用于飞行器的混合推进单元
阅读说明：本技术 用于飞行器的混合推进单元 (Hybrid propulsion unit for an aircraft ) 是由 托马斯·克洛诺夫斯基 托马斯·巴拉克 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于具有多转子旋翼的飞行器的混合推进单元(100)：发电机(114),该发电机由内燃发动机(112)驱动；整流器(116),该整流器被配置成将发电机输送的AC电流转换为DC电流；用于将DC电流转换为AC电流的装置(118a,118b,118c,118d)；电气网络(120),该电气网络将整流器连接到转换装置并且包括高压DC电流总线；电动机(122a,122b,122c,122d),该电动机由联接到电动机的螺旋桨转换装置(124a,124b,124c,124d)供能,该单元的特征在于,该单元包括用于存储电能的装置(126),该装置被连接到电气网络,该存储装置包括至少一个主存储元件(138)和至少一个次级存储元件(140)。(The invention relates to a hybrid propulsion unit (100) for an aircraft with multiple rotors: an electrical generator (114) driven by the internal combustion engine (112); a rectifier (116) configured to convert an AC current delivered by the generator into a DC current; means (118a, 118b, 118c, 118d) for converting the DC current to an AC current; an electrical network (120) connecting the rectifier to the conversion device and comprising a high voltage DC current bus; -an electric motor (122a, 122b, 122c, 122d) powered by a propeller switching device (124a, 124b, 124c, 124d) coupled to the electric motor, the unit being characterized in that it comprises means (126) for storing electric energy, the means being connected to an electric network, the storage means comprising at least one primary storage element (138) and at least one secondary storage element (140).)
技术领域
本发明涉及用于具有多转子旋翼的飞行器的混合推进单元，以及包括这种混合推进单元的飞行器。
背景技术
特别地，现有技术包括文献EP-A1-3 085 625、EP-A1-3 296 212、FR-A1-3056555、EP-A1-3 123 343以及US-A1-2017/225573。
从现有技术中已知一种飞行器的混合推进单元，通常被称为混合系列，其具有热电发电功能。
如图1所示，混合推进单元10通常包括：
-内燃发动机12，
-发电机14，该发电机联接到内燃发动机，使得在运行中内燃发动机12驱动发电机14，
-整流器16，该整流器连接到发电机14，并且被配置成将由发电机14输送的交流电流转换为直流电流，
-用于将直流电流转换为交流电流的装置18a、18b、18c、18d，
-电气网络20，该电气网络将整流器16连接到转换装置18a、18b、18c、18d，
-电动机22a、22b、22c、22d，该电动机连接到转换装置18a、18b、18c、18d，使得在运行中，转换装置18a、18b、18c、18d向电动机22a、22b、22c、22d供给交流电流，以及
-螺旋桨24a、24b、24c、24d，该螺旋桨联接到电动机22a、22b、22c、22d，使得在运行中电动机22a、22b、22c、22d驱动螺旋桨24a、24b、24c、24d。
此外，电气网络20通常包括高压直流电流(HVDC)总线。
