帶有雙重混合能量源的用于飛行器的功率系統的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]功率系統、尤其是飛行器中的功率系統對從諸如電池或發電機之類的功率源至電氣負載的功率供給進行管理。在飛行器中，燃氣渦輪發動機用于推進該飛行器，并且通常提供最終為多個不同的輔助設備供以功率的機械功率，所述多個不同的輔助設備例如為發電機、起動器/發電機、永磁交流發電機(PMA)、燃料栗、及液壓栗，例如用于飛行器上所需要的除推進之外的功能的設備。例如，當代飛行器需要用于航空電子設備的電源、馬達、及其它電氣設備。與燃氣渦輪發動機相聯接的發電機將該發動機的機械功率轉換成為輔助設備供以功率所需的電能。
【發明內容】
[0002]—種用于飛行器的功率系統，所述功率系統具有多個功率消耗部件，所述多個功率消耗部件中的一些具有瞬時功率需求，從而導致了具有除平均功率需求之外的瞬態功率需求的所述飛行器，所述瞬態功率需求大于所述平均功率需求。所述功率系統包括:至少一個發電機，所述至少一個發電機具有足以供給所述平均功率需求的功率輸出；功率分配通路(buss)，所述功率分配通路將所述發電機聯接至所述功率消耗部件;非電池功率源；電池功率源;和功率控制器，所述功率控制器將所述非電池功率源和所述電池功率源選擇性地聯接至所述功率分配通路以滿足所述瞬時功率需求。
【附圖說明】
[0003]在附圖中:
圖1是根據本發明的一個實施方式的飛行器和功率系統的俯視示意圖。
[0004]圖2是根據本發明的一個實施方式的功率系統的示意圖。
[0005]圖3是根據本發明的一個實施方式的功率系統的雙重混合能量系統的示意圖。
[0006]圖4是示出了根據本發明的一個實施方式的功率系統的瞬時功率響應的曲線圖。
【具體實施方式】
[0007]本發明的所述實施方式涉及一種用于飛行器的電氣功率系統，該電氣功率系統使得能夠從優選地為燃氣渦輪發動機的渦輪發動機產生電氣功率。
[0008]如圖1中所示，示出了具有至少一個燃氣渦輪發動機的飛行器2，所述至少一個燃氣渦輪發動機被示出為左側發動機系統12和右側發動機系統14。作為選擇，該功率系統可具有較少的或附加的發動機系統。左側發動機系統12和右側發動機系統14可以是大致相同的，并且被示出為還包括諸如雙重混合能量系統(DHES)16之類的功率源和諸如發電機18之類的至少一個電機。該飛行器被示出為還包括多個功率消耗部件，例如致動器負載26、飛行臨界負載27、和非飛行臨界負載28。電氣負載26、27、28中的每一個與功率源16、18中的至少一個電氣聯接，使得負載26、27、28由該源16、18供以功率。
[0009]在飛行器2中，運轉的左側發動機系統12和右側發動機系統14提供了機械能，所述機械能可經由卷軸(spool)被提取出以提供用于發電機18的驅動力。除DHES 16之外，發電機18又將所產生的功率提供至電氣負載26、27、28用于負載運轉。將了解到的是，盡管在飛行器環境中示出了本發明的一個實施方式，但本發明并不如此受到限制并且對于電氣功率系統而言在非飛行器應用中也具有廣泛應用，所述非飛行器應用例如為其它可移動式應用和非可移動式工業、商業、和住宅應用。
[0010]圖2示出了用于飛行器的具有多個發動機系統的功率系統10的結構示意圖，該功率系統10被;^出為包括左側發動機系統12和右側發動機系統14。左側發動機系統12和右側發動機系統14可以是大致相同的；因此，出于簡潔的目的，將僅詳細地描述該左側發動機系統12，這意味著該描述適用于所有的發動機系統。
[0011]左側發動機系統12包括DHES16、至少一個發電機18、集成轉換器/控制器(ICC)
20、示出為包括第一直流功率通路22和第二直流功率通路24在內的至少一個功率分配通路、和致動器負載26、飛行臨界負載27、以及非飛行臨界負載28。右側發動機系統14被示出為僅包括直流功率通路29，但可復制左側發動機系統12的相同部件中的許多部件。第一直流功率通路22與DHES 16和致動器負載26選擇性地聯接，并且經由選擇性聯接桿25與第二直流功率通路24選擇性地聯接。第二直流功率通路24還經由ICC 20與發電機18選擇性地聯接，與飛行臨界負載27和非飛行臨界負載28選擇性地聯接，并且經由選擇性聯接桿25與右側發動機系統14的對應的直流功率通路29選擇性地聯接。
