CN115257267A - 一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车，属于飞行汽车领域，当线路1或者线路2电推进动力输出存在故障，二者可以互为备份，有效提高旋翼垂直起降电推进***安全性和可靠性，并且线路2可以提供电能，间接减少动力电池所电能和动力电池重量。当机械输出1或者机械输出2油动推进***存在故障，二者可以互为备份，有效提高固定翼巡航推进***安全性和可靠性，并且机械输出1可以将电能转换为机械能，间接减少发动机输出机械能和发动机重量。因此，本发明提出的混合***能够增加动力***的耦合程度，最大化两套动力***的输出能力，有效减轻动力***的重量，进而提高飞行汽车的载客能力。

Description

一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车

技术领域

本发明属于飞行汽车技术领域，涉及一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车。

背景技术

飞行汽车按照气动布局方案，主要分为多旋翼无人机、固定翼无人机、直升机无人机和垂直起降固定翼无人机。

其中，多旋翼飞行汽车受限于动力电池的技术发展，难以满足长航时的需求；固定翼飞行汽车对起降场地要求较高，需要特定跑道；直升机飞行汽车则造价较贵，飞行难度高；垂直起降固定翼飞行汽车则兼顾旋翼飞行汽车优秀的悬停能力和固定翼飞行汽车较长巡航时间和航程，得到飞行汽车行业广泛的关注和认可。现有类似旋翼固定翼复合翼飞行器公开专利：纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器(CN105923154B)在传统直升机构型上增加尾推动力装置，实现固定翼飞机的功能，提高航程和航时。

垂直起降固定翼飞行汽车主要有两条技术路线：倾转旋翼飞行汽车和旋翼固定翼复合式飞行汽车。其中，倾转旋翼飞行汽车通过旋转动力输出角度，分别提供垂直起降升力和水平飞行推力；旋翼固定翼复合式飞行汽车则采用两套动力***，旋翼模式下电推进***提供垂直升力，固定翼模式下电推进***或者油动推进***(发动机)提供推力。受限于倾转旋翼飞行汽车技术发展和动力电池技术发展，为了满足飞行汽车安全性和长航时航程的需要，飞行汽车未来市场主要以旋翼固定翼复合式的油电混合飞行汽车为主。现有类似专利：油电混合动力***及具有其的垂直起降飞行汽车(CN107696812B)，在道路行驶时，采用电池供电，驱动车轮行驶；垂直上升时，驱动电机压缩空气和汽油燃烧驱动涡轮风扇和发电机，为飞行汽车提供垂直起降拉力；巡航飞行时，汽车后部的主涡轮风扇推进器，垂直起飞后逐渐调转喷气方向至水平方向，为飞行提供水平动力。

为了保障飞行汽车长航时航程的需求，需要采用油电混合动力***。然而，现有市场多数旋翼固定翼复合式飞行汽车的旋翼电推进***和固定翼油动推进***(发动机)只是单纯动力叠加，动力耦合度较低，即两套动力推进***几乎独立存在。旋翼垂直起降模式下，固定翼油动推进***(发动机)不参与垂直动力输出，固定翼巡航模式下，旋翼电推进***也不参与水平动力输出，大大削弱了飞行汽车的载客能力和动力安全性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中旋翼固定翼复合式飞行汽车存在旋翼电推进***和固定翼油动推进***耦合度较低的问题，提供一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种强耦合油电混合***，包括旋翼电推进***、固定翼油动推进***、动力电池和整机控制器；旋翼电推进***包括配电管理***和电推进***；固定翼油动推进***包括发电机、发动机、ECU和液力变距器；

配电管理***与整机控制器连接，用于接受整机控制器控制指令；动力电池、电推进***和发电机均与配电管理***的连接，用于控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；电推进***上连接有用于驱动定距桨转动的定距桨；

