一种机载双向能量变换装置的制作方法

1.本技术属于航空电气系统领域。具体涉及一种机载双向能量变换装置。


背景技术：

2.随着电气系统在波音787、a380、f35等飞机的大规模应用，多电飞机领域相关技术得到了广泛的关注和发展。其中机载270v高压直流电气系统能够适应飞机电气系统负载设备增加、功率等级增大的发展要求，具有结构简单、体积小、重量轻等优势，成为了飞机电气系统发展的热点方向。随着航空电气技术的发展，电作动器逐渐取代传统液压作动器，成为主要的飞行控制机构。电作动器作为大功率电气负载，具有平均功率低，瞬时功率高的特点；作动器在制动和逆载运行时，会向电气系统回馈电能，如果不对再生电能进行有效的处理，会破坏飞机电气系统的稳定性，损坏机载电气设备。
3.在机载汇流条上对大功率电作动器能量回馈的处理方案有两类，第一类是集中式能量耗散，该方案采用能耗电阻将再生电能转换为热能并耗散掉，是目前应用最广泛的方案；第二类是集中式能量存储，该方案采用储能装置将再生电能存储起来，实现能量的回收利用。在第二类方案中，双向能量变换装置被用于连接储能装置与机载270v汇流条，实现能量双向流动的监测与控制。
4.现有机载集中式储能拓扑的能量回馈管理方案的研究侧重于配电控制率及其仿真验证上，通常采用超级电容或者蓄电池作为单一储能装置，并通过一组dc
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dc变换器进行能量双向流动控制。这些方法中的双向变换装置功能单一、体积重量大、功率范围有限、可靠性低，很难适应大功率机载供电系统复杂的工况和严格的体积重量需求。


技术实现要素：

5.本技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种双向能量变换装置，它通过通道结构、变换器拓扑、控制算法和配电逻辑的创新，使所设计的双向能量变换装置实现储能装置与270v高压汇流条的能量双向流动控制功能，具有功率等级高、体积重量小、控制效果稳定和切换逻辑准确的优点。
6.为实现上述效果，本技术的基本构思是：一种机载双向能量变换装置，其特征在于，由双向小功率通道、双向大功率通道、应急泄放通道、应急直通通道和总体控制模块构成；
7.外部设备包括储能装置、270v汇流条和储能装置充电汇流条；所述储能装置分别经双向小功率通道、双向大功率通道和应急直通通道连接270v汇流条，上述各通道相互并联；储能装置经双向小功率通道连接储能装置充电汇流条；应急泄放通道一端连接270v汇流条另一端接地；
8.总体控制模块以弱电信号连接储能装置、双向小功率通道、双向大功率通道、应急直通通道和应急泄放通道，用于采集系统状态信息并进行双向能量流动控制。
9.进一步的，双向小功率通道包括一个输入接口和两个输出接口，其结构包括两组
级联式双向dc
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dc变换器和双向小功率通道控制电路；输入接口对外连接储能装置，对内同时连接两组级联式双向dc
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dc变换器；输出接口对外分别连接270v汇流条和储能装置充电汇流条，对内经直流接触器连接两组级联式双向dc
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dc变换器，直流接触器用于控制第一组dc
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dc变换器输出端在两个输出接口间切换；所述双向小功率通道以恒压限流模式实现储能装置与270v汇流条的小功率双向能量变换，以恒流模式实现储能装置与270v汇流条的小功率双向能量变换，以恒流模式实现储能装置与充电汇流条的小功率双向能量变换。
10.进一步的，所述双向小功率通道控制电路采用带有前馈的双环控制器结构，外环是电压环控制器，内环是带有前馈的电流环控制器；电压环控制器中，电压指令值和电压反馈值相减后经pi调节器得到电流指令值；电流环控制器中，电流指令值和电流反馈值相减后经pi调节器得到pwm信号占空比，与输入输出电压变比相加后，得到最终pwm信号占空比；电流环控制器包括升压和降压两组，采用内部触发器对两组控制器的输出结果进行判定与选择，最终确定全桥四路pwm信号的占空比。
