一种用于航空器的配电系统的制作方法

1.本发明涉及航空电气系统领域，尤其涉及一种用于航空器的配电系统。


背景技术：

2.随着氢燃料、锂电池等新型绿色能源技术发展，航空领域目前越来越多地聚焦全电技术研究。与传统燃料动力飞机相比，全电飞机能源动力系统线性解耦、功率具有相对尺寸无关性，同时，噪声低、零排放、飞机运营成本低，代表未来航空器发展方向。


技术实现要素：

3.本发明所公开的一种用于航空器的配电系统适用于申请人研发了一种新能源垂直起降飞机，所述飞机采用固定翼结合多旋翼的复合翼布局形式，外形图如附图1所示。所述垂直起降飞机的工作模式分为垂直起降模式和固定翼模式，动力系统分为四轴八桨的电动旋翼部分和电动尾推部分。在垂直起降模式中，所述四轴八桨电动旋翼为垂直起降提供动力；在固定翼模式中，所述电动尾推(尾部推进系统)为飞机巡航提供动力。在所述新能源垂直起降飞机中，采用锂电池和燃料电池作为动力源。
4.为了降低所述新能源垂直起降飞机供电系统的复杂度和系统重量，提高系统安全性，并兼顾锂电池和燃料电池的电压和功率特性，本技术提供了一种用于航空器的配电系统。所述系统在实现为新能源垂直起降飞机提供动力来源的基础上，相对于现有航空器简化了供电结构，降低了航空器电气系统的重量和复杂度，提高了航空器电气系统中部件的复用程度和安全性，并简化了电能管理系统，使电力控制方式更加简单。
5.本发明提供一种用于航空器的配电系统，所述系统由以下几部分组成：
6.功率锂电池系统，包含至少一组功率锂电池，用于向垂直起降系统供电；
7.燃料电池系统，包含燃料电池，所述燃料电池电堆采用分布式设计，用于向巡航动力系统供电；
8.辅助电池系统，包含至少一组锂电池，与所述燃料电池系统并联，用于辅助所述功率锂电池系统和/或所述燃料电池系统供电，所述辅助电池系统的锂电池与所述功率锂电池系统中的锂电池电压保持一致；
9.低压电池系统，包含至少一组低压锂电池，所述燃料电池系统通过变换电压与所述低压电池系统共同向航空器提供低压电源；
10.电能分配系统，包括电力总线、通信总线、电力控制器，用于分配、控制、管理电池系统提供的电能。由于所述系统中锂电池和燃料电池均采用分布式布置方式，利用燃料电池电流源特性和锂电池电压源特性进行直接并联供电，降低了系统重量和复杂度，采用辅助锂电池方式提高了系统复用和安全性。
11.所述功率电池系统仅为垂直起降系统提供动力，不参与巡航动力系统的供电，保证了旋翼系统的安全性。
12.所述辅助电池系统通过二极管钳制，实现垂直起降和固定翼两种模式供电，实现
了功能复用，降低了系统重量，也保证功率锂电池系统的安全性，辅助电池系统与功率锂电池系统电压保持一致，简化了供电系统的能量管理。
13.在上述供电系统中，所述电力控制器具体包括高压配电盒、低压配电盒、燃料电池配电盒、电池管理系统；
14.其中，高压配电盒包括：
15.至少一个连接功率锂电池系统的端口；
16.至少一个连接辅助电池系统的端口；
17.至少一个连接垂直起降系统的端口；
18.连接所述燃料电池系统的端口；
19.所述至少一个连接功率锂电池系统的端口和所述至少一个连接辅助电池系统的端口，通过第一汇流排与所述至少一个连接垂直起降系统的端口相连；
20.所述至少一个连接所述辅助电池系统的端口，通过第二汇流排与所述至少一个连接所述辅助电池系统的端口。
21.其中，低压配电盒包括：
22.至少一个连接低压电池系统的输入端口；
23.至少一个连接燃料电池系统的输入端口；
24.至少一个连接航空器低压负载的输出端口；
25.至少一个电压转换器；
26.所述至少一个低压电池系统的输入端口，通过汇流排与至少一个低压负载输出相连；
27.所述燃料电池输入，通过所述汇流排与至少一个低压负载输出相连。
28.其中，燃料电池配电盒包括：
29.至少一个燃料电池电堆输入端口；
30.至少一个辅助电池系统输入端口；
31.至少一个尾部推进器电子调速器端口；
32.至少一个低压输出端口；
33.至少一个电压转换器；
34.所述至少一个燃料电池电堆输入端口、所述至少一个辅助电池系统输入端口，通过汇流板与所述至少一个尾部推进器电子调速器相连；
35.所述至少一个燃料电池电堆输入端口、至少一个辅助电池系统输入端口，通过所述汇流板、所述至少一个电压转换器与所述至少一个低压输出端口相连；
36.其中，电池管理系统包括子电池管理系统和单元电池管理系统，所述子电池管理系统管理每个电池组的使用，所述单元电池管理系统管理与配电盒相连的所有电池组的使用。
