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技術 デュアルハイブリッドエネルギー源を有する航空機用の電力システム

出願人 ジーイー・アビエイション・システムズ・エルエルシー
発明者 ラドゥン,アーサー・ヴォーワークイップス,フィリップ・ヘンリー・リチャード
出願日 2013年9月9日 (7年2ヶ月経過) 出願番号 2016-540863
公開日 2016年11月10日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2016-535579
状態 特許登録済
技術分野 電池等の充放電回路 直流の給配電 飛行船・気球・飛行機
主要キーワード 信号トリガ 臨界負荷 電気的カップリング 電力要求量 非自動車 補充電力 過渡動作 電力応答
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課題・解決手段

航空機用電力システムは、複数の電力消費構成要素を有し、電力消費構成要素のうちのいくつかが平均電力要求量よりも大きい過渡電力要求量を求め、電力システムは、少なくとも1つの発電機と、電力分配バスと、非電池電源と、電池電源と、過渡電力要求量を満足させるために電力分配バスに非電池電源および電池電源を選択的につなげる電力コントローラとを含む。

概要

背景

電力システム、特に航空機内の電力システムは、電気的負荷電池または発電機などの電源から電力を供給することを管理する。航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力のために使用され、発電機、始動機/発電機、永久磁石交流発電機(PMA)、燃料ポンプ、および油圧ポンプ、などの多数の様々な付属品、例えば、推進力以外の航空機上の必要な機能のための装置に最終的に動力を供給する機械的動力を典型的には提供する。例えば、現代の航空機は、航空電子機器、モータ、および他の電装装置のための電力を必要とする。ガスタービンエンジンに連結された発電機は、付属品に動力を供給するために必要な電気エネルギーへとエンジンの機械的動力を変換するであろう。

概要

航空機用の電力システムは、複数の電力消費構成要素を有し、電力消費構成要素のうちのいくつかが平均電力要求量よりも大きい過渡電力要求量を求め、電力システムは、少なくとも1つの発電機と、電力分配バスと、非電池電源と、電池電源と、過渡電力要求量を満足させるために電力分配バスに非電池電源および電池電源を選択的につなげる電力コントローラとを含む。

目的

航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力のために使用され、発電機、始動機/発電機、永久磁石交流発電機(PMA)、燃料ポンプ、および油圧ポンプ、などの多数の様々な付属品、例えば、推進力以外の航空機上の必要な機能のための装置に最終的に動力を供給する機械的動力を典型的には提供する

効果

実績

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請求項1

複数の電力消費構成要素(26、27、28)を有する航空機(2)用の電力システム(10)であり、前記電力消費構成要素(26、27、28)のうちのいくつかが過渡電力要求(60)を有し、平均電力要求(62)に加えて過渡状態電力要求(60)を有する前記航空機(2)をもたらし、前記過渡状態電力要求量(60)が前記平均電力要求量(62)よりも大きい状態である、電力システム(10)であって、前記平均電力要求量(62)を供給するために十分な電力出力を有する少なくとも1つの発電機(18)と、前記発電機(18)を前記電力消費構成要素(26、27、28)につなげる電力分配バス(22、24)と、非電池電源(30)と、電池電源(34)と、前記過渡電力要求量(60)を満足させるために前記電力分配バス(22、24)に前記非電池電源(30)および前記電池電源(34)を選択的につなげる電力コントローラ(40、42)とを備える、電力システム(10)。

請求項2

前記電力コントローラ(40、42)が、前記非電池電源(30)および前記電池電源(34)を前記電力分配バス(22、24)につなげる、請求項1記載の電力システム(10)。

請求項3

前記電力コントローラ(40、42)が、前記電池電源(34)の前に、前記非電池電源(30)を前記電力分配バス(22、24)につなげる、請求項2記載の電力システム(10)。

