专利名称：飞行器电力管理的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及电力管理。更具体地，本发明涉及运载工具(vehicle)的电カ
管理系统。
背景技术：
按照越南战争现在被看成是直升机战争的方式，当前在伊拉克和阿富汗的冲突可被视为对无人驾驶飞机的应用。无人机可促进远程情报搜集，减轻对歩兵在只有很少或没有关于敌方势カ的位置和力量的信息的情况下“盲目地”进入敌方区域的需要。无人机可提供紧密的战斗支援，诸如识别和清除所关心的目标、减轻使士兵和/或飞行员暴露于潜在的小型武器火力、迫击炮、火箭榴弾、路边炸弹、防空武器、导弹及其他危险的需要。对于飞行器而言，通常存在提高性能的长期需要。之前的电カ管理改进包括在美国专利No. 5，315，819 (具有多种操作模式的系统)和美国专利No. 4，185，460 (控制对涡轮引擎的燃料供应的系统)中所公开的那些。然而，包括无人驾驶飞机在内的常规运载工具和飞行器的操作能力可能仍然有限。
发明内容
所公开的系统和方法可提高运载工具的性能。所述运载工具可以包括提供对节流阀请求的迅速运载工具响应的电カ管理系统。在飞行器的情况下，电カ管理系统可以采用互连发电设备、推进器驱动单元(PDU)、电池、航空电子设备以及辅助负载的电カ总线。控制器可以指导所述发电设备、所述推进器驱动单元、航空电子设备以及辅助负载的操作，并且可以接收来自所述电池和电カ总线的反馈。在慢速节流阀模式下，所述控制器可以指导所述发电设备向所述推进器驱动单元及其他负载供应电力，并且将电池大约保持为涓流充电或放电。响应于小的所请求的推进器驱动单元速度变化，所述推进器驱动单元可以随着由所述发电设备产生的电カ缓慢增加或減少而跟踪所述发电设备的输出。在快速节流阀模式下，诸如依据所请求的推进器驱动单元速度的突发的并且大的变化，所述控制器可以指导所述推进器驱动单元通过从所述电池提取超过由所述发电设备产生的电カ的附加电力来快速提高速度。随后，所述控制器可以指导所述发电设备产生与所请求的推进器驱动单元速度和由任何辅助负载提取的电カ相当的新的电力水平，并且对所述电池进行再充电。在一个实施例中，可以提供ー种用于运载工具的电カ管理系统。所述电カ管理系统可以包括被配置为产生电カ并且向电力总线供应电压的发电设备和与所述电カ总线互连的电池。所述电池可以被配置为从由所述发电设备产生的电カ充电并且该电カ从所述发电设备经所述电カ总线被供应给所述电池。所述系统可以包括与所述电カ总线互连的推进器驱动单元。所述推进器驱动单元可以被配置为经所述电カ总线从所述发电设备提取电カ以引起所述运载工具的移动。控制器可以被配置为在多个区别操作模式下指导所述电カ管理系统。每个区别操作模式可以不同的方式控制所述推进器驱动单元。第一区别操作模式可以是慢速节流阀模式，并且第二区别操作模式可以是快速节流阀模式。在所述慢速节流阀模式下，电カ流可以起自所述发电设备并且进入所述推进器驱动单元和所述电池。在所述快速节流阀模式下，电カ流可以从所述电池和所述发电设备进入所述推进器驱动单元。在所述快速节流阀模式下，所请求的、推进器驱动单元速度的提高初始地大体上全部由所述电池来供应电力。因此，在所述快速节流阀模式下，所述推进器驱动单元速度不受由所述发电设备产生的电カ的当前水平限制。
在另ー实施例中，可以提供ー种用于运载工具的电カ管理系统。所述电カ管理系统可以包括被配置为产生电カ并且向电力总线供应电压的发电设备和经所述电カ总线与所述发电设备互连的电池。所述电池可以被配置为根据与所述电カ总线关联的总线电压的水平而或者向所述电カ总线释放电流或者从所述电カ总线提取电流以对其自身充电。所述系统可以包括经所述电カ总线与所述发电设备和所述电池两者互连的推进器驱动单元。所述推进器驱动单元可以被配置为经所述电カ总线从所述发电设备和电池提取电カ。控制器可以被配置为在多个区别操作模式下指导所述电カ管理系统。每个区别操作模式可以不同的方式控制所述推进器驱动单元。第一区别操作模式可以是慢速控制模式并且第二区别操作模式可以是快速控制模式。在所述慢速控制模式下，所述控制器可以通过指导所述推进器驱动单元大约仅使用经所述电カ总线从所述发电设备向所述推进器驱动单元提供的电力量来指导所述推进器驱动单元的速度的变化跟踪由所述发电设备产生的电カ的变化。