供电。 对此，在蓄电池的情况下涉及例如补充充电发电机，在燃料电池的情况下涉及其功能气体 (用于电池功能的动力或氧化燃料)的提供(补充供应、储存和输供)，以及涉及其运行要求的辅助装置，如用于加湿、去湿和用于冷却。在存在特别的功能鲁棒性外围设备15的情况下，例如在用于蓄电池的补充充电发电机不需要特别的运行辅助装置时，对于组12'中的至少几个组，通过使用按图5的共同的外围设备15而简化了几何结构。利用如此设计的组12'，按图6可建立一种紧凑的上级系统。一种特别是在飞机中的电能量供给系统11，具备故障自动保险功能，按照本发明， 它能在完全没有硬件设备和控制技术以及电缆敷设花费的情况下实现一种只是需要时才起动的、独立的紧急供电，只要在输出侧上设置并联的功能上同类的供给模块13，如蓄电池或特别是燃料电池，用于负载电网16的常规供电，其中每一模块都在尽可能最佳的工作点或效率承载负荷，但无论如何要明显处在最大负荷能力以下。在存在相应多的模块13时， 该能量储备便能始终满足电网16上所连接的负载的功率需求，只要在模块13可能发生失效之后至少有一个模块13仍然保持功能良好即可。这样，未失效的模块13在其他向该电网16馈电的模块13失效以后虽然是以不利的效率继续运行，但一直还处在容许的负荷范围内，从而确保不中断地对负载保持工作供电。
附图标记清单Ii能量供给系统(用于ie)12 组(由13构成)13 模块(向 16)14去耦电路(在13与16之间)15功能外围设备(用于13)16 负载电网
权利要求
1.电能量供给系统(11)，特别是用于飞机中的负载电网(16)，其特征在于，所述电网 (16)上接有多个在其最大负荷能力以下平行运行的能量供给模块(13)。
2.按照上述权利要求所述的能量供给系统，其特征在于，所述模块(13)设计为，用于在最佳的工作点或效率时承载负荷。
3.按照上述权利要求所述的能量供给系统，其特征在于，连接在一起的模块(13)的数目至少与模块(13)的最大负荷和最佳负荷的功率之商一样大。
4.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，各模块(13)在所述电网 (16)上分布式地连接于该能量供给系统。
5.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，超过功率商之数目的模块(13)分别被合并成组(12)地连接到所述电网(16)上。
6.按照上述权利要求所述的能量供给系统，其特征在于，各组(12)在所述电网(16)上分布式地连接于该能量供给系统。
7.按照上述两项权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，各组(12)被合并成上级的系统而连接到所述电网(16)上。
8.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，模块(13)在功率商相同的情况下在硬件设备上是不同设计的。
9.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，每个模块(13)连接于一个自己的外围设备(15)上。
10.按照除了紧接在前的权利要求以外的上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，合并于组(12')中的各模块(13)连接于一个共同的外围设备(15)上。
11.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，设置由发电机或在地上补充充电的或者替换的蓄电池作为钝态的模块(13)。
12.按照除了紧接在前的权利要求以外的上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，设置燃料电池作为活性的模块(13)。
13.按照上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，在所述模块(13)与所述电网(16)之间设置有去耦电路(14)。
全文摘要
一种特别是在飞机中的电能量供给系统(11)，具备故障自动保险功能，它能在没有硬件设备和控制技术以及电缆敷设花费的情况下实现一种只是需要时才起动的紧急供电，只要常规供电在输出侧具有并联的供给模块(13)，如蓄电池或特别是燃料电池，它们每一个都以尽可能最佳的工作点或效率承载负荷，但无论如何要处在其最大负荷能力以下。在按照该功率差异而存在足够多的模块(13)时，由此预备的功率及能量储备便足够用以始终满足所连接的负载的功率需求，只要至少一个模块(13)保持功能良好即可。这样，未失效的模块(13)虽然是以不利的效率运行，但一直还处在容许的负荷范围内，确保不中断地对负载保持工作供电。
文档编号H02J7/34GK102197561SQ200980142140
公开日2011年9月21日 申请日期2009年10月6日 优先权日2008年10月29日
发明者B·施佩特, R·克内佩尔 申请人:迪尔航空航天有限公司