37.所述电池管理系统采用主从模式，单组电池由相应的控制器控制，保证故障隔离和系统安全。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是使用本发明配电系统的新能源垂直起降飞机的外形图；
40.图2是本发明一实施例中用于航空器的配电系统的构架图，图中实线为电力总线；
41.图3是本发明一实施例中高压配电盒的示意图，图中端口名称、设备、功能详见下表：
[0042][0043][0044]
图4是本发明一实施例中低压配电盒的示意图，图中端口名称、设备、功能详见下表：
[0045]
端口名称端口设备端口功能b0低压锂电池00低压电池系统输入b01低压锂电池01低压电池系统输入l01燃料电池配电盒燃料电池28v低压输入z01航空器低压负载为28v低压负载供电z02航空器低压负载为28v低压负载供电z03航空器低压负载为12v低压负载供电
[0046]
图5是本发明一实施例中燃料电池配电盒的示意图，图中端口名称、设备、功能详见下表：
[0047][0048][0049]
图6是本发明一实施例中电池控制系统的连接关系，图中虚线为通行总线。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
[0051]
在本发明提供的一实施例中，提供一种用于航空器的配电系统，具体构架图参见图2。
[0052]
功率锂电池系统，包含至少一组大功率锂电池，主要向垂直起降系统(图1航空器中的八个旋翼)供电，实现垂直起降功能。在本发明提供的一个实施例中，所述大功率锂电池组的数量为6组。为保证垂直起降系统的安全性，功率锂电池系统不参与巡航动力系统的供电，而通过辅助锂电池实现燃料电池功率补充。
[0053]
燃料电池系统，包含燃料电池，采用分布式电堆方式，用于向巡航动力系统(图1中航空器尾部的推进器)供电，实现固定翼巡航功能。在本发明提供的一实施例中，所述燃料电池为氢燃料电池。燃料电池系统与辅助电池系统采用直接并联供电，一起为巡航动力系统供电。燃料电池一路通过dcdc变换与低压电池系统组成冗余，为航空器低压用电设备供电。
[0054]
辅助电池系统，包含至少一组锂电池，主要实现锂电池和燃料电池的并联供电。在本发明提供的一个实施例中，所述辅助电池系统包含两组锂电池。辅助电池系统在垂直起降过程中与功率电池系统一起为垂直起降系统供电。而在固定翼模式下，与燃料电池一起为巡航动力系统供电。在该架构中，辅助电池系统中的锂电池通过二极管钳制，保证电流单向流动，实现垂直起降和固定翼两种模式供电，实现了辅助电池系统的功能复用，降低了系统重量。同时作为功率电池系统的备份，保证了功率电池系统的安全性。辅助电池系统中的锂电池与功率电池系统中的锂电池电压保持一致，简化了系统的能量管理。
[0055]
低压电池系统，包含至少一组低压锂电池，所述燃料电池系统通过变换电压与所述低压电池系统共同向航空器提供低压电源，形成冗余供电系统，保证了安全性。
[0056]
电能分配系统，包括电力总线、通信总线、电力控制器，用于分配、控制、管理电池系统提供的电能。在本发明提供的一个实施例中，所述电力控制器包括高压配电盒、低压配电盒、燃料电池配电盒和电池管理系统。配电盒主要完成电能的分配、控制和管理，保证动力系统的运行。电池管理系统在控制上采用主从模式，单组电池由相应子电池控制系统控制，低压配电盒与高压配电盒中的单元电池控制系统，集中控制配电盒输入端的电池系统，保证故障隔离和系统安全。所述电池管理系统通过通信总线与航空器机载电子设备相连。
[0057]
在本发明提供的一个实施例中，所述高压配电盒的结构如图3所示，图中标注的端口信息如下表：
[0058]
端口名称端口设备端口功能b1功率锂电池1功率锂电池系统输入b2功率锂电池2功率锂电池系统输入b3功率锂电池3功率锂电池系统输入b4功率锂电池4功率锂电池系统输入b5功率锂电池5功率锂电池系统输入b6功率锂电池6功率锂电池系统输入b7辅助锂电池1辅助电池系统输入b8辅助锂电池2辅助电池系统输入m1电子调速器为垂直起降系统供电m2电子调速器为垂直起降系统供电m3电子调速器为垂直起降系统供电m4电子调速器为垂直起降系统供电m5电子调速器为垂直起降系统供电m6电子调速器为垂直起降系统供电m7电子调速器为垂直起降系统供电m8电子调速器为垂直起降系统供电h01燃料电池配电盒辅助电池系统输出