在这种构架中，从矿石燃料、内燃发动机12开始，并且通过发电机14经由机械-电气转换，由转换装置18a、18b、18c、18d，电动机22a、22b、22c、22d以及螺旋桨24a、24b、24c、24d组成的电气推进链25a、25b、25c、25d使得具有多旋翼的飞行器能够飞行。
包括这种混合推进单元的飞行器是多转子的，与常规飞行器相比，这种飞行器使得能够在飞行器的可控性方面，例如在制动、避让策略、方向改变或转子倾斜方面提供额外的自由度。
对于在垂直起降(VTOL)飞行器中的应用，或者对于在常规起降(CTOL)飞行器中的应用，即在跑道上的应用，单元10通常包括存储单元26，该存储单元具有储备用于紧急着陆模式或完成特定任务所需的电能的功能。存储单元26使得能够在涡轮发电机无法工作的情况下确保电能供给的冗余。此外，存储单元26可用于稳定HVDC总线的电压，从而保持螺旋桨的可控性。
存储单元26包括HVDC总线上的一个或多个次级存储元件。次级存储元件是可充电存储元件。次级存储元件可以是电化学电池，例如锂离子或镍金属氢化物(NiMH)电池，或者超级电容器或混合电容器。
次级存储元件需要电池管理系统(BMS)。
BMS是复杂的设备部件，BMS包括电源开关设备，并使用电子器件来监控次级存储元件的电荷状态、运行参数以及健康状况。
然而，这种单元具有很大的机载质量，并且需要确保在机载航空环境的特定情况下对电气风险的管理。
实际上，该单元必须集成笨重且庞大的电气装备，以使得电气网络20的HVDC总线能够具有良好的调节性而且能够具有良好的稳定性。
存储单元26，更具体地，次级存储元件代表了单元10的大部分质量。此外，无论次级存储元件的技术如何，BMS使得单元的质量增加了约30％，也增加了单元出现故障的概率。
已知的次级存储元件具有不可忽略的自放电率，这使得这些存储元件必须定期地进行充电，因此需要在飞行器上机载充电器或者在地面基础设施中配备充电器。
此外，即使很少使用，次级存储元件也会随着时间而劣化。因此，必须对存储单元进行定期的测试和更换。
对于VTOL和CTOL应用，这些存储元件必须始终处于活跃状态。因此，该单元可以在任何时候向这些存储元件供给电能，并且在不希望的情况下例如短路，对存储元件和HVDC电气网络都有危害。这些存储元件也可能由于泄漏电流现象而过早地放电。
这类存储元件通常对恶劣环境(例如冷热温度)以及机械应力(例如振动或冲击)没有抵抗力。为了满足这些环境限制，这些次级存储元件的尺寸的确定必须与此相对应，这导致飞行器机载的存储单元的质量的增大。
此外，对于一些次级存储元件技术，这些存储元件在热失控的情况下可能会变得危险。特别地，热失控可能是由存储元件的过载或由其他原因(特别是环境原因)引起的在这些存储元件中的外部短路或内部短路所造成的。
由于电压随时可能变化的电气网络与电压取决于电荷状态的次级电池之间的相互作用，次级存储元件与电气网络的联接可能会出现问题。因此，必须采取预防措施以避免存储元件的操作性的任何电气风险甚至任何风险。这些预防措施使系统变得更加复杂。
本发明的目的是提出使得能够对这些缺点中的至少一些进行补救的解决方案。
发明内容
为此，本发明涉及用于具有多转子旋翼的飞行器的混合推进单元，该混合推进单元包括：
-内燃发动机，
-发电机，该发电机联接到内燃发动机，使得在运行中内燃发动机驱动发电机，
-整流器，该整流器连接到发电机，并且被构造成将由发电机输送的交流电流转换为直流电流，
-用于将直流电流转换为交流电流的装置，
-电气网络，该电气网络将整流器连接到转换装置，电气网络包括高压直流电流总线，
-电动机，该电动机连接到转换装置，使得在运行中转换装置向电动机供给交流电流，
-螺旋桨，该螺旋桨联接到电动机，使得在运行中电动机驱动螺旋桨，
该单元的特征在于，该单元包括连接到电气网络的电能存储装置，所述存储装置包括至少一个主存储元件和至少一个次级存储元件，并且所述至少一个主存储元件与电气网络串联连接，并且所述至少一个次级存储元件与电气网络并联连接。
存储装置被称为混合存储装置，因为该存储装置既包括主存储元件(因此非可再充电的)，又包括至少一个次级存储元件(因此可再充电的)。
在涡轮发电机无法工作的情况下，混合推进单元随后将需要进行整个推进系统的维护操作。
根据本发明，存储装置包括主存储元件，该主存储元件可以在使用一次之后在维护发动机期间进行更换，以满足高功率和高能量需求，或者可重复使用，以满足需要低水平能量存储的HVDC总线的电压的稳定的需求。
主存储元件是非可再充电的，即，该存储元件是单次使用的。主存储元件被设计成通过不可逆的电化学反应来产生电流。该存储元件在放电后不能通过电流进行再充电。
因此，由于如果涡轮发电机无法工作则需要维护，包括非可再充电的存储元件将不会在质量方面对系统不利，并且将不需要在飞行器上囤积主存储元件，因为主存储元件将在维护操作之后被更换。