請求項4

前記非電池電源(30)が、少なくとも1つのキャパシタを備える、請求項3記載の電力システム(10)。

請求項5

前記少なくとも1つのキャパシタが、キャパシタバンクを備える、請求項4記載の電力システム(10)。

請求項6

前記電池電源(34)が、前記航空機(2)用の緊急電池を備える、請求項5記載の電力システム(10)。

請求項7

前記電池電源(34)が、少なくとも1つのLi−イオン電池を備える、請求項6記載の電力システム(10)。

請求項8

前記電力分配バス(22、24)が、DCバスである、請求項1記載の電力システム(10)。

請求項9

前記非電池電源(30)または前記電池電源(34)のうちの少なくとも一方からの電力を前記DCバスへの電力に変換するように構成された少なくとも1つコンバータ(32、36)をさらに備える、請求項8記載の電力システム(10)。

請求項10

前記非電池電源(30)および前記電池電源(34)の各々のためのコンバータをさらに備える、請求項9記載の電力システム(10)。

請求項11

前記DCバスが、270VDCである、請求項8記載の電力システム(10)。

請求項12

前記電力コントローラ(40、42)が、前記過渡電力要求量(60)に対応する入力を含み、前記過渡電力要求量(60)に基づいて前記非電池電源(30)および前記電池電源(34)を選択的につなげる、請求項1記載の電力システム(10)。

請求項13

前記平均電力要求(62)と前記過渡状態電力要求(60)とを識別する負荷スペクトル選択フィルタ(38)をさらに備える、請求項1記載の電力システム(10)。

請求項14

前記負荷スペクトル選択フィルタ(38)が、アナログフィルタディジタルフィルタ線形フィルタ、または非線形フィルタのうちの少なくとも1つを含む、請求項13記載の電力システム(10)。

請求項15

前記少なくとも1つの発電機(18)電力出力が、前記過渡電力要求量(60)を供給するためには不十分である、請求項1記載の電力システム(10)。

技術分野

0001

本発明は、複数の電力消費構成要素を有する航空機用電力システムに関する。

背景技術

0002

電力システム、特に航空機内の電力システムは、電気的負荷電池または発電機などの電源から電力を供給することを管理する。航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力のために使用され、発電機、始動機/発電機、永久磁石交流発電機(PMA)、燃料ポンプ、および油圧ポンプ、などの多数の様々な付属品、例えば、推進力以外の航空機上の必要な機能のための装置に最終的に動力を供給する機械的動力を典型的には提供する。例えば、現代の航空機は、航空電子機器、モータ、および他の電装装置のための電力を必要とする。ガスタービンエンジンに連結された発電機は、付属品に動力を供給するために必要な電気エネルギーへとエンジンの機械的動力を変換するであろう。

先行技術

0003

米国特許出願公開第2009/00302153号明細書

0004

航空機用の電力システムは、複数の電力消費構成要素を有し、電力消費構成要素のうちのいくつかが過渡電力要求を有し、平均電力要求に加えて過渡状態電力要求を有する航空機をもたらし、過渡状態電力要求量が平均電力要求量よりも大きいことをともなう。電力システムは、平均電力要求量を供給するために十分な電力出力を有する少なくとも1つの発電機と、発電機を電力消費構成要素につなげる電力分配バスと、非電池電源と、電池電源と、過渡電力要求量を満足させるために電力分配バスに非電池電源および電池電源を選択的につなげる電力コントローラとを含む。

図面の簡単な説明

0005

本発明の一実施形態による航空機および電力システムの上から下を見た模式図である。
本発明の一実施形態による電力システムの模式図である。
本発明の一実施形態による、電力システムのデュアルハイブリッドエネルギーシステムの模式図である。
本発明の一実施形態による、電力システムの過渡電力応答を示すグラフである。

実施例

0006

本発明の記述した実施形態は、タービンエンジン、好ましくはガスタービンエンジンから電力を生成することを可能にする航空機用の電力システムに向けられる。

0007

図1に示したように、航空機2を、左エンジンステム12および右エンジンシステム14として示した少なくとも1つのガスタービンエンジンを有するように示す。あるいは、電力システムは、より少ない数のエンジンシステムまたは追加のエンジンシステムを有することができる。左右のエンジンシステム12、14を、実質的に同じにすることができ、デュアルハイブリッドエンジンシステム(DHES)16などの電源、および発電機18などの少なくとも1つの電気機械をさらに含むように示される。航空機は、複数の電力消費構成要素、例えば、アクチュエータ負荷26、飛行臨界負荷27、および非飛行臨界負荷28、をさらに含むように示される。電気的負荷26、27、28の各々は、電源16、18のうちの少なくとも一方に電気的につなげられ、その結果、負荷26、27、28は、電源16、18によって電力を供給される。