[0012]電氣負載26、27、28中的至少一部分可具有穩態或平均功率需求，并且負載26、27、28中的至少一部分可由于瞬時運轉而具有瞬時功率需求，例如脈沖負載或雷達(RADAR)。在這種意義上，該瞬時功率需求比穩態或平均功率需求大。該選擇性聯接桿25可以是任一物理或電氣連接或斷路裝置，該裝置基于例如預定特性而允許或禁止兩個部件之間的電氣聯接。在該示例中，該選擇性聯接桿25可測量第一直流功率通路22上的閾值電壓。如果在第一直流功率通路22處測量到的電壓降到該閾值電壓之下，則該選擇性聯接桿25可與第二直流功率通路24相聯接以允許分配通路22、24之間的電壓。
[0013]DHES 16還包括非電池功率源和電池功率源，該非電池功率源被示出為與諸如第一直流至直流轉換器32之類的功率控制器順序聯接的超級電容器30，該電池功率源被示出為與諸如直流至直流轉換器36之類的第二功率控制器順序聯接的鋰離子(Li離子)電池34。第一直流至直流轉換器32和第二直流至直流轉換器36提供了通用功率輸出，該通用功率輸出是與第一直流功率通路22選擇性地聯接的DHES 16的輸出。第一直流至直流轉換器32和/或第二直流至直流轉換器36的一個示例可包括碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)基的高帶寬的直流至直流轉換器。SiC或GaN可被基于它們的固態材料結構、它們的以較小及較輕的形狀因數來處理大功率級的能力、及它們的用于非常快速地執行電氣運轉的高速轉換能力進行選擇。盡管SiC或GaN基的直流至直流轉換器32、36導致了基于較小及較低形狀因數的直流至直流轉換器，但它在成本敏感的應用中會是優選的。
[0014]超級電容器30可被構造成在完全放電之前，在大約百分之一秒的非常短的時間內供給大量的直流功率。作為示例，易于實現的270伏特、30法拉的超級電容器組可大于1.0秒供給200千瓦。此外，該超級電容器30可在許多循環中被再充電和放電而不會使充電/放電性能退化。相反，電池34可被構造成持續比超級電容器30長的時間來供給直流功率，并且可在許多循環中被再充電和放電，但電池34在許多循環中或隨著時間的流逝經歷充電/放電性能退化。作為示例，利用可得到的5安培小時的電芯制成的270V電池可在約1.8分鐘提供50千瓦。
[0015]可設想出替代的非電池功率源和電池功率源。例如，替代的非電池功率源可包括燃料電池、或應急非電池功率源。此外，該電池源可包括主要飛行器電池或者應急飛行器電池。再者，非電池功率源和電池功率源中的每一個可包括多于一個源，例如電容器組或電池組，或者非電池功率源和電池功率源的任一組合。
[0016]發電機18被構造成從由運行中的燃氣渦輪發動機供給的機械能中產生功率供給，例如交流功率輸出。該交流功率輸出被供給至ICC 20，該ICC 20充當整流器以將交流功率輸出整流成直流功率輸出，所述直流功率輸出將被進一步供給至第二直流功率通路24ο盡管示出了發電機18，但設想到的是，發電機18可作為選擇是起動器/發電機，所述起動器/發電機還提供了用于左側發動機系統12的起動功能。在該實施方式中，DHES可經由該起動器/發電機供給能夠使該左側發電機系統12起動的功率。在功率系統10的上述示例中，將任何交流功率輸出整流成直流功率輸出，這是由于電氣負載26、27、28以直流功率運轉。
[0017]此外，超級電容器30和電池34兩者被構造成將直流功率供給至它們相應的第一直流至直流轉換器32和第二直流至直流轉換器36中的每一個。每一個直流至直流轉換器32、36被構造成接收可能是可變的直流功率輸入，并將它轉換成已知的或預定的直流功率輸出。例如，電池34可提供28V的直流電，該28V的直流電可隨后被第二直流至直流轉換器36轉換成預定的270V的直流電。同樣，超級電容器可提供340V的直流電，該340V的直流電可隨后被第一直流至直流轉換器32轉換成270V的直流電。設想出替代構造，其中，該超級電容器30和電池34中的每一個供給具有相同特性的直流功率，并且僅單個直流至直流轉換器32對于將相同的直流功率輸入轉換成預定的直流功率輸出而言是必需的。此外，可設想來自超級電容器30和電池34的替代的直流功率輸出以及來自第一直流至直流轉換器32和第二直流至直流轉換器36的替代的直流功率輸出，只要第一直流至直流轉換器32和第二直流至直流轉換器36供給通用直流功率輸出即可。
[0018]第一直流至直流轉換器32和第二直流至直流轉換器36的預