发电机与发动机相连；整机控制器与ECU相连，ECU与发动机相连用于控制发动机输出功率；发动机与液力变距器相连，液力变距器上连接有用于驱动变距桨转动的变距桨。

优选地，所述ECU与所述整机控制器通过CAN总线连接。

优选地，电池管理***的第一端口与整机控制器相连，电池管理***的第二端口与动力电池相连。

优选地，电池管理***与整机控制器通过CAN总线连接。

优选地，所述电推进***和所述定距桨均有四个，每个电推进***连接一个所述定距桨。

优选地，配电管理***与整机控制器通过CAN总线连接。

优选地，发电机为永磁同步电机。

本发明提出的一种强耦合油电混合***的方法，包括如下步骤：

配电管理***接收整机控制器控制指令，控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；

动力电池为电推进***供电，电推进***推动定距桨转动获取定距桨升力；

当定距桨升力大于等于最大起飞重力，实现旋翼的垂直起飞；

当定距桨升力小于最大起飞重力，整机控制器向ECU发送指令，ECU接收整机控制器发送的指令并控制发动机调控液力变距器使得变距桨桨叶角最大，将发动机的输出功率全部转换为发电机的电能，电能为电推进***供电，并将多余电能回馈给动力电池；动力电池为电推进***供电，增加定距桨升力；

发电机对发动机供电驱动发动起转动，ECU接收整机控制器指令并控制发动机调控液力变距器转动，控制变距桨转动获取变距桨推力；

当固定翼推进***推力大于等于巡航推力，实现固定翼的巡航；

当固定翼推进***推力小于巡航推力，整机控制器对ECU发送指令，ECU控制发动机调控液力变矩器来减小变距桨的桨叶角大小，增加发动机功率；同时动力电池为发电机提供电能，增加发电机功率从而提高变距桨推力。

本发明提出的一种飞行汽车，采用强耦合油电混合***。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的一种强耦合油电混合***，针对现有旋翼、固定翼复合式飞行汽车存在旋翼电推进***和固定翼油动推进***耦合度较低，本发明通过配电管理***控制动力电池、电推进***和发电机供电通断，在旋翼电推进***中，一方面通过动力电池为电推进***供电，进而驱动定距桨运动；另一方面ECU接收整机控制器指令来控制发动机调控液力变距器使得变距桨桨叶角最大，将发动机的输出功率全部转换为发电机的电能，电能为电推进***供电，并将多余电能回馈给动力电池；动力电池为电推进***供电，增加定距桨升力。因此，所需电能由动力电池和发动机共同提供。在固定翼油动推进***中，一方面ECU接收整机控制器将调控指令并控制发动机调控液力变距器转动，控制变距桨转动获取变距桨推力；另一方面ECU接收整机控制器指令控制发动机调控液力变矩器来减小变距桨的桨叶角大小，增加发动机功率；同时动力电池为发电机提供电能，增加发电机功率从而提高变距桨推力。因此，所需机械能由发动机和发电机共同提供。本发明提出的混合***能够实现旋翼电推进***和固定翼油动推进***相互融合、互为备份，提高动力***的安全性和可靠性；最大化发挥两套动力***的输出能力，有效减轻动力***的重量，提高飞行汽车的载客能力。保证旋翼电推进***既可以由动力电池提供电能，又可以由发电机提供电能；保证固定翼油动推进***既可以发动机提供机械能，又可以由发电机提供机械能。

进一步地，安装电池管理***，能够动态监测动力电池的工作状态。

进一步地，电推进***和定距桨均有四个，每个电推进***连接一个定距桨，目的是为了适用于旋翼电推进***。

进一步地，采用永磁同步电机是因为其自身的功率效率高以及功率因数高。

本发明提出的一种强耦合油电混合***的方法，动力电池为电推进***供电，电推进***推动定距桨转动获取定距桨升力，通过比较定距桨升力和最大起飞重力大小，实现旋翼的垂直起飞；发电机对发动机供电驱动发动起转动，ECU接收整机控制器指令并控制发动机调控液力变距器转动，控制变距桨转动获取变距桨推力；通过比较当固定翼推进***推力与巡航推力大小，实现固定翼的巡航。由此可以看出该操作方法简单，便于实现两个***的融合。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明强耦合油电混合***框图。

图2为本发明固定翼油动推进***框图。

图3为本发明地面行驶控制流程图。

图4为本发明旋翼垂直起降电推进***控制流程图。

图5为本发明固定翼巡航油动推进***控制流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

针对现有旋翼固定翼复合式飞行汽车存在旋翼电推进***和固定翼油动推进***(发动机)耦合度较低的问题，本发明提出了一种强耦合油电混合***、方法及飞行汽车，满足旋翼电推进***电能备份和固定翼油动推进***机械能备份，实现飞行汽车地面行驶、垂直起降和巡航飞行动力冗余设计。

