一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案

一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案
所属技术领域
1.本发明属于航空电推进技术领域，更具体地，涉及一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案。


背景技术：

2.当今世界面临着化石燃料枯竭、环境污染加剧等严峻问题，航空工业作为引发能源危机的根本原因之一已将节能减排、清洁高效列为首要发展目标。多电/全电飞机的出现成为解决当前问题的重要举措，其动力系统技术进步与革新是提升燃油利用率、降低排放的必要保证。混合动力推进技术融合多动力和能源的优势，已成为多电/全电飞机的可行和可预期的选择。
3.实现大功率混合动力推进技术需要功率密度大、能量转换效率高的机载发电机，传统电机的功率密度通常在0.5kw/kg-2.5kw/kg，mw级功率需求电机重量则接近吨级，无法适用于大功率航空电推进。大功率超导发电机采用高载流密度和低损耗的超导材料，大幅减小体积与重量，其功率密度能够实现10kw/kg，但由于超导材料需要严苛的低温工作环境，当前阶段普遍采用以液氦、液氮等工质的制冷机，结构复杂、质量体积庞大的低温制冷装置限制了超导发电机的实际应用。
4.实现大功率混合动力推进技术需要多动力源和能量源，传统航空发动机实现大功率输出需要消耗大量燃料，同时会释放大量的co2、no
x
等空气污染物，而且超导发电机冷却工质汽化后的气体无法实现循环利用。传统电推进系统由单一的大功率电动机和大直径风扇组成，配置方式单一、控制灵活度低，对于大功率电推进飞机的气动设计和集成控制提出很大的挑战。
5.因此本发明专利针对以上大功率航空电推进系统面临的问题，使用机载液氢储罐实现超导发电机的冷却，将液氢汽化后产生的氢气作为氢燃料电池的燃料，通过混合动力系统控制器动态调配超导发电机、氢燃料电池和蓄电池输出功率，采用分布式电推进系统提高推进效率并保证大功率电力需求，大幅提高能源利用率并减小燃料消耗。