0008

航空機2では、動作している左右のエンジンシステム12、14は、スプールを介して引き出すことができる機械的エネルギーを生成し、発電機18用の駆動力を提供する。発電機18は、DHES16に加えて、順に、負荷動作のために電気的負荷26、27、28へ発電した電力を与える。本発明の一実施形態を航空機環境において示しているが、本発明は、そのようには限定されずに、他の自動車用途および非自動車産業、商業用途、ならびに住宅用途などの非航空機用途における電力システムへの一般的な用途を有することが理解されるであろう。

0009

図2には、左エンジンシステム12および右エンジンシステム14を含むように示された複数のエンジンシステムを有する航空機用の電力システム10の模式的なブロック図を図示する。左右のエンジンシステム12、14を実質的に同じにすることができ、したがって、説明がすべてのエンジンシステムに当てはまるという理解を含んで、左エンジンシステム12だけを簡潔さのために詳細に説明するであろう。

0010

左エンジンシステム12は、DHES16、少なくとも1つの発電機18、一体型コンバータコントローラ(ICC)20、第1のDC電力バス22および第2のDC電力バス24を含むように示された少なくとも1つの電力分配バス、ならびにアクチュエータ負荷26、飛行臨界負荷27、および非飛行臨界負荷28を備える。右エンジンシステム14を、DC電力バス29だけを備えるように示したが、左エンジンシステム12の同じ構成要素のうちの多くを二重に持つことができる。第1のDC電力バス22は、DHES16、アクチュエータ負荷26を選択的につなげ、選択的カップリングリンク25を介して第2のDC電力バス24と選択的につなげられる。第2のDC電力バス24を、ICC20を介して発電機18と、飛行臨界負荷27、非飛行臨界負荷28とさらに選択的につなげ、そして選択的カップリングリンク25を介して右エンジンシステム14の対応するDC電力バス29と選択的につなげる。

0011

電気的負荷26、27、28のうちの少なくとも一部は、定常状態電力要求または平均電力要求を有することができ、そして負荷26、27、28のうちの少なくとも一部は、パルシング負荷またはRADARなどの過渡動作のための過渡電力要求を有することができる。この意味で、過渡電力要求量は、定常状態電力要求量または平均電力要求量よりも大きい。選択的カップリングリンク25を、例えば、所定の特性に基づいて2つの構成要素間の電気的カップリングを可能にするまたは不可能にする任意の物理的または電気的接続または切断デバイスとすることができる。この例では、選択的カップリングリンク25は、第1のDC電力バス22についてのしきい値電圧を測定することができる。第1のDC電力バス22において測定した電圧がしきい値電圧よりも低くなる場合には、選択的カップリングリンク25は、第2のDC電力バス24とつなげられてもよく、バス22、24間で電圧を共有することを可能にする。

0012

DHES16は、第1のDC−DCコンバータ32などの電力コントローラに順次つなげられ、ウルトラキャパシタ30として示した非電池電源、およびDC−DCコンバータ36などの第2の電力コントローラ順次つなげられ、リチウムイオン(Li−Ion)電池34として示した電池電源をさらに備える。第1および第2のDC−DCコンバータ32、36は、第1のDC電力バス22に選択的につなげられたDHES16の出力である共通電力出力を与える。第1および/または第2のDC−DCコンバータ32、36の一例は、炭化ケイ素(SiC)または窒化ガリウム(GaN)系の大帯域幅DC−DCコンバータを含むことができる。SiCまたはGaNを、その固体材料構造、小型で軽量のフォームファクタで大電力レベルを取り扱うその能力、および非常に迅速に電気的動作を実行するその高速スイッチング能力に基づいて選択することができる。SiCまたはGaN系のDC−DCコンバータ32、36が小型で軽量のフォームファクタに結果として結びつくが、系のDC−DCコンバータが、コストに敏感な用途には好まれることがある。