该单元使得能够实现用于主发电源损失导致的紧急着陆的降级模式。实际上，该单元包括能够输送提升飞行器所需的电能的存储元件技术。
在根据本发明的单元中，有利地，在存储装置下游不需要BMS或电子转换系统以使得存储装置的电压能够适应HVDC总线电压。这可以简化单元并降低架构的总体重量。
此外，主存储元件不存在自放电，因此不需要进行再充电，并且不遭受任何随着时间的劣化。该存储元件具有对恶劣环境(例如超过150℃)以及机械应力的良好抵抗力。此外，主存储元件不存在热失控的任何风险。
根据本发明的混合推进单元使得能够确保电能供给的冗余、稳定HVDC总线的电压、以及从而保持电力推进链的可控性。
因此，该混合推进单元使得能够执行紧急着陆功能。
该单元还使得在发电、分配、电池以及电磁兼容(EMC)的问题方面对飞行器的机载电气网络和能量网络的电气限制和影响能够最小化。
此外，根据本发明的单元具有比根据现有技术的构架更小的质量和体积，并且使用完全安全的存储装置，而不与根据现有技术的构架中的复杂的BMS相关联。
根据本发明的单元可以包括被称为第二接触器的接触器，该接触器被布置成与主存储元件并联。该接触器使得能够对主存储元件的激活和失活进行控制。
由于紧急情况所需的电能由主存储元件和电气网络进行输送，有利地，主存储元件对于要输送的功率和能量而言尺寸较小。
因此，在该实施例中，紧急供给电压是最佳大小的，该电压是由主存储元件输送的电压和整流器的输出电压之和。这使得在电气网络中流动的电流的强度能够最小化。
主存储元件的尺寸可以设置成提供低于在第一实施例中产生的电压水平的电压。有利地，这使得能够减小存储装置的质量和总体尺寸。
该单元还可以包括被称为第三接触器的接触器，该接触器被布置成与发电机并联。该接触器使得能够将整流器与主存储元件的连接断开，使得只有主存储元件向各种电推进链提供电能。
接触器可以是机电类型接触器或静态类型接触器。
该单元还可以包括与二极管，该二极管被布置成与主存储元件串联。有利地，如果主存储元件的电压水平高于或变得高于整流器输出电压，则二极管使得能够防止电流反馈到整流器的端子。
可以在整流器的上游布置滤波装置以满足电气网络稳定性的需求。
主存储元件可以由多个串联布置的电化学电偶形成。
根据实施例，主存储元件由至少一个已激发的电化学电偶形成。换言之，主存储元件可以包括一个或多个“准备就绪以待使用”的电化学电偶，即，电解质润湿阳极和阴极。有利的是，这些主电化学电偶是高效率的，具有低的自放电，并且不经历任何随时间的劣化。此外，这种主存储元件的使用使得能够消除BMS。
根据另一个实施例，主存储元件由至少一个可激发的电化学电偶形成。换言之，主存储元件可以包括一个或多个“惰性的”电化学电偶，即，该电化学电偶的电解质没有润湿阳极和阴极。
主存储元件可以由至少一个可热激发的电化学电偶形成。
有利地，这种电化学电偶在未激活时是电惰性的以及化学惰性的。
这些惰性的电化学电偶不存在自放电，因此不需要充电器为这些电化学电偶充电。此外，这些电化学电偶不遭受任何随时间的劣化，并且可以保质15至20年。此外，这种电化学电偶的使用使得能够消除BMS。
此外，这些电化学电偶不存在任何电气危险或意外放电的风险，因为这些电化学电偶是电惰性的。
由于这些电化学电偶是化学惰性的，因此这些电化学电偶对恶劣的环境条件(特别地，在150℃以上)有很好的抵抗力。
此外，在惰性状态下，这些电偶不存在热失控的任何风险。
由于这些电偶处于非活跃状态，这些成对的正极和负极之间的绝缘电阻很高，这使得主存储元件能够安装在电气单元中而无需任何预先的预防措施。
特别地，电惰性存储元件与电气网络的联接可以通过并联(在这种情况下存储元件处于绝缘状态)或者通过例如与二极管串联(在这种情况下存储元件处于零电压状态)来容易地完成。
优选地，次级存储元件包括一个或多个超级电容器。
有利地，这种次级存储元件易于安装在电气网络上，并且质量轻。
次级存储元件用于稳定HVDC总线的电压。由于次级存储元件是可再充电的，这使得能够在从Hz到kHz的频率范围内稳定。有利地，次级存储元件具有高的质量能量密度，而不需要具有介于传统电解质电容器和电池之间的能量密度。
本发明还涉及具有多转子旋翼的飞行器，该飞行器包括根据本发明的混合推进单元。
附图说明
通过以下以非限制性示例并且参照附图来进行的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
[图1]图1示出了根据现有技术的飞行器的混合推进单元，
[图2]图2示出了根据本发明的第一实施例的飞行器的混合推进单元，
[图3]图3示出了根据本发明的第二实施例的飞行器的混合推进单元，