在所述快速控制模式下，所述控制器可以指导所述推进器驱动单元通过从所述电池提取达到所请求的速度所必要的并且超过由所述发电设备经所述电カ总线向所述推进器驱动单元提供的电カ的附加电力来快速响应对所述推进器驱动单元所请求的速度提高。因此，所述推进器驱动单元的速度不受由所述发电设备产生的电カ的水平限制。在另ー实施例中，可以提供一种电カ管理的方法。所述方法可以包括从位于运载工具上的发电设备产生电力。所述发电设备可与总线互连。所述方法可以包括在慢速节流阀操作模式下从由所述发电设备置于所述总线上的电压为所述运载工具的推进器驱动单元供应电力。所述推进器驱动单元可以在所述慢速节流阀模式下使用来自所述发电设备的电カ来驱动推进器。所述方法可以包括切換至快速节流阀操作模式，在所述快速节流阀操作模式下所述推进器驱动单元立即从所述电池提取将推进器速度提高所请求的量所必要的并且超过由所述发电设备经所述总线向所述推进器驱动单元提供的电カ的附加电カ。本领域的技术人员从下面对优选实施例的说明中将更加明了本发明的优点，所述优选实施例已通过示意的方式被示出和描述。如将意识到的那样，所述系统和方法能够适用于其他的以及不同的实施例，并且它们的细节能够在各个方面被修改。据此，附图和说明应被视为在本质上是示意性的而非限制性的。
图I示出了示例性的电カ管理系统。图2示出了示例性的电カ总线。
图3示出了对电カ管理系统的示例性控制。图4示出了用于切换电カ管理系统的控制模式的示例性方法。图5示出了示例性的电カ管理系统架构。图6示出了示例性的推进器驱动单元示意图。图7示出了示例性的PDU命令曲线。图8示出了示例性的电流调节器。图9和图10示出了与PDU控制关联的示例性电压带。
图11示出了示例性的慢速和快速节流阀模式。图12示出了示例性的瞬态行为。图13示出了示例性的不同(differential)节流阀控制。图14示出了示例性的命令限定増益。图15示出了示例性的总线电压调节；以及。图16示出了示例性的电流电压调节。
具体实施例方式一种系统和方法可提供提高运载工具性能的电カ管理系统。该电カ管理系统可提高运载工具对明显的节流阀増大的响应时间。运载工具可以包括经电カ总线互连的发电设备、电池以及ー个或多个推进器驱动单元(PDU)。控制器可以在多种控制模式下指导发电设备和推进器驱动单元的操作。在慢速节流阀操作模式下，推进器驱动单元可主要或全部从发电设备提取电力。在快速操作模式下，推进器驱动单元可从电池迅速提取超过当前由发电设备经电カ总线向推进器驱动单元提供的电カ的电カ。电カ管理系统可包括被配置为产生电カ并且向电力总线供应电压的发电设备。该发电设备可包括内燃机、外燃机、燃料电池或与发电机耦合的任何其他发电设备。该发电设备可接受液态氢作为燃料。燃料可以运行引擎，并且进而发电机可以产生将被置于电カ总线上的电力。电カ管理系统可包括经电カ总线与发电设备互连的电池或电池组。根据总线电压的水平，电池可以被配置为或者向电カ总线释放电流或者从电カ总线提取电流以对其自身充电。电カ管理系统可包括经电カ总线与发电设备和电池两者互连的ー个或多个推进器驱动单元。每个推进器驱动单元可以被配置为经电カ总线从发电设备和/或电池提取电カ并且使用所提取的电カ引起运载工具的移动。在一个实施例中，推进器驱动单元可以被配置为通过在所关联的推进器驱动单元的再生控制模式下风カ转动推进器来使推进器旋转并且经电カ总线向电池、辅助负载或其他推进器驱动单元供应电カ。电カ管理系统可以包括被配置为在多个区别操作模式下控制每个推进器驱动单元的处理单元。每个区别操作模式可提供向每个推进器驱动单元提供电カ的不同电カ源或电カ源的不同組合。第一区别操作模式可以是慢速节流阀模式，并且第二区别操作模式可以是快速节流阀模式。在慢速节流阀模式下，总线电压的当前水平可由发电设备来保持。电カ流可以起自发电设备并且进入推进器驱动单元和电池，或者电池可处于浮充状态。因此，推进器驱动单元的推进器可通过由发电设备所产生的并且在电カ总线上对推进器驱动单元可得到的电カ全部或几乎全部被驱动。与此同时，电池可或者经来自发电设备并且进入电池的电流的涓流充电或者经出自电池并且进入推进器驱动单元或其他负载的电流的涓流放电而被保持为所需的充电状态(SOC)。慢速节流阀模式可以是“稳定状态”或正常控制模式。在慢速节流阀模式下，推进器驱动单元可以响应所请求的速度的小变化。速度请求可以与推进器驱动单元的部件的速度关联，诸如发动机或发电机转子的速度、引擎或推进器的速度或者运载工具的地速或空速。该系统可通过将与节流阀请求关联的所请求的速度变化与预定阈值进行比较而将节流阀请求识别为小的节流阀请求。