一种航空用兆瓦级高压大功率供电系统及其控制方法

1.本技术涉及一种供电系统及其控制方法，属于供电系统领域，尤其涉及一种航空用兆瓦级高压大功率供电系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前在役的航空飞行器的供电系统主要是115v交流系统、270v高压直流系统，其系统输出功率容量最大也仅在500kw左右。因此，尚未研制出适用于航空器的2兆瓦级别的500vdc~800vdc宽范围的可变电压体制的高压供电系统。
3.现有解决大功率输出的技术是基于传统的发电机提供主要的电能，电池是在应急状态下实现短时间的迫降，其供电架构设计无法实现大功率电能的供给，因此无法满足中大型航空器实现垂直起降的需求。目前的供电系统架构不支持兆瓦级别的电能产生，亟需研究产生兆瓦级别的供电系统架构与控制方法，实现兆瓦级别的500vdc~800vdc宽范围的可变电压体制的高压供电系统设计。


技术实现要素：

4.根据本技术的一个方面，提供了一种航空用兆瓦级高压大功率供电系统，该系统将动力电池作为主要的电源，以发动机带动发电机发电作为辅助电源，当起降需要大功率电能时，动力电池和发电机共同提供电能；巡航时，由发电机提供电能，同时给动力电池充电。
5.所述航空用兆瓦级高压大功率供电系统，包括：直流发电机、发电机控制器、电池组、发电机汇流条、电池汇流条、第一负载和第二负载；其中，所述发电机控制器用于对所述直流发电机进行控制，为所述发电机汇流条供电；所述电池组通过电池管理系统bms控制其输出，为所述电池汇流条供电；所述发电机汇流条用于为所述第一负载提供电流汇合处；所述电池汇流条用于为所述第二负载提供电流汇合处；所述发电机汇流条和所述电池汇流条通过汇流条转换接触器btb进行通断。
6.优选地，所述发电机控制器与所述发电机汇流条之间还设有发电机接触器gcb。
7.优选地，所述电池组与所述电池汇流条之间还设有电池接触器bcb。
8.优选地，所述直流发电机输出电压500vdc~800vdc。
9.优选地，所述电池组输入输出电压500vdc~800vdc。
10.根据本技术的又一个方面，提供了一种基于所述航空用兆瓦级高压大功率供电系统的控制方法，包括：发电机和电池组并联给负载供电；当负载需求的功率发生变化时，通过发电机控制器调节发电机的功率输出，使发电机和电池组按照各自容量比例输出功率。
11.进一步地，该方法还包括：当负载的电流需求小于给定阈值时，通过发电机控制器
的调节，使发电机作为电源输出给负载，同时对电池组进行充电。
12.进一步地，该方法还包括：当负载需求的功率变大时，发电机和电池组的输出电流汇合在一起，同时给负载供电，其中所述输出电流的比例与所述发电机和电池组各自的额定容量的比例保持一致。
13.优选地，所述输出电流汇合的导线上的电压根据所述电池组的电压变化从800v调整到600v。
14.进一步地，该方法还包括：当负载需求的功率变小时，发电机以大功率（120kw以上）输出，向第一负载和第二负载供能，同时对所述电池组充电。
15.优选地，所述电池组充电时，所述输出电流汇合的导线上的电压随时间先进入升压模式，从600v逐渐上升，当电压满足所述电池组的恒流充电条件时，进入恒流充电模式。
16.进一步地，该方法包括：（10）使所述汇流条转换接触器btb处于闭合状态，采集电路状态数据发送至发电机控制器，所述电路状态数据包括：发电机控制器输出的励磁电流i1、流经电池接触器bcb的电流i2、发电机汇流条对第一负载的输出电流i3、流经所述汇流条转换接触器btb的电流i4、电池汇流条对第二负载的输出电流i5、发电机控制器输出电压v1、电池组输出电压v2、发电机汇流条两端电压v3、电池汇流条两端电压v4；所述发电机控制器进行如下的判断操作：（101）判断v1与v2大小是否相等；若相等，则闭合发电机接触器gcb，进入步骤（11）；否则，判断v1是否小于v2；（102）若v1《v2，则断开发电机接触器gcb，发电机控制器强励磁控制v1增大，返回步骤（10），否则进入步骤（103）；（103）断开发电机接触器gcb，发电机控制器弱励磁控制v1减小，返回步骤（10）；（11）判断i4是否小于给定阈值，电流从发电机汇流条6流向电池汇流条7，若是则发电机控制器强励磁控制i1增加，返回步骤（10）；否则进入步骤（12）；（12）判断i4是否大于所述给定阈值，电流从电池汇流条7流向发电机汇流条6，若是则发电机控制器弱励磁控制i1减少，返回步骤（10）；否则直接返回步骤（10）。