11.进一步的，双向大功率通道包括一组4相交错双向buck/boost变换器和双向大功率通道控制电路，所述4相交错双向buck/boost变换器的输入端和输出端分别连接一个滤波电容，变换器内部由四路相同的buck/boost单元电路并联构成，每路buck/boost单元电路包括2个开关管和1个功率电感；所述双向大功率通道以恒流模式实现储能装置与270v汇流条的大功率双向能量变换。
12.进一步的，所述双向大功率通道控制电路采用恒流模式的双环电流控制器，外环为输出电流控制器，内环为4相电感电流均流控制器，外环电流控制器中，电流指令值和电流反馈值相减后经pi调节器得到pwm信号统一占空比，内环4相电感电流均流控制器中，4路电感电流平均值与各路电感电流值相减后经pi调节器得到各路pwm信号占空比，与pwm信号统一占空比相加后，得到各路最终pwm信号占空比。
13.进一步的，所述应急泄放通道包括大功率开关器件、大功率泄放电阻和控制电路；所述应急泄放通道用于在储能装置发生故障无法吸收再生电能时，通过大功率电阻完成270v汇流条向储能装置的再生电能耗散。
14.进一步的，所述应急直通通道包括高压直流接触器和控制电路；在储能装置以恒压限流模式向270v汇流条供电时，作为双向小功率通道的应急备份，在双向小功率通道发生故障时直接接通储能装置和270v汇流条。
15.进一步的，所述总体控制模块由配电控制器和汇流条稳压控制器组成：所述配电控制器以系统状态信息为输入信号，通过内部逻辑运算，确定双向变换通道的配电逻辑，给出对应通道的开关信号；所述汇流条稳压控制器以配电控制器的配电逻辑为基础，以配电期间汇流条电压稳定为控制目标，计算得到相应通道电流指令，进行稳压控制，实现双向能量流动控制。
16.进一步的，所述配电控制器完成各个通道的配电管理，根据发动机状态、发电机状态、储能装置状态、双向大小功率通道状态和汇流条电压进行配电逻辑判定，给出对应通道的开关信号；在发动机起动阶段，储能装置通过双向小功率通道和应急直通通道向起发电机供电，在发电阶段主发电机发生故障时，若双向功率通道正常，储能装置经双向小功率通道以恒压限流模式向270v汇流条应急供电，若双向功率通道故障，储能装置经应急直通通道直接连接270v汇流条；在发电阶段主发电机正常工作时，若储能装置发生故障，能耗电阻
经应急泄放通道耗散回馈电能，若储能装置正常，根据汇流条电压继续进行配电控制，若汇流条电压稳定，双向功率通道正常，储能装置经双向小功率通道和双向大功率通道进行容量调节，若双向功率通道故障，中止容量调节，若汇流条不稳定，双向功率通道正常，储能装置经双向小功率通道和双向大功率通道进行汇流条稳压控制，若双向功率通道故障，能耗电阻经应急泄放通道耗散回馈电能，进行应急稳压控制；在容量调节期间，根据储能装置的规定容量区间进行开关逻辑判定，若超过最大规定容量，则进行储能装置放电，直至容量恢复区间中位数，若低于最小规定容量，则进行储能装置充电，直至容量恢复区间中位数；在能耗电阻回馈电能耗散期间，当汇流条电压超过280v，则打开应急泄放通道，直至汇流条电压小于275v。
17.进一步的，所述汇流条稳压控制器完成汇流条稳压控制，维持机载供电系统的稳定性；汇流条稳压控制器以汇流条电压和汇流条负载电流为输入信号，经过逻辑判定和控制率计算，输出各通道电流指令值，控制双向能量流动：当电流指令为正时，双向功率通道控制储能装置向汇流条输出能量，当电流指令值为负时，双向功率通道控制储能装置从汇流条吸收能量，当电流指令值为零时，对应双向功率通道关闭，减小变换装置的导通损耗；汇流条稳压控制器的电流指令值由开关逻辑和控制率计算结果综合决定，其中开关逻辑根据汇流条电压和其微分值的大小决定，控制率的计算结果根据带有负载电流前馈的电压pid控制器决定，当开关逻辑为“关”时，控制率计算结果被置0；汇流条稳压控制器的开关逻辑可以概括为：当汇流条电压高于280v，或者汇流条电压高于275v且其微分大于1500v/s时，开启大功率能量补偿，直至汇流条电压小于275v，当汇流条电压低于252v，或者汇流条电压小于258v且其微分小于
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4000v/s时，开启大功率能量回馈吸收，直至汇流条电压大于258v，当汇流条电压高于275v时，开启小功率能量回馈吸收，直至汇流条电压小于270.5v；在大功率能量回馈吸收期间，禁止小功率能量回馈吸收；汇流条稳压控制器的控制率是带有负载电流前馈的电压pid控制，汇流条电压微分由具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取，电流前馈能提高控制器在不同负载水平下的稳定性。