如果节流阀请求或关联的所请求的速度变化小于预定阈值，则该系统可以将节流阀请求识别为小的节流阀请求。因此，该系统可保持在慢速节流阀模式而不是转移到快速节流阀控制模式。在慢速节流阀模式下，小的节流阀请求可指示飞行员或驾驶员不需要运载工具速 度的迅速变化。该系统可以调整发电设备来增加或減少正被产生的电カ以和与节流阀请求关联的推进器驱动单元的新速度相当。随着发电设备缓慢调整至与所请求的速度的小变化关联的新的电カ水平，在总线上可得到的电カ改变。推进器驱动单元可根据在电カ总线上可得到的并且由发电设备产生的电力量来提高或降低推进器或其他部件的速度。换句话说，在慢速节流阀操作模式下，推进器驱动单元或其速度可“跟踪”由发电设备产生的电力。在快速节流阀模式下，处理单元可以指导推进器驱动单元迅速提高推进器驱动单元的速度，诸如发动机或推进器速度。因此，由于发电设备可能没有快速响应节流阀请求，推进器驱动单元可能需要比当前由发电设备提供的电カ多的电力。相反地，发电设备可能需要时间来达到速度，即改变正被产生的电力量。推进器驱动单元可经总线从电池提取迅速提高推进器、发动机或其他速度所必要的附加电力。例如，在响应节流阀请求时，推进器驱动单元可从总线提取超出的电力，使总线电压水平大约下降至电池电压。随后，电池可以将总线电压大约保持在电池电压上并且供应推进器驱动单元所需的超出的电流以快速响应节流阀请求以及将推进器驱动单元的速度改变至所请求的速度。处理单元可以指导发电设备产生与所请求的速度相当的更多或更少的电カ。随着发电设备逐步产生更多或更少的电力，总线电压可以返回其中总线电压由发电设备来确定的稳定状态，并且电カ流再次起自发电设备并且进入推进器驱动单元及任何辅助负载，以及进入电池或对电池进行浮充。电カ管理系统可以将大约等于或高于预定阈值的节流阀变化请求识别为主节流阀变化请求。主节流阀变化请求可触发电カ管理系统从慢速节流阀模式切换到快速节流阀模式。预定阈值可大约为推进器驱动单元速度的百分之五、百分之十或百分之二十的变化。可使用其他阈值。另外地或选择性地，电カ管理系统可基于ー个或多个节流阀模式设定的用户选择而从慢速节流阀模式切换到快速节流阀模式。该系统可包括与慢速节流阀模式、快速节流阀模式、再生模式及其他控制模式关联的各种用户选择和/或开关。对慢速节流阀模式开关的选择可将系统置于慢速节流阀模式。类似地，对快速节流阀模式开关的选择可将系统置于快速节流阀模式。
可提供多种控制模式。推进器驱动单元可包括处理器并且是自动调节的。电カ流可以相对于推进器驱动单元是双向的。电カ可在慢速或快速节流阀条件下流入推进器驱动単元。除了慢速节流阀模式(从发电设备为推进器驱动单元供应电力)和快速节流阀模式(从电池为所请求的推进器驱动单元速度的变化供应电カ)之外，再生模式可导致推进器驱动单元提供电カ到总线上并且到电池及其他负载中(诸如在风カ转动期间)。这样，在正常 操作下，推进器驱动单元可提取电力以产生推力(thrust)。然而，该系统也可为动态制动和燃烧无功电カ做准备。动态制动可包括在使运载工具变慢时将推进器驱动单元的电动机用作发电机。由推进器驱动单元产生的电カ可作为热量被耗散。另外，由推进器驱动单元产生的“再生”电カ可被置于总线和较低能耗上。使用动态制动使飞行器变慢可降低起落装置部件的磨损。该系统可将电池大约保持为70-80%的充电状态。在其中可能期望排出(dump)电力的情形下，诸如在迅速降低推进器驱动单元速度的情形下，没有完全充电的电池可具有多余的电カ存储容量。同时，具有70-80%的SOC的电池可被充分充电以支持依据大幅的节流阀请求的快速控制操作模式。I.示例性的电カ管理系统
图I示出了示例性的电カ管理系统100。电カ管理系统100可包括燃料供应102、流量控制104、交流发电机整流器単元106、电カ总线112、电池114以及ー个或多个推进器驱动单元116、118。该电カ管理系统可包括附加的、更少的或替换的部件。燃料箱可存储燃料供应102。燃料102可以为交流发电机整流器単元106供应电力。可由流量控制104控制到交流发电机整流器単元106的燃料流量。流量控制104可包括电气部件和机械部件。作为示例，流量控制104可包括各种电磁操作阀。可使用其他类型的电子控制阀。在一个实施例中，燃料102可以是液态氢。可使用其他燃料，包括化石燃料。交流发电机整流器単元106可包括内燃发动机108和发电机110。内燃发动机108可以靠燃料102运行。