一种串联式混合动力供给系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种串联式混合动力供给系统及方法。

背景技术

目前，随着混合动力技术逐渐成熟，串联式混合电推进系统逐渐应用于航空航天领域当中。混合电推进系统是通过传统的燃气涡轮发动机带动发电机发电，为分布在机翼或机体上的多个电动机或风扇提供电力，并由电动机驱动风扇或螺旋桨提供大部分推力。串联式架构是发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，以实现发动机和电动机的解耦。

在现有技术中，传统的串联式混合动力系统能源架构通过储能单元和双向DC/DC连接，为发动机带动的发电机经AC/DC变化的能源提供补充。然而当储能单元输出电压较高或放电功率较大时，双向DC/DC的功率等级提高，造成双向DC/DC重量大幅度提高，导致动力系统重量增加，系统可靠性降低。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术双向DC/DC的功率等级提高，造成双向DC/DC重量大幅度提高，导致动力系统重量增加，系统可靠性降低的问题，从而提供一种串联式混合动力供给系统及方法。

根据第一方面，本发明提供一种串联式混合动力供给系统，所述系统包括：AC/DC转换单元、储能单元、单向开关以及控制单元，其中，

所述AC/DC转换单元的输入端连接发电单元，第一输出端与所述储能单元的充电输入端连接，第二输出端通过公共母线向负载供电；

所述储能单元的输出端通过所述单向开关与所述公共母线连接，通过所述公共母线向所述负载供电，所述单向开关为常开开关；

所述控制单元分别与所述AC/DC转换单元、所述单向开关连接，用于根据所述AC/DC转换单元输出电压的变化情况，控制所述单向开关动作，以通过所述AC/DC转换单元和所述储能单元共同为所述负载供电。

在一实施例中，所述储能单元为锂电池、放电电池及超级电容器中的任意一种。

在一实施例中，所述单向开关为开关二极管或单向控制开关。

在一实施例中，所述负载为电动机驱动的若干螺旋桨或涵道风扇，

所述系统还包括：与所述螺旋桨一一对应设置的逆变器和电动机；

所述逆变器的输入端与所述公共母线连接，输出端通过电动机与所述螺旋桨连接。

在一实施例中，所述发电单元包括：航空发动机和航空发电机，所述航空发动机的输出端与所述航空发电机的输入端连接，所述航空发电机的输出端与所述AC/DC转换单元的输入端连接。

根据第二方面，本发明提供一种串联式混合动力供给方法，应用于如第一方面的串联式混合动力供给系统的控制单元，该方法包括：

检测AC/DC转换单元的第一输出电压值；

判断所述第一输出电压值是否大于储能单元经过单向开关的第二输出电压值；

在所述第一输出电压值不大于所述第二输出电压值时，控制所述单向开关闭合，控制所述储能单元和所述AC/DC转换单元共同为负载供电。

在一实施例中，在判断所述第一输出电压值是否大于储能单元经过单向开关的第二输出电压值之前，所述方法还包括：

获取AC/DC转换单元可供功率的上限值；

判断所述负载的当前消耗功率是否大于所述AC/DC转换单元可供功率的上限值；

在所述当前消耗功率大于所述上限值时，降低AC/DC转换单元的第一输出电压值，并使AC/DC转换单元跟随储能单元电压输出值。

在一实施例中，所述方法还包括：

在所述第一输出电压值大于所述第二输出电压值时，返回所述获取AC/DC转换单元可供功率的上限值的步骤。

在一实施例中，所述方法还包括：

检测所述AC/DC转换单元的当前输出功率；

判断所述当前输出功率是否小于预设输出功率阈值；

在所述当前输出功率小于所述预设输出功率阈值时，控制所述AC/DC转换单元向所述储能单元进行充电。

在一实施例中，在检测AC/DC转换单元的第一输出电压值之前，所述方法还包括：

监测所述负载的当前工作方式；

在所述负载的当前工作方式需要峰值功率输出时，控制所述AC/DC转换单元恒功率输出为所述负载供电。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供了一种串联式混合动力供给系统，通过AC/DC转换单元将发电单元发出的交流电转换成直流电，通过控制单元根据AC/DC转换单元的输出电压，控制单向开关，以在满足条件时，通过公共母线，共同为负载供电，大大减轻了系统的重量，增加系统的可靠性。

本发明实施例还提供了一种串联式混合动力供给方法，通过根据AC/DC转换单元的输出电压值和储能单元经过单向开关的电压值之间的大小关系，对单向开关进行对应的控制，通过公共母线，共同为负载供电，大大减轻了系统的重量，增加系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提出的一种串联式混合动力供给系统的结构框图；