技术实现要素：

6.为解决传统航空推进系统燃料消耗大、功率密度低的问题，同时克服机载发电机的冷却与能源无法有效利用的难题，本发明提供一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案，通过机载液氢储罐实现超导发电机的冷却，氢燃料电池回收利用冷却汽化产生的氢气提高能源利用率，超导发电机、氢燃料电池和蓄电池共同向多个较小功率电动机和小直径风扇组成的分布式电推进系统供电，通过部件控制器和混合动力系统控制器提高系统能量转换效率和飞机推进效率。
7.为实现上述目的，本发明是适用于大功率航空分布式电推进的一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案，其特征在于，主要包括航空发动机、超导发电机、液氢储罐、氢燃料电池、蓄电池、电动机、风扇和各部件控制单元；液氢储罐、超导发电机和氢燃
料电池可以实现机载电机冷却和氢能源再利用，超导发电机、氢燃料电池、蓄电池均可发电供给分布式排列的多个电动机，通过混合动力系统控制器和电机控制器合理分配、调度和优化各部件参数满足大功率航空电推进的电力提取需求。
8.所述液氢储罐通过自身增压系统向超导发电机供给冷却工质液氢，液氢完成超导发电机、线缆导管和功率转换单元等部件冷却后汽化成气氢，气氢通过加热器升温至环境温度后流向氢燃料电池的阳极，同阴极空气发生化学反应产生电能，实现机载超导发电机冷却和氢能源的重复利用。
9.所述航空发动机-超导发电机、氢燃料电池和蓄电池均可发电供给电动机，电机控制器根据实时推进需求动态控制分布式排列的多个小功率电动机，混合动力系统控制器通过can总线和飞机集成控制器完成多种能量源、动力源的合理分配，满足飞机不同飞行姿态和任务下的电力需求。
10.所述混合动力系统控制器通过能量管理策略动态调配航空发动机-超导发电机、蓄电池和氢燃料电池三者的输出功率，根据系统实时需求功率、部件运行参数等信息采用基于功率跟踪控制的能量管理算法完成航空发动机和蓄电池工作模式的切换，实现不同飞行任务下最小化燃料消耗、污染物排放和最大化能量转换效率。
11.优选的是，所述液氢储罐向超导发电机、线缆管路和功率转换器件等供给用于部件低温冷却的20k液氢，不需要其它制冷设备即可有效完成对机载超导发电机和低温管路的冷却。
12.优选的是，所述氢燃料电池从待冷却部件后端获得汽化后的气氢，加热处理后将其作为化学反应的阳极，同阴极氧气发生反应产生电能。
13.优选的是，所述蓄电池、超导发电机和氢燃料电池均可产生电能供给分布式推进系统，通过混合动力系统控制器和电机控制器合理地分配与调度满足飞机不同电力提取需求。
14.优选的是，所述混合动力系统控制器通过基于功率跟踪控制的能量管理策略动态调配航空发动机-超导发电机、蓄电池和氢燃料电池的输出功率，实现不同飞行任务下燃料消耗最小化和能量转换效率最大化。
15.总体而言，通过本发明的适用于大功率航空分布式电推进的基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案与现有动力推进系统相比，能够取得下列有效增益：
16.1本发明提供的一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案，实现超导发电机的机载冷却和氢能源的有效利用，提高混合动力系统功率密度和能源利用率。
17.2本发明提供的一种基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案，多种动力源和能量源可以为分布式电推进系统供电，混合动力系统控制器和电机控制器通过能量管理策略有效分配与调度，满足大功率飞行器电力提取需求。
附图说明
18.为了更清楚的说明本发明实施例，下面对实施例中的附图作简要介绍，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
19.图1是实施例提供的基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案架构示意图；
20.图2是实施例提供的基于液氢储罐的机载超导发电机冷却和氢能源回收利用原理示意图；
21.图3是实施例提供的混合动力系统控制器同各分部件控制单元总线交互关系示意图；
22.图4是实施例提供的一种基于功率跟踪控制的混合动力能源制冷一体化系统能量管理策略；
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.图1是实施例提供的适用于大功率航空分布点推进的基于超导发电机的混合动力能源制冷一体化方案架构示意图，包括航空发动机、超导发电机、液氢储罐、氢燃料电池、蓄电池、电动机和风扇等基本部件，发动机控制单元(ecu)、燃料电池控制器(fcu)、蓄电池管理系统(bms)、飞机集成控制器、电机控制器(mcu)和混合动力系统控制器(hcu)等控制部件。
25.航空发动机和超导发电机、电动机和风扇以机械形式连接，利用电动机具有相对尺度近似无关特性，将一个大功率电动机和大直径风扇系统分解为多个较小功率电动机和较小直径风扇的组合，实现分布式电推进从而提高动力系统性能和飞行器气动效率。
26.液氢储罐、超导发电机和氢燃料电池以管路形式连接，液氢流经超导发电机换热器后汽化成气氢，后者经过受控加热器流向氢燃料电池阳极发电。
27.超导发电机、氢燃料电池、蓄电池、电动机均以电力形式连接，通过集成控制器完成电能的有效转换和利用。
28.ecu、fcu、bms、mcu和hcu等控制单元通过can总线通信连接，实时交互部件参数实现混合动力系统总体控制。
29.图2是实施例提供的基于液氢储罐的机载超导发电机冷却和氢能源回收利用原理示意图，主要包括液氢储罐、超导发电机热交换器、线缆导管和功率转换单元热交换器、受控加热器和氢燃料电池。