[0059]
在本实施例中，所述高压配电盒具体包括：
[0060]
6个连接所述功率锂电池系统的输入端口b1
‑
b6；
[0061]
2个连接所述辅助电池系统的输入端口b7和b8；
[0062]
8个连接所述垂直起降系统中电子调速器的输出端口m1
‑
m8；
[0063]
连接所述燃料电池系统的端口h01；
[0064]
6个连接所述功率锂电池系统的输入端口b1
‑
b6和2个连接所述辅助电池系统的输入端口b7和b8，通过第一汇流排与8个连接所述垂直起降系统中电子调速器的输出端口m1
‑
m8相连，用于实现功率锂电池系统和/或辅助电池系统向垂直起降系统供电。
[0065]
2个连接所述辅助电池系统的输入端口b7和b8，通过第二汇流排与连接所述燃料电池系统的端口h01，所述h01端口与燃料电池配电盒相连，用于实现向巡航动力系统供电。
[0066]
所述2个连接所述辅助电池系统的输入端口b7和b8，与第一、第二汇流排之间通过
二极管钳制，实现辅助电池系统向垂直起降系统供电和向巡航动力系统供电的两种供电模式，实现了功能复用，降低系统重量，保证安全性。
[0067]
在本发明提供的一个实施例中，所述低压配电盒的结构如图4所示，图中标注的端口信息如下表：
[0068]
端口名称端口设备端口功能b0低压锂电池00低压电池系统输入b01低压锂电池01低压电池系统输入l01燃料电池配电盒燃料电池28v低压输入z01航空器低压负载为28v低压负载供电z02航空器低压负载为28v低压负载供电z03航空器低压负载为12v低压负载供电
[0069]
本发明提供的一个实施例中，所述低压配电盒具体包括：
[0070]
2个连接所述低压电池系统的输入端口b0和b01；
[0071]
1个连接所述燃料电池系统的28v输入端口l01；
[0072]
3个连接航空器低压负载的输出端口z01
‑
z03；
[0073]
1个电压转换器，与汇流排和z03端口相连，用于将28v电压转换为12v电压，为航空器12v低压负载供电；
[0074]
2个连接所述低压电池系统的输入端口b0和b01，通过汇流排与3个连接航空器低压负载的输出端口z01
‑
z03相连；
[0075]
1个连接所述燃料电池系统的28v输入端口l01，通过所述汇流排与3个连接航空器低压负载的输出端口z01
‑
z03相连；
[0076]
在本发明提供的一个实施例中，所述燃料电池配电盒的结构如图5所示，图中标注的端口信息如下表：
[0077]
端口名称端口设备端口功能fc1燃料电池电堆燃料电池电堆输入fc2燃料电池电堆燃料电池电堆输入fc3燃料电池电堆燃料电池电堆输入fc4燃料电池电堆燃料电池电堆输入fc5燃料电池电堆燃料电池电堆输入fc6燃料电池电堆燃料电池电堆输入h01高压配电盒辅助电池系统输入m9尾推电子调速器为尾推电子调速器供电l01低压配电盒燃料电池28v输出
[0078]
所述燃料电池配电盒，具体包括：
[0079]
6个燃料电池电堆输入端口fc1
‑
fc6；
[0080]
1个辅助电池系统输入端口h01，该端口与所述高压配电盒相连；
[0081]
1个尾部推进器电子调速器端口m9；
[0082]
1个低压输出端口l01，该端口与所述低压配电盒相连；
[0083]
1个dcdc转换器，用于将燃料电池输出的电压转换为28v，通过低压配电盒向航空
器低压负载供电；
[0084]
6个燃料电池电堆输入端口fc1
‑
fc6、1个辅助锂电池输入端口h01，通过汇流板与1个尾部推进器电子调速器端口m9相连，用于向航空器尾部推进器供电；
[0085]
6个燃料电池电堆输入端口fc1
‑
fc6、1个辅助电池系统输入端口h01，通过所述汇流板和1个dcdc转换器与1个低压输出端口l01相连，用于向航空器低压负载供电；
[0086]
在本发明提供的一个实施例中，所述电池管理系统的连接关系如图6所示，图中虚线即为通信总线，通行总线连接子电池管理系统和单元电池管理系统，所述子电池管理系统管理每个电池组的使用，所述单元电池管理系统管理与配电盒相连的所有电池组的使用。所述电池管理系统通过通信线与航空器记载电子设备中的电子飞行控制系统(电子飞控系统)相连，用于控制电池的使用。
[0087]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。