18.本技术技术方案具有如下有益的技术效果：
19.系统性的设计了具有多通道结构的双向能量变换装置，设计了相应的配电逻辑和控制算法，能够适应小功率双向能量变换、大功率双向能量变换、应急泄放和应急直通等多种双向能量变换需求，具有功能全面、控制效果稳定、可靠性高的优点。
20.本技术通过创新型的设计了机载供电系统的双向能量变换装置，实现了储能装置与机载汇流条的双向能量流动控制，解决了机载大功率电作动器负载能量回馈的问题，提高了机载供电系统的稳定性，具有功率等级高、体积重量小、控制效果稳定和切换逻辑准确的优点
附图说明
21.图1是本技术的整体结构示意图；
22.图2是双向小功率通道级联式dc
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dc变换器控制结构示意图；
23.图3是双向大功率通道级4相交错buck/boost双向dc
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dc变换器控制结构示意图；
24.图4是总体控制模块配电控制器结构示意图；
25.图5是总体控制模块汇流条稳压控制器结构示意图；
26.附图标记：
27.其中：100、双向能量变换装置；110、双向小功率通道；120、双向大功率通道；130、应急泄放通道；140、应急直通通道；150、总体控制模块；151、配电控制器；152、汇流条稳压控制器；200、储能装置；300、270v汇流条；400、储能装置充电汇流条。
具体实施方式
28.在附图中示出了根据本技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
29.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。在本技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
32.参见图1，本技术是一种机载供电系统的双向能量变换装置，它以多个能量双向流动通道为核心，结合相应的配电逻辑和控制算法，实现储能装置200与270v汇流条300(270v汇流条300为高压直流汇流条)的能量双向流动控制。它由双向小功率通道110、双向大功率通道120、应急泄放通道130、应急直通通道140和总体控制模块150构成；所述双向小功率通道110由两组级联式双向dc
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dc变换器和相应的控制电路构成；所述双向大功率通道120由一组4相交错双向buck/boost变换器和相应的控制电路构成；所述应急泄放通道130由大功率开关器件、大功率泄放电阻和相应的控制电路构成；所述应急直通通道140由高压直流接触器和相应的控制电路构成。双向能量变换装置的外部设备包括储能装置200、270v汇流条300和储能装置200充电汇流条，变换装置与外部设备的连接关系是：储能装置200分别经双向小功率通道110、双向大功率通道120和应急直通通道140连接270v汇流条300，各个通道属于并联关系；储能装置200经双向小功率通道110连接储能装置200充电汇流条；应急泄放通道130一端连接270v汇流条300，另一端接地；总体控制模块150以弱电信号连接储能装置200、双向小功率通道110、双向大功率通道120、应急直通通道140和应急泄放通道130，实现系统状态信息的采集与双向能量流动控制。
33.如图1所示，所述双向小功率通道110完成小功率双向能量变换及控制。双向小功率通道110有一个输入接口和两个输出接口，其结构包括两组级联式双向dc
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dc变换器和控制电路；输入接口对外连接储能装置200，对内同时连接两组级联式双向dc
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dc变换器；输出接口对外分别连接270v汇流条300和充电汇流条，对内经直流接触器连接两组级联式双向
dc
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dc变换器，通过接触器能够控制第一组dc
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dc变换器分别与两个输出接口的断开或接通。双向小功率通道110的主要功能是：以恒压限流模式实现储能装置200与270v汇流条300的小功率双向能量变换；以恒流模式实现储能装置200与270v汇流条300的小功率双向能量变换；以恒流模式实现储能装置200与充电汇流条的小功率双向能量变换。