0013

ウルトラキャパシタ30を、完全に放電する前に、100分の数秒程度の非常に短い時間にわたり大量のDC電力を供給するように構成することができる。例として、容易に実現される270ボルト、30ファラッドのウルトラキャパシタバンクは、1.0sよりも長くにわたって200キロワットを供給することが可能である。加えて、ウルトラキャパシタ30を、充電放電性能劣化させずに多数回にわたり繰り返して再充電および放電させることができる。電池34を、逆に、ウルトラキャパシタ30よりも長期間にわたってDC電力を供給するように構成することができ、多数回にわたり繰り返して再充電および放電させることができるが、電池34は、多数回の繰返しでまたは時間経過で充電/放電性能の劣化を経験することがある。例として、入手可能な5アンペア−時セルを使用して作られた270V電池は、約1.8分間にわたって50キロワットを供給することが可能である。

0014

代替の非電池電源および電池電源が想像される。例えば、代替の非電池電源は、燃料電池、または緊急非電池電源を含むことができる。加えて、電池電源は、主航空機電池、または緊急航空機電池を含むことができる。さらにその上、非電池電源および電池電源の各々は、キャパシタのバンクもしくは電池のバンク、または非電池電源および電池電源の任意の組合せなどの1つよりも多くの電源を含むことができる。

0015

発電機18は、動作しているガスタービンエンジンによって供給される機械的エネルギーから電力供給を、例えば、AC電力出力を発電するように構成される。AC電力出力は、ICC20に供給され、ICC20はAC電力出力をDC電力出力整流する整流器として働き、DC電力出力は、第2のDC電力バス24にさらに供給される。発電機18が示される一方で、発電機18は、代わりに、左エンジンシステム12のために始動機能をやはり提供する始動機/発電機であってもよい。この実施形態では、DHESは、始動機/発電機を介して左エンジンシステム12を始動させることができる電力を供給することができる。電力システム10の上記の例では、電気的負荷26、27、28がDC電力で動作するために、いずれのAC電力出力もDC電力出力に整流する。

0016

加えて、ウルトラキャパシタ30および電池34の両者は、それぞれの第1および第2のDC−DCコンバータ32、36の各々にDC電力を供給するように構成される。各DC−DCコンバータ32、36は、可変とすることができるDC電力入力を受け取るように構成され、DC電力入力を知られたまたは所定のDC電力出力に変換する。例えば、電池34は、28VDCを与えることができ、これは次に第2のDC−DCコンバータ36によって所定の270VDCに変換されてもよい。同様に、ウルトラキャパシタは、340VDCを供給することができ、これは次に第1のDC−DCコンバータ32によって270VDCに変換されてもよい。ウルトラキャパシタ30および電池34が同じ特性を有するDC電力をそれぞれ供給し、同じDC電力入力を所定のDC電力出力に変換するために1つのDC−DCコンバータ32だけが必要である代替構成が想像される。加えて、第1および第2のDC−DCコンバータ32、36が共通のDC電力出力を供給する限りは、ウルトラキャパシタ30および電池34からの交互のDC電力出力、同様に第1および第2のDC−DCコンバータ32、36からの代わりのDC電力出力が想像される。

0017

第1および第2のDC−DCコンバータ32、36からの所定の共通DC電力出力、およびしたがってDHES16からのDC電力出力を、第1のDC電力バス22に供給する。電力システム10は、したがって、DHES16によって供給される電力およびICC20を介して発電機18によって供給される電力が、270VDCなどの同じであるように構成される。この意味で、第1および第2のDC電力バス22、24の各々は、同様のDC電力供給を受け、同じ電気的特性で動作する。

0018

第1および第2のDC−DCコンバータ32、36の各々はまた、同様に逆動作でも働く。例えば、ウルトラキャパシタ30および/または電池34のいずれかが放電してしまう場合には、第1のDC電力バス22は、それぞれのDC−DCコンバータ32、36にDC電力を選択的に供給することができ、このDC−DCコンバータは、それぞれのウルトラキャパシタ30および/または電池34を再充電することができるDC電力出力に供給されたDC電力を変換するであろう。