在附图中，不同实施例中具有相同功能的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图2和图3示出了根据本发明的具有多转子旋翼的飞行器(例如直升机或飞机类型的飞行器)的混合推进单元100。例如，单元100可以集成到重量小于5000kg的、机载机械功率介于50kW至2000kW之间的飞行器中。
内燃发动机112(例如，诸如为辅助动力单元(APU)的涡轮机)联接到发电机114。在运行中，发电机114由发动机112驱动。
发电机114是电动机-发电机，即，该发电机能够适于以发电机模式和电动机模式来运行。换言之，发电机114可以在发电机模式下运行(特别地，当被内燃发动机112驱动时)或者在电动机模式下运行。发电机114可以是同步电机或异步电机。因此，发电机114可以是可逆电机。发电机114使得能够提供双向的机械-电能转换，即机械能到电能的转换以及电能到机械能的转换。如图2和图3所示，发电机114可以产生多相电流，例如三相电流。
发动机112和发电机114为单元100提供主发电源。尽管在图2和图3中示出了单个主发电源，但单元100可以包括多个主发电源。
发动机112的转子的连接到发电机114的轴的旋转速度N1可以通过控制装置102(EECU，电子发动机控制单元)来控制。这些控制装置102可以根据旋转速度N1和其他参数(例如发电机114的频率N1*或对于每个电气推进链的负载Ω1*、Ω2*、Ω3*、Ω4*的预测值)来控制发动机112的参数，例如燃料重量流量(表示为WF)。
辅助齿轮箱106可以被布置在发动机112和发电机114之间。
整流器116连接到通至发电机114的输入，并且被配置成将由发电机114输送的交流电流转换为直流电流。整流器116可以是电流可逆式的。电容元件130(例如电容器)可以被布置成与发电机114并联。
电气网络120将整流器116的输出端并联地连接到转换装置118a、118b、118c、118d的输入端。
转换装置118a、118b、118c、118d被构造成将直流电流转换为交流电流。转换装置118a、118b、118c、118d可以包括直流电流-交流电流转换器。
转换装置118a、118b、118c、118d可以包括逆变器。在图2和图3中，DC表示直流电流，AC表示交流电流。每个逆变器可以包括三个逆变器臂，这三个逆变器臂分别将交流电流的三相119、121、123(仅针对转换装置118d在附图中进行了标记)输送到电动机122a、122b、122c、122d中的每一个电动机。
转换装置118a、118b、118c、118d(特别地，逆变器)可以是电流可逆式的。电容元件136a、136b、136c、136d(例如电容器)可以被布置成与转换装置118a、118b、118c、118d中的每一个转换装置并联。
电气网络120可以是双向的，即电流可以从整流器116流动到转换装置118a、118b、118c、118d，并且也能够以与上述相反的方向流动。
电动机122a、122b、122c、122d连接到转换装置118a、118b、118c、118d。在运行中，由转换装置118a、118b、118c、118d向电动机122a、122b、122c、122d供给交流电流。
电动机122a、122b、122c、122d可以是多相同步电动机。这些电动机可以是不同的类型，例如感应电动机或可变磁阻电动机。这些电动机可以是单定子类型电动机或多转子类型电动机。有利地，这使得能够减小电动机122a、122b、122c、122d的质量和体积。
发电机114和电动机122a、122b、122c、122d之间的连接以具有相对高的电压的直流电流来实施，以改善电能管理和电气网络120的稳定性。因此，整流器116使得能够确保将由发电机120输送的交流电流转换为直流电流，而转换装置118a、118b、118c、118d确保将该直流电流转换为旨在用于电动机122a、122b、122c、122d的交流电流。
螺旋桨124a、124b、124c、124d联接到电动机122a、122b、122c、122d。在运行中，螺旋桨124a、124b、124c、124d由电动机122a、122b、122c、122d驱动。螺旋桨124a、124b、124c、124d可以是同轴对旋式螺旋桨。
特别地，转换装置118a(分别地118b、118c、118d)、电动机122a(分别地122b、122c、122d)以及一个或多个螺旋桨124a(分别地124b、124c、124d)形成电气推进链125a(分别地125b、125c、125d)。因此，在图2和图3中，存在四个电气推进链125a、125b、125c、125d。