本发明提出的强耦合油电混合***的结构图如图1所示，下面结合附图1进行详细叙述：

强耦合油电混合***框图如图1所示，包括旋翼电推进***、固定翼油动推进***、动力电池、整机控制器、电池管理***；旋翼电推进***包括配电管理***、定距桨和电推进***；如图2所示，固定翼油动推进***包括发电机、发动机、ECU、变距桨和液力变距器。其中，配电管理***与整机控制器连接，配电管理***接受整机控制器控制指令，动力电池、电推进***和发电机均与配电管理***的连接，配电管理***控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；电推进***与定距桨相连用于驱动定距桨转动。发电机与发动机相连，整机控制器与ECU相连，ECU与发动机相连用于控制发动机输出功率；发动机与液力变距器相连，液力变距器与变距桨相连用于驱动变距桨转动。电推进***和定距桨均有四个，每个电推进***连接一个定距桨。ECU与整机控制器、电池管理***与整机控制器，以及配电管理***与整机控制器都是通过CAN总线连接的。电池管理***的第一端口与整机控制器相连，电池管理***的第二端口与动力电池相连。发电机采用永磁同步电机。

启动阶段驱动发动机启动，发电阶段将发动机机械能转换为电能；液力变距器接受整机控制器流过ECU和发动机的调控变距桨桨叶角的指令，控制变距桨桨叶角的大小，进而控制推力和发电量的大小；整机控制器依据飞行工况、配电管理***、电池管理***和ECU信息，控制整机旋翼垂直起降升力和固定翼巡航推力。

本发明提出的一种强耦合油电混合***的地面行驶控制流程图如图3所示，考虑到飞行汽车地面行驶发动机的噪音，拟定地面行驶采用纯电动驱动，发动机作为备份使用。具体控制流程如下：整机控制器通过配电管理***控制动力电池和电推进***供电开关闭合，此时动力电池、发电机和整机控制器形成地面行驶电推进***，驱动变距桨转动，进而产生地面行驶的推力。

本发明提出的一种强耦合油电混合***的方法，包括如下步骤：

配电管理***接收整机控制器控制指令，控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；

动力电池为电推进***供电，电推进***推动定距桨转动获取定距桨升力；

当定距桨升力大于等于最大起飞重力，实现旋翼的垂直起飞；

当定距桨升力小于最大起飞重力，整机控制器向ECU发送指令，ECU控制发动机调控液力变距器使得变距桨桨叶角最大，将发动机的输出功率全部转换为发电机的电能，电能为电推进***供电，并将多余电能回馈给动力电池；动力电池为电推进***供电，增加定距桨升力；

发电机对发动机供电驱动发动起转动，整机控制器将调控指令发送给ECU，ECU接收指令并控制发动机调控液力变距器转动，控制变距桨转动获取变距桨推力；

当固定翼推进***推力大于等于巡航推力，实现固定翼的巡航；

当固定翼推进***推力小于巡航推力，整机控制器对ECU发送指令，ECU控制发动机调控液力变矩器来减小变距桨的桨叶角大小，增加发动机功率；同时动力电池为发电机提供电能，增加发电机功率从而提高变距桨推力。

具体的：旋翼垂直起降电推进***控制流程图如图4所示，整机控制器控制动力电池和电推进***供电开关闭合、发电机和电推进***供电开关闭合，此时动力电池、电推进***和整机控制器形成电推进***线路1，驱动定距桨转动，判断电推进***升力是否大于最大起飞重力；若电推进***升力小于最大起飞重力，整机控制器输出发电机启动和发电指令，调控液力变距器使得桨叶角最大，将发动机输出功率全部转换为发电机的电能，电能为电推进***供电形成线路2，并将多余电能回馈给动力电池，动力电池继续为电推进***供电，再来比较定距桨升力与最大起飞重力的大小，直到定距桨升力大于等于最大起飞重力。