0019

それぞれの電源16、18が同時に電気的負荷26、27、28のすべてに電力を供給するために十分な電力出力を与えることができない期間には、電力システム電気的負荷26、27、28(または右エンジンシステム14のいずれかの負荷)への共通DC電力供給を共有するために、第1および第2のDC電力バス22、24を、選択的カップリングリンク25を介して相互に選択的につなげる、または選択的カップリングリンク25を介して右エンジンシステム14のDC電力バス29に選択的につなげるようにやはり構成することができる。加えて、電気的負荷26、27、28のすべてに同時に電力を供給するためには不十分な電力しかDHES16および発電機18から供給されない場合には、第1および第2のDC電力バス22、24のうちの1つまたは複数を、非飛行臨界負荷28へのDC電力出力の供給を削減するまたは停止するように構成することができる。

0020

第1および第2のDC電力バス22、24の各々を、電気的負荷26、27、28によって必要とされるような異なるDC電力出力にDC電力入力を変換するようにさらに構成することができる。例えば、いくつかの非飛行臨界負荷28は、28VDCにより動作することができる。この例では、非飛行臨界負荷28に28VDCを選択的に供給する前に、270VDC電力入力を28VDCに変換するように、第2のDC電力バス24を構成することができる。

0021

図3には、DHES16のより詳細な模式図を図示する。示したように、DHES16は、負荷スペクトル選択フィルタ38をさらに備え、第1および第2のDC−DCコンバータ32、36の各々は、それぞれの第1および第2のコントローラ40、42をさらに含む。DHES16は、点線として表したデータ通信を可能にし、その結果、第1のコントローラ40は、第2のコントローラ42へコマンド信号46を送信し、およびそこから受信し、ウルトラキャパシタ30から、例えばウルトラキャパシタ30の電力の量のようなウルトラキャパシタ30の現在のステータスを表すウルトラキャパシタステータス信号48を受信し、そして負荷スペクトル選択フィルタ38から第1のフィルタ信号52を受信する。DHES16は、データ通信をさらに可能にし、その結果、第2のコントローラ42が、電池34からの、例えば電池34の電力の量のような電池34の現在のステータスを表す電池ステータス信号50、および負荷スペクトル選択フィルタ38からの第2のフィルタ信号54を受信する。

0022

負荷スペクトル選択フィルタ38は、瞬間的なおよび包括的なDC電力バス22、24エネルギー要求量を表す、第1のDC電力バス22からのDC電力バス信号44を受信するようにさらに示される。あるいは、負荷スペクトル選択フィルタ38は、電気的負荷26、27、28に供給するために、各DC電力バス22、24エネルギー要求量を表している各信号を用いて各DC電力バス22、24からの信号をさらに受信することができる。この例では、負荷スペクトル選択フィルタ38は、信号を与えるすべてのDC電力バス22、24のエネルギー要求量を合計することができる。点線がデータ通信を表すのに対して、図3実線は、電力カップリングを表し、その結果、ウルトラキャパシタ30および電池34の各々は、各々それぞれの第1および第2のDC−DCコンバータ32、36との双方向電力伝送を可能にし、各コンバータ32、36は、第1のDC電力バス22との選択的な双方向電力伝送を可能にする。

0023

電力システム10は、電気的負荷26、27、28に平均電力要求量および過渡電力要求量を供給するように動作する。本発明の一実施形態では、発電機18は、電力システム10の平均電力要求量を供給するために十分な電力出力を供給するように設計され、大きさを決められ、そして構成されるが、システム10の過渡電力要求量を供給するようには設計されず、大きさを決められず、そして構成されないことがある。別の言い方をすれば、発電機18電力出力は、電力システム10の過渡電力要求量に電力を供給するためには不十分なことがある。

0024

過渡電力要求の期間には、追加の電力が、過渡電力要求量を計算に入れてDHES16によって第1または第2のDC電力バス22、24のうちの少なくとも一方に供給される。発電機18およびDHES16によって供給される電力の組合せは、システムの重量を最小にすること、システムの寿命を最大にすることなどのシステム性能を最大にするように分割を決定しながら、過渡電力要求量を計算に入れるのに十分である。これは、第1および/または第2のDC電力バス22、24のうちの少なくとも一方が、過渡電力要求が生じていることを検知する(すなわち、不十分な電力が電気的負荷26、27、28に供給されようとしていることをバス22、24が検知する)ときに生じる。この時点で、第1および/または第2のDC電力バス22、24は、電気的負荷26、27、28に電力を供給するために不十分なまたは不十分に近い量の電力供給を受けることを表しているDC電力バス信号44を送信する。