图2是本发明实施例提出的一种串联式混合动力供给方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在航天航空领域中，混合电推进系统是通过传统的燃气涡轮发动机带动发电机发电，为分布在机翼或机体上的多个电动机或风扇提供电力，并由电动机驱动风扇或螺旋桨提供全部或大部分推力的一种新概念推进系统。目前，多个地区正不断提升混合动力技术水平及其技术成熟度，探索多种新型混合动力飞机方案。常用的混合动力系统包括涡轮发电、并联式、串联式以及混联式。

串联式架构最主要的特点是发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，此举实现了发动机与电动机的解耦，使得发动机能够始终在最佳工况点附近稳定运转，效率高、排放性能好。由于飞机长时间以巡航速度飞行，因此发动机一般以飞机巡航状态所需的电源容量作为额定容量，发动机通常较小。但是电动机的容量及工作范围应覆盖飞机所有的飞行状态，电动机容量一般较大。同时储能单元需要满足峰值功率的要求。

传统的串联式混合动力系统能源架构为储能单元和双向DC/DC连接，为发动机带动的发电机经AC/DC变换的能源提供补充。双向DC/DC根据工作状态决定是否向储能单元充电。但是，当储能单元输出电压较高或放电功率较大时，双向DC/DC的功率等级将相应提高，造成双向DC/DC重量大幅提高，同时带来更多的系统噪声，直接导致动力系统自身重量增加，航空器载重减少以及系统可靠性降低。

为了减轻动力系统的重量，提高系统的可靠性，本发明实施例中提供一种串联式混合动力供给系统，如图1所示，该系统包括AC/DC转换单元1、储能单元2、单向开关3以及控制单元(图1中未示出)，其中，

AC/DC转换单元1的输入端连接发电单元7，第一输出端与储能单元2的充电输入端连接，第二输出端通过公共母线向负载6供电；

储能单元2的输出端通过单向开关3与公共母线连接，通过公共母线向负载6供电，单向开关3为常开开关；

控制单元分别与AC/DC转换单元1、单向开关3连接，用于根据AC/DC转换单元1输出电压的变化情况，控制单向开关3动作，以通过AC/DC转换单元1和储能单元2共同为负载6供电。

在本发明实施例中，发电单元7发出交流电，AC/DC转换单元1将交流电转换成直流电。AC/DC转换单元1连接于储能单元2，储能单元2连接于常开的单向开关3，从而实现AC/DC转换单元1和储能单元2能够共同通过公共母线向负载6供电。控制单元可以为AC/DC转换单元1内部的控制器或其他控制设备，控制单元在储能单元2的输出电压不高于AC/DC转换单元1的输出电压时，控制单向开关3常开，以进一步控制AC/DC转换单元1和储能单元2共同为负载6供电。

具体地，在一实施例中，储能单元2为锂电池、放电电池及超级电容器中的任意一种。

在本发明实施例中，储能单元2为可提供高倍率放电的电池，其中，锂离子电池为依赖锂离子在正极和负极之间移动工作的高倍率放电电池，超级电容器为具有极大的容量的储能装置。

采用高倍率放电电池进行储能，高倍率放电电池能够供应更高的放电倍率，具有大电流放电性能优异以及循环寿命好的优点，高倍率放电电池在放电时有更好的温度稳定性。

具体地，在一实施例中，单向开关3为开关二极管或单向控制开关。

在本发明实施例中，单向开关3可以为开关二极管，也可以为单向控制开关或其他高功率二极管，仅以此为例，不作为限定。开关二极管在导通时相当于常闭开关，电路接通；开关二极管在截止时相当于常开开关，电路切断。AC/DC转换单元1连接于储能单元2，储能单元2连接于单向开关3，以替代了传统的双向DC/DC，从而大大减少了系统的重量。

具体地，在一实施例中，当上述串联式混合动力供给系统应用至飞机时，上述负载6为电动机驱动的若干螺旋桨61，该系统还包括：与螺旋桨61一一对应设置的逆变器4和电动机5；

逆变器4的输入端与公共母线连接，输出端通过电动机5与螺旋桨61连接。

在本发明实施例中，负载6可以为单个或多个螺旋桨61，具体地，螺旋桨61可以为涵道风扇式螺旋桨，也可以为其他螺旋桨，此处不作限定。逆变器4和发动机5可以为单个，也可以为多个，螺旋桨61、逆变器4及发动机5一一对应设置。其中，逆变器4为电动机的驱动控制器，逆变器4的供电为直流电压，取自公共母线。逆变器4将直流电变换成交流电，输出稳定电压。

具体地，在一实施例中，发电单元7包括：航空发动机71和航空发电机72，航空发动机71的输出端与航空发电机72的输入端连接，航空发电机72的输出端与AC/DC转换单元1的输入端连接。

在本发明实施例中，航空发动机71为飞机飞行提供动力，航空发电机72提供机上直流电能，发电单元7输出交流电，通过AC/DC转换单元1的作用，将交流电转换成直流电。

通过上述实施例，通过AC/DC转换单元将发电单元发出的交流电转换成直流电，通过控制单元根据AC/DC转换单元的输出电压，控制单向开关，以在满足条件时，通过公共母线，共同为负载供电，大大减轻了系统的重量，增加系统的可靠性。