34.见图2，所述双向小功率通道110具有恒压限流模式和恒流模式两种工作模式。恒压限流模式以稳定输出端汇流条电压为控制目标，在限定电流范围内进行稳压控制；恒流模式以输出指令电流值为控制目标。采用带有前馈的双环控制器结构，外环是电压环控制器，内环是带有前馈的电流环控制器；电压环控制器中，电压指令值和电压反馈值相减后经pi调节器得到电流指令值；电流环控制器中，电流指令值和电流反馈值相减后经pi调节器得到pwm信号占空比，与输入输出电压变比相加后，得到最终pwm信号占空比；电流环控制器包括升压和降压两组，采用内部触发器对两组控制器的输出结果进行判定与选择，最终确定全桥四路pwm信号的占空比。双向小功率通道110控制器结构的创新之处在于，将输入输出电压变比作为前馈信号融入电流环控制器的计算结果，根据含有电压变比信息的控制器结果进行升降压模式的判定和切换，避免了只通过电压变比进行模式判定和切换时，切换瞬间控制器输出结果突变的问题。
35.见图1和图3，所述双向大功率通道120完成大功率双向能量变换及控制。双向大功率通道120包括一组4相交错双向buck/boost变换器和控制电路；变换器的输入输出端分别连接1个滤波电容，变换器内部由四路相同的buck/boost单元电路并联构成，每路buck/boost单元电路包括2个开关管和1个功率电感。双向大功率通道120的功能是以恒流模式实现储能装置200与270v汇流条300的大功率双向能量变换。双向大功率通道120的控制采用恒流模式的双环电流控制器，外环为输出电流控制器，内环为4相电感电流均流控制器；外环电流控制器中，电流指令值和电流反馈值相减后经pi调节器得到pwm信号统一占空比；内环4相电感电流均流控制器中，4路电感电流平均值与各路电感电流值相减后经pi调节器得到各路pwm信号占空比，与pwm信号统一占空比相加后，得到各路最终pwm信号占空比。双向大功率通道120的创新之处在于：通过4相分流，能够减小开关器件的电流应力，进而采用开关频率更高的大功率mosfet器件，降低功率电感的重量；通过4相交错均流，能够极大地降低输出总电流的波动，进而降低输出滤波电容的容量需求和重量。
36.见图1，所述应急泄放通道130完成270v汇流条300向储能装置200的再生电能耗散。应急泄放通道130包括大功率开关器件、大功率泄放电阻和相应的控制电路。它的功能是在储能装置200发生故障，无法吸收再生电能时，通过大功率电阻将回馈的电能耗散掉，防止汇流条过电压。
37.见图1，所述应急直通通道140完成储能装置200向270v汇流条300的应急直通供电。应急直通通道140包括高压直流接触器和相应的控制电路。它的功能是在储能装置200以恒压限流模式向270v汇流条300供电时，作为双向小功率通道110的应急备份，在双向小功率通道110发生故障时直接接通储能装置200和270v汇流条300。
38.见图1，所述总体控制模块150通过采集系统状态信息，完成双向能量流动控制。总体控制模块150以系统状态信息为输入信号，以各通道的开关信号和电流指令为输出信号进行双向能量流动控制，它由配电控制器151和汇流条稳压控制器152组成：配电控制器151以系统状态信息为输入，通过内部逻辑运算，确定双向变换通道的配电逻辑，给出对应通道
的开关信号；汇流条稳压控制器152以配电控制器151的配电逻辑为基础，以配电期间汇流条电压稳定为控制目标，计算通道电流指令，进行稳压控制。总体控制模块150的功能是根据起动/发电机状态、储能装置200状态、双向变换通道状态和汇流条电压进行配电控制，其主要功能包括对270v汇流条300的稳压控制和对储能装置200的容量调节。
39.见图4，所述总体控制模块150的配电控制器151完成各个通道的配电管理，它根据发动机状态、发电机状态、储能装置200状态、双向大小功率通道状态和汇流条电压进行配电逻辑判定，给出对应通道的开关信号。在发动机起动阶段，储能装置200通过双向小功率通道110和应急直通通道140向起发电机供电；在发电阶段主发电机发生故障时，若双向功率通道正常，储能装置200经双向小功率通道110以恒压限流模式向270v汇流条300应急供电，若双向功率通道故障，储能装置200经应急直通通道140直接连接270v汇流条300；在发电阶段主发电机正常工作时，若储能装置200发生故障，能耗电阻经应急泄放通道130耗散回馈电能，若储能装置200正常，根据汇流条电压继续进行配电控制；若汇流条电压稳定，双向功率通道正常，储能装置200经双向小功率通道110和双向大功率通道120进行容量调节，若双向功率通道故障，中止容量调节；若汇流条不稳定，双向功率通道正常，储能装置200经双向小功率通道110和双向大功率通道120进行汇流条稳压控制，若双向功率通道故障，能耗电阻经应急泄放通道130耗散回馈电能，进行应急稳压控制。