0025

DHES16は、DC電力バス信号44に応じて第1のDC電力バス22に電力を選択的に供給するように動作する。これは、負荷スペクトル選択フィルタ38がDC電力バス22、24の瞬間的なエネルギー要求量を表しているDC電力バス信号44を最初に受信するときに生じる。負荷スペクトル選択フィルタ38は、例えば、DC電力バス信号44のゆっくりと変化するエネルギー要求量を動作上で削減するためにローパスフィルタとして動作する。別な言い方をすれば、負荷スペクトル選択フィルタ38は、DC電力バス22、24のエネルギー要求量から平均電力要求量を除去して、電気的負荷26、27、28の過渡電力要求量だけを残す。DC電力バス22、24の過渡電力要求量は、第1および第2のフィルタ信号52、54として第1および第2のコントローラ40、42の各々にフィルタ38から与えられる。あるいは、負荷スペクトル選択フィルタ38は、所定のしきい値または絶えず変化するしきい値を超える過渡電力要求量だけを、第1および第2のフィルタ信号52、54として与えるように動作することができる。

0026

第1および第2のコントローラ40、42は、相互に双方向通信をしており、その結果、各々それぞれの第1および第2のDC−DCコンバータ32、36を協働して制御することができ、過渡電力要求量の増加を計算に入れてDHES16から十分なDC電力出力を与える。一例では、負荷は、無負荷から240kWまで脈動する。平均負荷電力は、ほぼ100キロワットであり、これは発電機によって供給される。負荷パルスが生じると、第1および第2のフィルタ信号52、54は、各々それぞれの第1および第2のコントローラ40、42に与えられ、第1のDC電力バス22が平均値を超える過渡電力要求量のために追加の140キロワットの電力を与える必要があることを示す。第1のコントローラ40は、ウルトラキャパシタステータス信号48を受信することができ、ウルトラキャパシタ30が放電することによって120キロワットの電力を与えることができることを示す。第2のコントローラ42は、電池ステータス信号50を受信することができ、電池34が放電することによって20キロワットの電力を与えることができることを示す。

0027

第1および第2のコントローラ40、42間の双方向通信は、過渡電力要求量を計算に入れて、ウルトラキャパシタ30および電池34の各々がどれだけの追加電力を与えるかを決定する。この例では、第1のコントローラ40は、ウルトラキャパシタ30が全120キロワットを放電するであろうことを決定し、電池34から20キロワットを放電するように第2のコントローラ42に指示することができる。別の一例では、ウルトラキャパシタ30および電池34の各々が、70キロワットを放電することができる、または、ウルトラキャパシタが20キロワットを放電している間に、電池34は120キロワットを放電することができる。これらの事例は、DHES16動作の非限定的な例である。

0028

DHES16は、過渡電力要求量の可能な限り多くを計算に入れて、第1のコントローラ40が可能なときはいつでもウルトラキャパシタ30を放電させるように動作することができる。もう1つ事例では、400ワットの過渡電力要求量が必要とされ、そしてウルトラキャパシタが800ワットを放電することが可能である場合には、第1のコントローラ40は、ウルトラキャパシタ30を放電させ、電池34は、全く放電しないであろう。同様に、もう1つの事例では、800ワットの過渡電力要求量が必要とされ、そしてウルトラキャパシタが800ワットを放電することができる場合には、第1のコントローラ40は、ウルトラキャパシタ30を放電させ、電池34は、全く放電しないであろう。この例では、ウルトラキャパシタ30を放電させることが過渡電力要求量を計算に入れても不十分である事例においてだけ、電池34を放電させるであろう。別の言い方をすると、電力システム10は、電池34をバス22、24に選択的につなげる前に、第1または第2のDC電力バス22、24のうちの少なくとも一方にウルトラキャパシタ30を選択的につなげることができる。過渡電力要求の期間に電力を与えるこの優先順位は、ウルトラキャパシタ30放電を補うために必要なときにだけ電池34を放電させることによって、電力システム10が電池34の充電/放電性能の劣化を積極的に防止しながら航空機にとって十分な追加の電力を繰り返して与えることを可能にする。