对于每个电气推进链125a、125b、125c、125d，控制装置132a、132b、132c、132d可以通过齿轮箱134a、134b、134c、134d对连接电动机122a、122b、122c、122d和螺旋桨124a、124b、124c、124d的轴的旋转速度Ω1、Ω2、Ω3、Ω4进行控制。类似地，控制装置132a、132b、132c、132d可以对来自转换装置118a、118b、118c、118d的用于供给每个电动机122a、122b、122c、122d的电压U1、U2、U3、U4进行控制。基于电动机122a、122b、122c、122d的旋转速度Ω1、Ω2、Ω3、Ω4和电压U1、U2、U3、U4以及其他参数(例如负载预测值Ω1*、Ω2*、Ω3*、Ω4*)，这些控制装置132a、132b、132c、132d可以控制转换装置118a、118b、118c、118d的参数，例如电动机122a、122b、122c、122d的电压U1、U2、U3、U4以及机器频率F1、F2、F3、F4。
存储装置126连接到电气网络120。这些存储装置126使得能够从电气网络120的HVDC总线吸收多余的电能。存储装置126也可以被配置成通过对发电机114进行补充或替代来临时地为电动机122a、122b、122c、122d进行供给。
存储装置126包括一个或多个主存储元件138以及一个或多个次级存储元件140。
次级存储元件140可以包括一个或多个电池、一个或多个电容器、或者一个或多个超级电容器。
主存储元件138可以由一个或多个电化学电偶(electrochemical couple)形成。多个电化学电偶可以串联、并联，或混联地布置，即，一些电化学电偶可以串联地布置，并且该组串联的电化学电偶与另一组串联的电化学电偶并联地布置或与另一电化学电偶并联地布置。
主存储元件138可以由一个或多个已激发的(ignited)电化学电偶形成。这些已激发的电化学电偶是指“准备就绪以待使用”，因为电解质会浸湿阳极和阴极。主存储元件138可以是电池。
主存储元件138可以由一个或多个可激发的电化学电偶形成。这些可激发的电化学电偶是指“惰性的”，因为电解质没有浸湿阳极和阴极。
主存储元件138可以是单独的电解质电池。具体地，电解质被布置在与包含阳极和阴极的区域相邻的储存部中，并且仅在主存储元件激活时被释放，使得电解质与阳极和阴极都接触。
电化学电偶可以是可热激发的。因此，主存储元件138可以是热电池。具体地，电解质在室温下是固态，并且在主存储元件激活时被加热。电解质迅速液化，然后与阳极和阴极进行接触。
这些电偶有如下优点：在未被激活时是电“惰性的”并且是化学“惰性的”。
在图2和图3中，示出主存储元件138为电池，其中+表示电池的正极，并且-表示电池的负极。
根据图2所示的第一实施例，主存储元件138与次级存储元件140并联地布置。于是，多个混合存储装置126并联地连接到电气网络120。
主存储元件138可以在紧急情况下以各种方式被激活，例如通过火工激活(pyrotechnic activation)，或者通过电激活。
被称为第一接触器的接触器142可以被布置在主存储元件138和次级存储元件140之间，使得当被激活时能够断开主存储元件138。
由于在惰性电化学电偶的情况下将主存储元件138连接到电气网络120中不需要采取预防措施，所以第一接触器142可以是可选的。
根据图3所示的第二实施例，主存储元件138与电气网络120串联连接。具体地，主存储元件138与电动机112和发电机114串联连接。次级存储元件140并联地连接到电气网络120。
被称为第二接触器的接触器144可以与主存储元件138并联地布置，使得能够以与电动机112和发电机114串联的方式增加主存储元件138。
当主存储元件138被激活时，主存储元件与电气网络120串联，电气网络与整流器116相关联。
紧急事件所需的电能由主存储元件138和电气网络120进行输送，这使得主存储元件138对于要输送的功率和能量而言尺寸较小。因此，整流器116的尺寸可以设置成接纳所产生的电压，并且使得能够在紧急情况下传输全部的电能。
二极管146可以被布置成与主存储元件138串联，使得如果主存储元件138的电压水平高于或变得高于整流器116输出电压，避免整流器116的端子两端的任何电流反馈。
滤波装置(未示出)可以布置在整流器116的上游。
被称为第三接触器的接触器148可以布置成与发电机114并联。
有利地，第一实施例在主发电机方面比第二实施例更自动化。因此，在第二实施例中，主发电机可以断开联接，从而只有主存储元件138通过闭合接触器148向各种电气推进链125a、125b、125c、125d供给电能。因此，整流器116可以不再在HVDC总线上传导电流。
接触器142、144、148可以是机电类型接触器或静态类型接触器。
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