在容量调节期间，根据储能装置200的规定容量区间进行开关逻辑判定，若超过最大规定容量，则进行储能装置200放电，直至容量恢复区间中位数；若低于最小规定容量，则进行储能装置200充电，直至容量恢复区间中位数。在能耗电阻回馈电能耗散期间，当汇流条电压超过280v，则打开应急泄放通道130，直至汇流条电压小于275v。
40.见图5，所述总体控制模块150的汇流条稳压控制器152完成汇流条稳压控制，维持机载供电系统的稳定性。汇流条稳压控制器152的功能包括大功率能量补偿、大功率能量回馈吸收和小功率能量回馈吸收。它以汇流条电压和汇流条负载电流为输入信号，经过逻辑判定和控制率计算，输出各通道电流指令值，控制双向能量流动：当电流指令为正时，双向功率通道控制储能装置200向汇流条输出能量；当电流指令值为负时，双向功率通道控制储能装置200从汇流条吸收能量；当电流指令值为零时，对应双向功率通道关闭，减小变换装置的导通损耗。汇流条稳压控制器152的电流指令值由开关逻辑和控制率计算结果综合决定，其中开关逻辑根据汇流条电压和其微分值的大小决定，控制率的计算结果根据带有负载电流前馈的电压pid控制器决定，当开关逻辑为“关”时，控制率计算结果被置0。汇流条稳压控制器152的开关逻辑可以概括为：当汇流条电压高于280v，或者汇流条电压高于275v且其微分大于1500v/s时，开启大功率能量补偿，直至汇流条电压小于275v；当汇流条电压低于252v，或者汇流条电压小于258v且其微分小于
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4000v/s时，开启大功率能量回馈吸收，直至汇流条电压大于258v；当汇流条电压高于275v时，开启小功率能量回馈吸收，直至汇流条电压小于270.5v；在大功率能量回馈吸收期间，禁止小功率能量回馈吸收。汇流条稳压控制器152的控制率是带有负载电流前馈的电压pid控制，汇流条电压微分由具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取，电流前馈能提高控制器在不同负载水平下的稳定性。总体控制模块150的汇流条稳压控制器152的创新之处在于：通过引入汇流条电压微分信号，提高了开关逻辑的响应速度，提升了稳压控制器对瞬时大功率负载波动的抑制能力；通过加入汇流条负载电流前馈，改善了稳压控制器在不同负载水平下的控制效果。
41.本技术技术方案具有以下有益的技术效果：
42.(1)系统性的设计了具有多通道结构的双向能量变换装置，设计了相应的配电逻辑和控制算法，能够适应小功率双向能量变换、大功率双向能量变换、应急泄放和应急直通等多种双向能量变换需求，具有功能全面、控制效果稳定、可靠性高的优点。
43.(2)所述双向小功率通道采用双并联级联式dc
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dc变换器结构，能够同时与充电汇流条和270v汇流条进行能量交换的功能，确保了储能装置容量调节的可靠性，提高了配电控制的灵活性。双向小功率通道采用具有电压变比前馈的控制器结构，实现了升降压模式的平滑过渡，提高了能量双向流动控制的稳定性。
44.(3)所述双向大功率通道采用4相交错buck/boost双向dc
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dc变换器拓扑，大大减小了通道的重量，大大减小了输出电流纹波，提高了能量双向流动控制的性能。变换器通过4相分流减小开关器件的电流应力，提高了开关频率，减小了功率电感的重量；同时通过4相交错均流控制，极大地降低输出总电流的波动，进而降低输出滤波电容的容量需求和重量。
45.(4)所述总体控制模块的配电控制器综合发动机状态、发电机状态、储能装置状态、双向大小功率通道状态和汇流条电压进行配电管理，首次对集中储能式能量回馈管理系统的逻辑树进行了归纳，确保了配电控制逻辑的准确性和完善性。
46.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。