0029

定常負荷または平均負荷では、第1および/または第2のDC電力バス22、24は、負荷スペクトル選択フィルタ38へDC電力バス信号44を送信する。フィルタ38は、したがって、電力システム10が平均電力要求量で動作していることを示す第1および第2のフィルタ信号52、54を発生する。各コントローラ40、42は、それぞれのウルトラキャパシタステータス信号48および電池ステータス信号50をやはり受信する。それぞれの電源が完全に充電されていないことを、ウルトラキャパシタステータス信号48または電池ステータス信号50のいずれかが示す場合には、それぞれの第1または第2のコントローラ40、42は、それぞれの第1または第2のDC−DCコンバータ32、36を選択的に動作させて、それぞれの電源30、34を充電するために適正なDC電圧に変換されるDC電力出力を第1のDC電力バス22が与えることを可能にする。一旦、ウルトラキャパシタ30および/または電池34が完全に充電されると、DHES16は、過渡電力要求を待機する。

0030

図4には、過渡電力要求60に続く定常状態電力要求62の期間の電力システム10の電力要求量を図示する。このグラフでは、「P bat」は電池34の電力放電を表し、「P ultrac」はウルトラキャパシタ30の電力放電を表し、「P DHES」はDHES16の電力放電を表し、そして「P load」は1つまたは複数の過渡的な電気的負荷の電力要求量を表す。示したように、時刻t0において、過渡状態電力要求量は存在しない62。時刻t1において、正の電力過渡状態が生じ、DHES16は過渡電力要求量60を計算に入れて補充電力を供給し始める。示したように、供給される補充電力の大部分は、発明のこの実施形態ではウルトラキャパシタ30放電からのものである。時刻t1と時刻t2との間では、過渡電力要求量60は一定のままであるが、ウルトラキャパシタ30は放電し、その結果、ウルトラキャパシタが大量の補充電力を供給する。この同じ期間中に、電池34は、ウルトラキャパシタ30によって供給される電力のごく一部を供給し、電池ストレスを減少させ、電池寿命を最大にする。

0031

時刻t2において、負荷がゼロ負荷まで減少すると、負荷は新しい過渡状態になり、したがって電力システムは、平均電力要求量62で動作する。この時間中には、DC電力バス22、24は、ウルトラキャパシタ30および電池34を再充電するように電力を供給し、DHES16がt2の負荷減少過渡状態の直前の値に等しい発電機の負荷を保とうとするので、再充電のために負の電力値を有するように示されている。図4のグラフは、電力システム10動作の一例を図示し、他の動作が想像される。典型的な発電機18では、必要以上に大きい発電機が過渡電力要求量を計算に入れて十分な電力を与えることができるとしても、発電機18は、過渡電力要求に対して十分に早く応答できないことがあり、これは、例えば、ほんの100分の数秒間生じることがある。

0032

上記の図に示したものに加えて、多くの他の可能性のある実施形態および構成が、本開示により予想される。例えば、発明の一実施形態は、エンジンシステム12、14当たり1つよりも多くの発電機18を是認する。発明の別の一実施形態では、電力システム10は、緊急電力システムを組み込むことができ、そこではDHESは、緊急動作中に緊急電力を与えることができる。発明のさらに別の一実施形態では、第2のフィルタ信号54を削除することができ、第1のコントローラ40は、第1のフィルタ信号52を受信することができ、次いでウルトラキャパシタが供給することができる電力の量に基づいてどのように動作するかを第2のコントローラ42に指示する。発明のさらに別の一実施形態では、第1および第2のコントローラ40、42を、2つのコントローラ40、42によって制御されるすべての態様を制御する1つのコントローラによって置き換えることができ、そして開示した以外の代わりの場所、例えば、フィルタ38の一部として、またはDC電力バス22、24内に追加で設置することができる。加えて、前述の信号44、48、50、52、54のいずれかを、例えば、一般に使用されている信号ポーリングシステム、または一般に使用されている信号トリガシステムに基づくものとすることができる。加えて、多くの様々なインライン構成を実現できるように、様々な構成要素の設計および配置を配置し直すことができる。

