CN108075540B - 一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法，属于混合能源动力***。该***包括：动力电池模组、动力电池模组监测***、微控制单元、超级电容模组、超级电容模组监测***、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼***等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间。根据本发明的大功率能源动力***及控制方法，可以实现直升机对能量和功率要求的分离；超级电容器快速、高效充放电的特性可以缓解大电流对能源动力***的冲击，延长能源动力***的循环使用寿命，同时能够最大限度地回收制动能量。

Description

一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法
技术领域
本发明属于混合能源动力***，更为具体地讲，是一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法。
技术背景
直升机主要由机体、旋翼、动力、转动等四大***以及机载飞行设备等组成，其具备垂直起降、悬停、巡航以及快速转变航向等特点，被广泛应用于运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。直升机起飞功率需求较大，通常是巡航飞行功率的14倍左右，为了平衡飞行性能指标，需要动力***的比能量和比功率都比较大，而现有的动力电池高功率放电能力明显不足；直升机的制动能量通常以热能的形式消失在空气中，提高直升机的能量利用率就需要我们最大限度地回收制动能量，而通常的动力电池基本属于化学电池，需要一定时间才能进行回收，以至于能量回收效率不高；直升机在起飞、加速上升时需要大电流放电，制动时大电流充电，很容易造成动力电池的损坏，影响其循环使用寿命，通常的动力电池会在循环充放电2000次后出现明显衰减。
超级电容器作为一种新型的储能装置，其具备功率密度高，通常是动力电池的10倍左右；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次以上；充电速度快，充电10秒到10分钟可达到其额定容量的95％以上；能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥95％；安全系数高，长期使用免维护等优点，但超级电容器的比能量太低、自放电大等缺点，无法作为单一动力源进行输出供能。
本发明主要针对直升机，设计超级电容模组和动力电池模组组成的大功率能源动力***及控制方法方案，解决传统动力***功率密度低、循环寿命短、制动能量回收效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有直升机动力***的缺点，提供一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法，根据本发明的大功率能源动力***及控制方法，可以实现直升机对能量和功率要求的分离；超级电容器快速、高效充放电的特性可以缓解大电流对大功率能源动力***的冲击，延长大功率能源动力***的循环使用寿命，同时能够最大限度地回收制动能量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于直升机的大功率能源动力***，大功率能源动力***包括：动力电池模组、动力电池模组监测***、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测***、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼***等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间；微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测***和动力电池模组监测***；超级电容模组和动力电池模组通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测***控制第一继电器，动力电池模组监测***控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼***；
所述的DC/AC转换器，超级电容模组监测***控制第一继电器，动力电池模组监测***控制第二继电器，通过不同的工作模式，控制继电器的通断状态，促使超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输。
所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组(Uc)，动力电池模组(Ub)，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，为滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组(Uc)并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组(Ub)与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
当开关管S4导通时，滤波电感L4和滤波电容C1蓄能，向超级电容模组电压Uc端充电；当开关管S4关断时，滤波电容C1向超级电容模组电压Uc端充电，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组充电，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax。
当开关管S1、S2、S3导通时，电流通过滤波电感L1、L2、L3时会在L1、L2、L3中存储能量，此时电机负载上的电压由滤波电容C2放电提供；当开关管S1、S2、S3关断时，电感L1、L2、L3通过续流二极管D1、D2、D3释放能量，输出电压为超级电容模组电压Uc与滤波电感L1、L2、L3产生的电压相加，提高了输入电压，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组共同放电。同时三个开关管S1、S2、S3通断时间均匀错开，能够降低输出纹波，增大输出电流。
一种用于直升机的大功率能源动力***的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于巡航飞行状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于减速或制动状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
相比现有动力***，本发明具有以下优点：
1.实现直升机对能量和功率要求的分离。动力电池设计可以集中于对比能量要求的考虑，使大功率能源动力***的比能量和比功率的性能都能得到提升。
2.提高大功率能源动力***的循环使用寿命。当电机的需求功率若超过一定值，则多余部分由超级电容模组承担；在制动过程中，超级电容参与制动能量回收，缓解大电流对大功率能源动力***的冲击，使动力电池充放电电流不超过设定值，同时可以提高充放电效率。
3.最大限度地回收制动能量。在直升机减速或制动时，电机工作在发电状态将动能转化为电能，超级电容可以迅速高效实施再充电，有效提高了能量使用的效率。
3.附图说明
图1为本发明的直升机大功率能源动力***框架图
图2为本发明的直升机大功率能源动力***控制结构流程图
图3为本发明的直升机大功率能源动力***超级电容模组充电流程图
图4为本发明的直升机大功率能源动力***三个滤波回路的DC/DC转换器电路设计图
其中：——代表电连接，
Figure BDA0001509513850000041
代表机械连接
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种用于直升机的大功率能源动力***及控制方法，大功率能源动力***包括：动力电池模组、动力电池模组监测***、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测***、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼***等零部件，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间。
一种用于直升机的大功率能源动力***的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；当直升机处于巡航飞行状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；当直升机处于减速或制动状态时，MCU获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