17.进一步地，该方法包括：（20）使所述汇流条转换接触器btb处于闭合状态，采集电路状态数据发送至发电机控制器，所述电路状态数据包括：发电机控制器输出的励磁电流i1、流经电池接触器bcb的电流i2、发电机汇流条对第一负载的输出电流i3、流经所述汇流条转换接触器btb的电流i4、电池汇流条对第二负载的输出电流i5、发电机控制器输出电压v1、电池组输出电压v2、发电机汇流条两端电压v3、电池汇流条两端电压v4；所述发电机控制器进行如下的判断操作：（21）判断是否存在-ve《v
1-v2《ve，ve为发电机和电池输出电压的差值允许值；若存在，则进入步骤（22）；否则，进入步骤（211）；（211）判断是否存在v
1-v2＞ve；若存在，发电机控制器减弱励磁电流控制v1减小，返回步骤（20）；否则，发电机控制器减弱励磁电流控制v1增加，返回步骤（20）；（22）判断是否存在i2《 i
设定
，i
设定
为电池的充电电流限制值；若存在，则进入步骤（23）；否则，发电机控制器强励磁控制i1增加，返回步骤（20）；
（23）判断是否存在i2= i
设定
；若存在，则返回步骤（20）；否则，发电机控制器弱励磁控制i1减少，则返回步骤（20）。
18.本技术能产生的有益效果包括：1）本技术不再采用传统的固定电压（如28v、270v）供电体制，改用高压可变电压的供电体制，可实现500vdc~800vdc宽范围的供电输出，由此避免了恒压体制中大功率dcdc的使用给系统重量带来的负担。同时本技术减少了线束线缆的重量，在极大地降低系统重量的同时，提高了系统的电压。
19.2）本技术将动力电池作为主要的电源，将发动机带动发电机发电作为辅助电源，当航空器起降需要大功率电能时，动力电池和发电机共同提供电能，巡航时，由发电机提供电能，同时给动力电池充电，实现了对垂直起降航空器的悬停放电和巡航充电的供电管理。
20.由于取消了电池充电器，创新地通过发电机控制器实现充电器功能，本技术也提高了电源容量，降低了系统重量。
21.3）本技术通过发电机控制器对发电机进行控制：一方面，通过调节发电机电压，使发电机和电池组可以并联；另一方面，可以根据负载电流和电池的电流调节发电机输出电流大小，继而实现输出功率的均衡。
22.4）本技术的发电机控制器的调压功能首次采用了数字调压算法，可以根据需要实时跟随电网电压的变化而调整。
附图说明
23.图1为本技术的发电机和电池同时给负载供电架构图；图2为本技术供电时发电机控制器数字调压算法流程图；图3为本技术充电时的系统架构图；图4为本技术充电时发电机控制器数字调压算法流程图。
24.部件和附图标记列表：1、直流发电机，2、发电机控制器，3、电池组，4、电池管理系统bms，5、汇流条转换接触器btb，6、发电机汇流条，7、电池汇流条，8、第一负载，9、第二负载，10、电池接触器bcb，11、发电机接触器gcb。
具体实施方式
25.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
26.其参见图1，其示出了航空器悬停时发电机和电池同时给负载供电系统架构图，该系统包括：直流发电机1、发电机控制器2、电池组3、电池管理系统bms4、汇流条转换接触器btb5、发电机汇流条6、电池汇流条7、第一负载8和第二负载9。发电机控制器2连接直流发电机1并控制其输出，发电机控制器2连接发电机汇流条6，发电机汇流条6连接第一负载8；电池管理系统bms4连接电池组3并控制其输出，电池组3连接电池汇流条7，电池汇流条7连接第二负载9，发电机汇流条6连接汇流条转换接触器btb5，汇流条转换接触器btb5连接电池汇流条7。
27.直流发电机1，用于把机械能转化为直流电能的设备；发电机控制器2，用于控制直流发电机产生的电压进行调压，范围在500vdc~800vdc，并对其参数进行检测和保护的设备；
电池组3作为储能电源，用于储存电能，在负载需求功率小于所述直流发电机的功率时进行储能，当负载需求功率大于所述直流发电机的功率时，释放电能；电池管理系统bms 4，用于对电池组进行状态检测，控制与保护；汇流条转换接触器btb5，用于发电机汇流条和电池汇流条的连接和断开；发电机汇流条6，用于为第一负载8提供电流汇合处；电池汇流条7，用于第二负载9提供电流汇合处；第一负载8，表示连接到发电机汇流条6上的所有的负载；第二负载9，表示连接到电池汇流条7上的所有的负载。