当线路1或者线路2电推进动力输出存在故障，二者可以互为备份，有效提高旋翼垂直起降电推进***安全性和可靠性，并且线路2可以提供电能，间接减少动力电池所电能和动力电池重量，可以提高整机载客能力。

固定翼巡航油动推进***控制流程如图5所示，整机控制器输出发电机启动和发电指令，调控液力变距器使得桨叶角逐渐变小，发动机驱动变距桨转动，发动机机械能转换为变距桨所需的机械能，形成机械输出2回路，若固定翼推进***推力小于巡航推力，则加大发动机输出功率；若固定翼推进***推力小于巡航推力，整机控制器控制动力电池和发电机供电开关闭合，此时动力电池、发电机、变距桨和整机控制器形成机械输出1，发动机驱动变距桨转动，为变距桨提供巡航所需推力。

当机械输出1或者机械输出2油动推进***存在故障，二者可以互为备份，有效提高固定翼巡航推进***安全性和可靠性，并且机械输出1可以将电能转换为机械能，间接减少发动机输出机械能和发动机重量，可以提高整机载客能力。

本发明提出的油电混合***，满足地面行驶、垂直起降和巡航飞行动力需要，两套动力***互为备份，提高了动力***的安全性和可靠性；两套动力***共同作用于垂直起降和巡航飞行，增加动力***的耦合程度，最大化两套动力***的输出能力，有效减轻动力***的重量，进而提高飞行汽车的载客能力。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强耦合油电混合***，其特征在于，包括旋翼电推进***、固定翼油动推进***、动力电池和整机控制器；旋翼电推进***包括配电管理***和电推进***；固定翼油动推进***包括发电机、发动机、ECU和液力变距器；

配电管理***与整机控制器连接，用于接受整机控制器控制指令；动力电池、电推进***和发电机均与配电管理***的连接，用于控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；电推进***上连接有用于驱动定距桨转动的定距桨；

发电机与发动机相连；整机控制器与ECU相连，ECU与发动机相连用于控制发动机输出功率；发动机与液力变距器相连，液力变距器上连接有用于驱动变距桨转动的变距桨。

2.根据权利要求1所述的强耦合油电混合***，其特征在于，所述ECU与所述整机控制器通过CAN总线连接。

3.根据权利要求1所述的强耦合油电混合***，其特征在于，还包括电池管理***，电池管理***的第一端口与整机控制器相连，电池管理***的第二端口与动力电池相连。

4.根据权利要求3所述的强耦合油电混合***，其特征在于，电池管理***与整机控制器通过CAN总线连接。

5.根据权利要求1所述的强耦合油电混合***，其特征在于，所述电推进***和所述定距桨均有四个，每个电推进***连接一个所述定距桨。

6.根据权利要求1所述的强耦合油电混合***，其特征在于，配电管理***与整机控制器通过CAN总线连接。

7.根据权利要求1所述的强耦合油电混合***，其特征在于，发电机为永磁同步电机。

8.采用权利要求1～7中任意一项所述的强耦合油电混合***的方法，其特征在于，包括如下步骤：

配电管理***接收整机控制器控制指令，控制动力电池、电推进***和发电机供电通断；

动力电池为电推进***供电，电推进***推动定距桨转动获取定距桨升力；

当定距桨升力大于等于最大起飞重力，实现旋翼的垂直起飞；

当定距桨升力小于最大起飞重力，整机控制器向ECU发送指令，ECU接收整机控制器发送的指令并控制发动机调控液力变距器使得变距桨桨叶角最大，将发动机的输出功率全部转换为发电机的电能，电能为电推进***供电，并将多余电能回馈给动力电池；动力电池为电推进***供电，增加定距桨升力；

发电机对发动机供电驱动发动起转动，ECU接收整机控制器指令并控制发动机调控液力变距器转动，控制变距桨转动获取变距桨推力；

当固定翼推进***推力大于等于巡航推力，实现固定翼的巡航；

当固定翼推进***推力小于巡航推力，整机控制器对ECU发送指令，ECU控制发动机调控液力变矩器来减小变距桨的桨叶角大小，增加发动机功率；同时动力电池为发电机提供电能，增加发电机功率从而提高变距桨推力。

9.一种飞行汽车，其特征在于，采用权利要求1～7中任意一项所述的强耦合油电混合***。

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