0033

発明のさらに別の一実施形態では、DC電力バス22、24を、1つまたは複数のAC電力バスとして代わりに構成することができ、電気的負荷26、27、28がAC電力で動作することが想像される。この実施形態では、ウルトラキャパシタ30、電池34、および発電機18の各々は、AC電力バスに適正な電圧および周波数でAC電力を与えることができるように、適正なコンバータおよび/またはインバータを伴って構成されるであろう。加えて、AC電力バスにウルトラキャパシタ30および電池34を選択的につなげるコンバータおよび/またはインバータを、逆変換が可能であるように構成することができ、その結果、ウルトラキャパシタ30および電池34の各々を充電することができる。

0034

本明細書において開示した実施形態では、過渡電力要求量を計算に入れて追加の電力を供給するように構成された航空機用の電力システムを提供する。航空機構成要素を設計するときには、扱うべき重要な要素は、サイズ、重量、および信頼性である。上記の実施形態で実現することができる1つの利点は、上に記述した実施形態が、従来型の電力システムよりも優れた重量およびサイズ優位性を有することである。過渡電力要求量を計算に入れて(単独の)発電機を設けるためには、発電機を大きくする必要があるはずであり、サイズおよび重量の増加という結果になる。このサイズおよび重量の増加は、まれにしか生じない過渡電力モードにとって望ましくないことがある。過渡電力要求期間中にDHESが補充用電力を与えることを可能にすることによって、構成は、過渡電力要求に起因する電力供給のストレスを計算に入れて大型でより重い発電機にスケールアップするよりはむしろ、平均電力要求量を供給しなければならないだけの小型のおよび/または軽量の発電機を可能にすることができる。DHESは、電力システムに追加の電力を供給するときに、典型的な発電機よりも速い応答をやはり可能にする。加えて、小型および/または軽量の発電機は、動作寿命延長を可能にし、これは、システムの信頼性を向上させ、保守管理コストおよび交換コストを削減する。重量およびサイズの減少は、飛行中の競合的優位性に相互に関係する。

0035

加えて、上に記述した実施形態のもう1つの利点は、過渡電力要求期間中にウルトラキャパシタの優先的放電のために電池の充電および放電性能における劣化が小さいことを可能にする。使用の充電および放電ストレスからの電池性能の劣化が少ないことは、航空機の電池システムの信頼性および長寿命性を向上させ、保守管理コストおよび交換コストを削減する。

0036

まだ記述していないという点で、様々な実施形態の様々な特徴および構造を、望むように相互に組み合わせて使用することができる。1つの特徴が実施形態のすべてにおいて図示されないことがあることは、そうでないと解釈すべきであることを意味せずに、説明の簡潔さのために行われている。したがって、新しい実施形態が明確に記述されるか否かに拘わらず、様々な実施形態の様々な特徴を、新しい実施形態を形成するために望まれるようにうまく組み合わせることができる。本明細書において説明した特徴のすべての組合せまたは並べ替えは、この開示によって保護される。

0037

この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、ならびにいかなる当業者でも、任意のデバイスまたはシステムを作成することおよび使用すること、および任意の組み込んだ方法を実行することを含む本発明を実行することをやはり可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く別の例を含むことができる。このような別の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはこのような別の例が特許請求の範囲の文面とは実質的でない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、このような別の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。

0038

2航空機
10電力システム
12左エンジンシステム
14右エンジンシステム
16デュアルハイブリッドエンジンシステム(DHES)
18発電機
20一体型コンバータ/コントローラ(ICC)
22 第1のDC電力バス
24 第2のDC電力バス
25 選択的カップリングリンク
26アクチュエータ負荷
27飛行臨界負荷
28 非飛行臨界負荷
29 DC電力バス
30ウルトラキャパシタ
32 第1のDC−DCコンバータ
34電池
36 第2のDC−DCコンバータ
38 負荷スペクトル選択フィルタ
40 第1のコントローラ
42 第2のコントローラ
44 DC電力バス信号
46コマンド信号
48 ウルトラキャパシタステータス信号
50 電池ステータス信号
52 第1のフィルタ信号
54 第2のフィルタ信号
60過渡電力要求
62定常状態電力要求

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