30.液氢储罐通过自身增压系统将液氢lh2以管路形式输送至超导发电机热交换器、线缆导管等冷却部件，传递过程将产生一定数值的寄生热耗。
31.部件冷却后20k液氢lh2汽化成30k气氢gh2，由于功率转换单元自身产热，流经功率转换单元热交换器后温度可以升高至50k，此过程同样存在寄生热耗。
32.受控加热器将液氢、气氢等混合物升温至环境温度，产生的氢气流向氢燃料电池的阳极，同阴极发生反应产生电能。
33.图3是实施例提供的混合动力系统控制器同各分部件控制单元总线交互关系示意图，包括混合动力系统控制器(hcu)、发动机控制单元(ecu)、燃料电池控制器(fcu)、蓄电池管理系统(bms)、飞机集成控制器、电机控制器(mcu)和指示系统等控制单元。
34.ecu、fcu、bms、mcu和飞机集成控制器通过can总线向hcu反馈部件运行状态，hcu结
合系统总体需求功率通过自身能量管理控制策略来完成对三种能量源的分配与调度，实时混合动力系统参数可以通过指示系统显示。
35.航空发动机以机械方式连接超导发电机，两者作为混合动力系统的主要动力，通过燃烧将燃料内能转化为机械能驱动超导发电机，发动机控制单元ecu通过can总线连接混合动力系统控制器hcu，实时监测发动机转速、转矩和工作模式。
36.氢燃料电池通过控制器fcu实现与混合动力系统控制器hcu交互控制，fcu实时监测氢燃料电池的电压、电流、工作温度和气体流量等参数反馈至hcu，hcu根据混合动力系统总体需求功率及其他动力源、能量源的工作状态向fcu发送模式指令。
37.蓄电池选用高功率密度和高能量密度的锂电池，产生直流电通过集成控制器中dc/ac转换器转化为交流电供给电动机，是系统的辅助动力源。
38.蓄电池可以多次充放电操作来实现对系统功率削峰填谷，在混合动力系统需求功率较小、电池电量较低且航空发动机位于最佳燃油消耗工作点附近时，可以将多于电能为蓄电池充电，以防止在航空发动机故障模式下，蓄电池电量足以使飞机安全降落。
39.蓄电池通过dc/dc转换器将自身高压直流电转化为低压直流电，供给飞机低压供电系统。
40.电机控制器mcu将多个小电机的实际转速、扭矩和工作模式通过can总线反馈至混合动力系统控制器hcu，hcu结合实际所需推进功率向mcu发送模式指令，实现多个小推进系统的分布式控制。
41.混合动力系统控制器hcu根据集成控制器指令调整油门杆位置，计算航空发动机、氢燃料电池、蓄电池和电动机的功率分配方案，并将系统实时参数显示在指示系统。
42.图4是实施例提供的一种基于功率跟踪控制的混合动力能源制冷一体化系统能量管理策略，航空发动机-超导发电机、氢燃料电池和蓄电池均可产生电能供给分布式电推进系统，混合动力系统控制器hcu判断飞机总体需求功率和工作模态，采用基于功率跟踪控制的能量管理策略分配、调度三种能量源来满足飞机不同飞行姿态和任务下的电力需求。
43.表1为涉及到的系统参数 参数单位发动机输出功率p
eng
kw发动机功率上限值p
up_eng
kw发电机功率下限值p
low_eng
kw氢燃料电池输出功率p
fc
kw蓄电池输出功率p
bat
kw蓄电池荷电状态soc％蓄电池荷电状态上限值soc
up
％蓄电池荷电状态下限值soc
low
％混合动力系统需求功率p
req
kw
44.根据飞行器飞行任务剖面线获取飞行速度、飞行高度和航时等控制信息，输入至飞行控制器。
45.假定液氢储罐中冷却工质充足，能够完成飞行任务下超导发电机的冷却，产生足够的氢气供给氢燃料电池产生电能。
46.混合动力系统功率级别为兆瓦级，发动机为主要动力源，蓄电池和氢燃料电池为辅助动力源，其中氢燃料电池功率等级为百千瓦级。
47.计算得到混合动力系统总需求功率p
req
，获取系统主要动力源和能量源运行参数，航空发动机输出功率p
eng
，蓄电池输出功率p
bat
和氢燃料电池输出功率p
fc
。
48.根据系统需求功率p
req
和发动机功率上限值p
up_eng
、下限值p
low_eng
数值关系分为以下情况：
49.(1)当p
req
》p
up_eng
时，氢燃料电池首先放电，然后判断p
req
》p
up_eng
p
fc
，如果成立，则继续判断电池荷电状态soc》soc
low
，式子成立则控制蓄电池放电，若不成立调整发动机工作点，增加发动机的输出功率，此时燃油消耗继续增大；如果p
req
》p
up_eng
p
fc
式子不成立，则直接适当减小发动机输出功率。
50.(2)当p
low_eng
《p
req
《p
up_eng
时，氢燃料电池首先放电，然后判断p
low_eng
《p
req-p
fc
《p
up_eng
，若式子成立，则继续判断电池荷电状态soc《soc
up
，式子成立则将发动机产生的多余电能为蓄电池充电，若不成立则使蓄电池放电，同时减小发动机输出功率，保证其运行在最佳燃油消耗工作点，减小燃油消耗；如果p
low_eng
《p
req-p
fc
《p
up_eng
式子不成立，则直接调整发动机工作点。
51.(3)当p
req
《p
low_eng
时，系统需求功率较小，控制氢燃料电池首先放电，然后判断soc》soc
low
，若式子成立，则控制蓄电池放电，同时发动机控制单元关闭发动机，蓄电池和燃料电池产生的功率可满足需求功率；若式子不成立，则发动机继续工作，并将多余的电能为蓄电池充电，实现蓄电池荷电状态soc充放电平衡。
52.混合动力系统控制器重复上述流程直至覆盖飞行任务时间内所有采样点，通过基于功率跟踪控制的能量管理策略实时调配发动机、蓄电池和氢燃料电池输出功率。
53.以上实施例仅用以清楚说明本发明的技术及特点，以便所属领域的普通技术人员容易理解并加以实施，并不用以限制本发明，凡是未脱离本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。