28.该系统还包括发电机接触器gcb 11、电池接触器bcb 10。
29.发电机接触器gcb，用于控制发电机控制器2与发电机汇流条6间的电路通断；电池接触器bcb，用于控制电池组3与电池汇流条7间的电路通断。
30.发电机和电池并联给负载供电的控制逻辑，首先采集电压和电流数据，调整发电机的电压和母线电压一致，进入并网，发电机接触器gcb闭合，根据负载电流需求和电池输出电流参数，来调节发电机的输出电流，实现电流闭环控制，进而进行功率分配，实现发电机和电池的均流控制。
31.图2是本技术悬停时发电机控制器通过数字调压算法控制发电机和电池同时给负载供电的流程图。所述数字调压算法包括：（10）使所述汇流条转换接触器btb处于闭合状态，采集电路状态数据发送至发电机控制器，所述电路状态数据包括：发电机控制器输出的励磁电流i1、流经电池接触器bcb的电流i2、发电机汇流条对第一负载的输出电流i3、流经所述汇流条转换接触器btb的电流i4、电池汇流条对第二负载的输出电流i5、发电机控制器输出电压（也即发电机接触器gcb输入端的电压）v1、电池组输出电压（也即电池接触器bcb输入端的电压）v2、发电机汇流条两端电压v3、电池汇流条两端电压v4；（101）判断v1与v2大小是否相等；若相等，则闭合发电机接触器gcb，进入步骤（11）；否则，判断v1是否小于v2；（102）若v1《v2，则断开发电机接触器gcb，发电机控制器强励磁控制v1增大，返回步骤（10），否则进入步骤（103）；（103）断开发电机接触器gcb，发电机控制器弱励磁控制v1减小，返回步骤（10）；（11）判断i4是否小于给定阈值（本实施例中设置为5a），电流从发电机汇流条6流向电池汇流条7，若是则发电机控制器强励磁控制i1增加，返回步骤（10）；否则进入步骤（12）；（12）判断i4是否大于所述给定阈值，电流从电池汇流条7流向发电机汇流条6，若是则发电机控制器弱励磁控制i1减少，返回步骤（10）；否则直接返回步骤（10）。
32.图3是本发明的充电时的系统架构图。在巡航阶段，发电机发出来的电能一部分给第一负载8供电，一部分依次通过汇流条转换接触器btb 5和电池汇流条7给第二负载9供电，剩下的电流对电池组3进行充电。所述充电分两个阶段，恒流充电阶段和恒压充电阶段。图中，i1= i3 i4，i4= i2 i5。
33.充电阶段的充电策略与流程如下：汇流条转换接触器btb接通，发电机控制器首先采集发电机汇流条6的电压，通过
总线获取电池管理系统bms采集的电池组的电压和充电电流值以及负载电流等参数，通过分析会控制发电机的输出电流的大小，假如电池的充电电流过大，则通过发电机控制器控制发电机输出的电流减小，维持电网电压稳定，此时发电机电压和电池电压保持一致，通过电压闭环控制和电流的闭环控制实现系统充电的控制。
34.图4是本发明的充电时发电机控制器数字调压算法流程图，所述数字调压算法包括：（20）使所述汇流条转换接触器btb处于闭合状态，采集电路状态数据发送至发电机控制器，所述电路状态数据包括：发电机控制器输出的励磁电流i1、流经电池接触器bcb的电流i2、发电机汇流条对第一负载的输出电流i3、流经所述汇流条转换接触器btb的电流i4、电池汇流条对第二负载的输出电流i5、发电机控制器输出电压v1、电池组输出电压v2、发电机汇流条两端电压v3、电池汇流条两端电压v4；所述发电机控制器进行如下的判断操作：（21）判断是否存在-ve《v
1-v2《ve，ve为发电机和电池输出电压的差值允许值；若存在，则进入步骤（22）；否则，进入步骤（211）；（211）判断是否存在v
1-v2＞ve；若存在，发电机控制器减弱励磁电流控制v1减小，返回步骤（20）；否则，发电机控制器减弱励磁电流控制v1增加，返回步骤（20）；（22）判断是否存在i2《 i
设定
，i
设定
为电池的充电电流限制值；若存在，则进入步骤（23）；否则，发电机控制器强励磁控制i1增加，返回步骤（20）；（23）判断是否存在i2= i
设定
；若存在，则返回步骤（20）；否则，发电机控制器弱励磁控制i1减少，则返回步骤（20）。
35.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。