如图1所示，给出了该直升机大功率能源动力***框架图，微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度等状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度等状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测***和动力电池模组监测***；超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测***控制第一继电器，动力电池模组监测***控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼***。图中细实线箭头方向代表电连接，粗实线代表机械连接。
如图2所示，给出了该直升机大功率能源动力***控制结构流程图，首先判断功率需求Pdemand是否大于0，大于0，此时***需要放电；再将功率需求Pdemand与特定功率P0进行对比，功率需求Pdemand大于动力电池模组的特定功率P0，超级电容模组和动力电池模组共同放电；功率需求Pdemand小于动力电池模组的特定功率P0，动力电池模组单独放电。小于0，此时***需要充电；再将此时超级电容实际电压Uc与0.9Uc-max进行对比，超级电容实际电压Uc小于0.9Uc-max，超级电容模组充电，超级电容实际电压Uc大于0.9Uc-max，动力电池模组充电。
如图3所示，给出了该直升机大功率能源动力***超级电容模组充电流程图，首先判断超级电容模组Uc是否大于0.6Uc-max，当Uc小于0.6Uc-max，超级电容模组开始充电；当Uc大于0.6Uc-max，再对Uc是否小于0.9Uc-max进行判断，若小于0.9Uc-max则继续充电，大于0.9Uc-max则停止充电。
如图4所示，所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组(Uc)，动力电池模组(Ub)，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，为滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组(Uc)并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组(Ub)与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
其中Uc是超级电容模组电压，Ub是动力电池模组电压，S1、S2、S3、S4为开关管，L1、L2、L3、L4为滤波电感，D1、D2、D3、D4为续流二极管，C1和C2为滤波电容，S1、L1、D1组成通道1，S2、L2、D2组成通道2、S3、L3、D3组成通道3，三个通道并联，且开关周期相同、通断时间相同。
当开关管S4导通时，滤波电感L4和滤波电容C1蓄能，向超级电容模组电压Uc端充电；当开关管S4关断时，滤波电容C1向超级电容模组电压Uc端充电，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组充电，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax。
当开关管S1、S2、S3导通时，电流通过滤波电感L1、L2、L3时会在L1、L2、L3中存储能量，此时电机负载上的电压由滤波电容C2放电提供；当开关管S1、S2、S3关断时，电感L1、L2、L3通过续流二极管D1、D2、D3释放能量，输出电压为超级电容模组电压Uc与滤波电感L1、L2、L3产生的电压相加，提高了输入电压，此时DC/DC转换器完成动力电池模组对超级电容模组共同放电。同时三个开关管S1、S2、S3通断时间均匀错开，能够降低输出纹波，增大输出电流。
以上实施方式只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对其限制，任何不超出本专利思路的组合，增加或修改，尤其是大功率能源动力***分配设计方案与控制方法，均落入本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于直升机的大功率能源动力***，大功率能源动力***包括：动力电池模组、动力电池模组监测***、微控制单元(MCU)、超级电容模组、超级电容模组监测***、DC/DC转换器控制器、DC/DC转换器、DC/AC转换器、第一继电器、第二继电器、电动机/发电机及控制器、末端齿轮箱、旋翼***，其中所述第一继电器安装在超级电容模组和DC/AC转换器之间，所述第二继电器安装在动力电池模组和DC/AC转换器之间；微控制单元(MCU)获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度状态参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度状态参数，输出指令给DC/DC转换器控制器、超级电容模组监测***和动力电池模组监测***；超级电容模组和动力电池模组通过DC/DC转换器实现功率分配；超级电容模组监测***控制第一继电器，动力电池模组监测***控制第二继电器，超级电容模组和动力电池模组通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器，动力通过机械连接末端齿轮箱并作用于旋翼***；
所述的DC/AC转换器，超级电容模组监测***控制第一继电器，动力电池模组监测***控制第二继电器，通过不同的工作模式，控制继电器的通断状态，促使超级电容模组和动力电池模组可以通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
所述的DC/DC转换器，包括：超级电容模组，动力电池模组，开关管S1、S2、S3、S4，滤波电感L1、L2、L3、L4，续流二极管D1、D2、D3、D4，滤波电容C1、C2；所述滤波电容C1与超级电容模组并联；滤波电感L1与开关管S1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L2与开关管S2串联后再与滤波电容C1并联，滤波电感L3与开关管S3串联后再与滤波电容C1并联，且滤波电感L1、L2、L3有共接点与滤波电容C1的一端连接，开关管S1、S2、S3有共接点与滤波电容C1的另一端连接；滤波电感L1与开关管S1的共节点与续流二极管D1的一端连接，滤波电感L2与开关管S2的共节点与续流二极管D2的一端连接，滤波电感L3与开关管S3的共节点与续流二极管D3的一端连接；续流二极管D1、D2、D3的另一端共接；滤波电感L4、续流二极管D4、开关管S4依次串联，串联后滤波电感L4的空余端连接滤波电感L1、L2、L3的共接点，开关管S4的空余端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点；滤波电容C2一端连接续流二极管D1、D2、D3的共接点，另一端连接开关管S1、S2、S3的共接点，动力电池模组与滤波电容C2并联，电机负载与动力电池模组并联。
2.一种用于直升机的大功率能源动力***的控制方法，该方法包括：
当直升机处于起飞、加速上升状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，完成对超级电容模组充电；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其分别控制第一继电器和第二继电器通路，使超级电容模组和动力电池模组共同放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于巡航飞行状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压处于0.6Umax～0.9Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器断路，第二继电器通路，动力电池模组单独放电，通过DC/AC转换器连接电动机/发电机及控制器完成动力传输；
当直升机处于减速或制动状态时，微控制单元获取直升机的工况需求，以及通过超级电容模组监测***获取超级电容模组的电压、电流、温度参数，通过动力电池模组监测***获取动力电池模组的电压、电流、温度参数，输出指令给DC/DC转换器控制器，使超级电容模组的电压小于0.6Umax；输出指令给超级电容模组监测***和动力电池模组监测***，其控制第一继电器通路，第二继电器断路，超级电容模组回收制动能量。
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