本发明实施例中还提供一种串联式混合动力供给方法，应用于上述的串联式混合动力供给系统的控制单元，如图2所示，该方法包括如下步骤S101至步骤S103。

步骤S101：检测AC/DC转换单元的第一输出电压值。

在本发明实施例中，AC/DC转换单元中有功率管理单元，功率管理单元能够对AC/DC转换单元的输出电压值进行检测。

步骤S102：判断第一输出电压值是否大于储能单元经过单向开关的第二输出电压值。

在本发明实施例中，控制单元判断第一输出电压值和储能单元经过单向开关的第二输出电压值之间的大小关系，以根据两者电压值的大小关系进行控制。

步骤S103：在第一输出电压值不大于第二输出电压值时，控制单向开关闭合，控制储能单元和AC/DC转换单元共同为负载供电。

在本发明实施例中，AC/DC转换单元中有功率控制单元，在飞机需要峰值功率输出时，功率控制单元控制AC/DC转换单元恒功率输出。当AC/DC转换单元的第一输出电压值不大于储能单元经过单向开关的第二输出电压值时，储能单元开始输出，以实现储能单元和AC/DC转换单元共同为负载供电，提供功率输出。

具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的串联式混合动力供给方法还包括如下步骤：

步骤S201：获取AC/DC转换单元可供功率的上限值。

步骤S202：判断负载的当前消耗功率是否大于AC/DC转换单元可供功率的上限值。

步骤S203：在当前消耗功率大于上限值时，降低AC/DC转换单元的第一输出电压值，并使AC/DC转换单元跟随储能单元电压输出值。

在本发明实施例中，在飞机起飞阶段或爬升阶段或其他需要峰值功率输出阶段，AC/DC转换单元内部的功率控制单元控制AC/DC转换单元恒功率输出。AC/DC转换单元可提供的最大功率为上限值，若负载的消耗功率大于AC/DC转换单元能够提供的功率上限值时，则为过载，由恒电压控制转变为恒功率控制，需要控制AC/DC转换单元的输出电压降低，并使AC/DC转换单元跟随储能单元电压输出值，使得AC/DC转换单元和储能单元电压值降低保持一致。

在负载的消耗功率大于AC/DC转换单元能够提供功率的上限值时，控制降低AC/DC转换单元的电压值，能够避免过载而导致危险的情况，从而增加系统的安全性。

具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的串联式混合动力供给方法还包括如下步骤：

步骤S204：在第一输出电压值大于第二输出电压值时，返回步骤S201。

在本发明实施例中，当第一输出电压值大于第二输出电压值时，储能单元和AC/DC转换单元无法共同为负载供电，因此返回步骤S201，以实时根据电压值大小进行控制，并降低AC/DC转换单元的电压值，从而避免因过载导致危险的情况。

具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的串联式混合动力供给方法还包括如下步骤：

步骤S301：检测AC/DC转换单元的当前输出功率。

步骤S302：判断当前输出功率是否小于预设输出功率阈值。

步骤S303：在当前输出功率小于预设输出功率阈值时，控制AC/DC转换单元向储能单元进行充电。

在本发明实施例中，AC/DC转换单元内的功率控制单元检测AC/DC转换单元的当前输出功率，在当前输出功率小于预设输出功率阈值时，则AC/DC转换单元足以向储能单元充电；在当前输出功率大于或等于预设输出功率阈值时，AC/DC转换单元向储能单元充电，可能会导致危险发生。因此根据AC/DC转换单元当前输出功率的大小，控制是否向储能单元进行充电，以保证向储能单元充电过程中的安全性。

需要说明的是，上述的AC/DC转换单元可供功率的上限值和预设输出功率阈值的数值不同。

具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的串联式混合动力供给方法还包括如下步骤：

步骤S401：监测负载的当前工作方式。

步骤S402：在负载的当前工作方式需要峰值功率输出时，控制AC/DC转换单元恒功率输出为负载供电。

在本发明实施例中，对负载的当前工作方式进行监测，飞机在起飞阶段或爬升阶段等工作方式时，负载需要峰值功率输出，AC/DC转换单元内部的功率控制单元控制AC/DC转换单元进行恒功率输出，以为负载供电，进行功率输出。若负载的当前工作方式不需要峰值功率输出，则AC/DC转换单元无需为负载供电。根据负载的工作方式控制AC/DC转换单元为负载供电，能够避免在负载无需峰值功率输出时AC/DC转换单元也进行供电，导致负载过载的情况，从而提高供电过程中的安全性。

通过上述实施例，通过根据AC/DC转换单元的输出电压值和储能单元经过单向开关的电压值之间的大小关系，对单向开关进行对应的控制，通过公共母线，共同为负载供电，大大减轻了系统的重量，增加系统的可靠性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。