内燃发动机108可结合发电机110来操作以产生电力。发电机110可将所产生的电カ置于电カ总线112上。在可替换的实施例中，该系统可包括外燃发动机、电池、ー个或多个燃料电池、太阳能电池组、环境能量收集装置或替代交流发电机整流器单元和/或发动机的其他装置。在慢速节流阀模式下，主要或专门地来自发电机110的电カ可以为推进器驱动单元116、118供应电力。推进器驱动单元116、118可连接至电カ总线112。电カ总线112可与电池114互连。电池114可包括单电池或一系列电池组。电池114可以是可操作用于从电カ总线112提取电流或将电流置于电カ总线112上。在一个实施例中，电池可以是锂离子电池。每个电池组可包括大约105个电池。该电池可由Watertown,MA的A123 System, Inc. 制造。可使用其他电池。作为示例，如果发电机110产生比电池114的电压高的电压，则电流可从发电机110流到推进器驱动单元116、118和电池114中，对电池114充电。另ー方面，推进器驱动単元116、118可从电カ总线112提取足够的电流和电カ使得总线电压下降。如果总线电压下降至电池114的电池电压以下，则电流可从电池114流到推进器驱动单元116、118中，至少部分地从电池114为推进器驱动单元116、118供应电力。
II.示例性的电カ总线
图2示出了示例性的电カ总线200。总线200可以包括总线连接结构(busswork) 202并且互连交流发电机整流器単元(ARU) 204、电池206、推进器驱动单元208、航空电子设备210以及有效负载212。电カ总线200可互连附加的、更少的或替换的部件。交流发电机整流器単元204可以将电力提供到总线连接结构202上。诸如致动器的航空电子设备210以及诸如传感器和成像装置的有效负载212可以从总线连接结构202取得电力。推进器驱动单元208和电池206也可从总线连接结构202取得电力，以及将电力放到总线连接结构202上。电カ总线200可由控制器以两种或更多种控制模式来控制。可在慢速节流阀模式和快速节流阀模式下控制电カ总线200。在慢速节流阀模式下，可由内燃发动机的输出来缓慢改变并且控制电カ总线200上的电力。在这种模式下只有很少或没有电カ可从电池添加至电カ总线以补充总线电压。另ー方面，在快速节流阀模式下，可从电池取得电カ以使(一 个或多个)推进器驱动单元尽快达到所请求的速度。在一个实施例中，快速节流阀模式可被用于飞行器的起飞和降落，或者响应所请求的推进器驱动单元速度的大幅提高或降低，诸如可能在大风条件下所请求的那样。III.示例性的控制
图3示出了电カ管理系统300的示例性控制。该系统可包括电カ总线302、辅助负载304、发电设备306、电池308、推进器驱动单元312以及飞行控制计算机(FCC)318。该系统可包括附加的、更少的或替换的部件。在正常操作期间，飞行控制计算机318可在慢速节流阀控制模式320下控制电力管理系统300，如此处所论述的那样。慢速节流阀模式320可基于主要或全部从发电设备306为推进器驱动单元312供应电力。然而，在可能需要推进器驱动单元312对节流阀请求做出迅速反应的其他时间期间，飞行控制计算机318可在快速节流阀控制模式322下控制电力管理系统300，如此处所论述的那样。快速节流阀模式322可基于从发电设备306和电池308两者为推进器驱动单元312供应电力。在快速节流阀模式322下，可立即从电池308取得超出当前由发电设备306产生的电カ并且为根据节流阀请求来调整推进器驱动单元312的速度所必要的附加电力。因此，可减轻发电设备306对应正被请求的新速度来逐渐调整电カ产生可能需要的滞后时间。飞行控制计算机318可从电カ总线302和/或电池308接收反馈314、316。该反馈可表示总线电压或流出电池308的电流或电池电压。IV.示例性的方法
图4示出了在多个模式之间切换对电カ管理系统的控制的示例性方法。方法400可包括用电カ管理算法对控制器编程402、在正常或慢速节流阀控制模式下操作404、在收到明显的节流阀或其他请求时在快速节流阀控制模式下操作406以及返回慢速节流阀控制模式408。该方法可包括附加的、更少的或替换的动作。如此处所论述的那样，控制算法可产生为(ー个或多个)推进器驱动单元的操作供应电カ的推进器驱动单元控制电流。方法400可包括在多个区别操作模式下控制每个单独的推进器驱动单元。每个区别操作模式可提供经总线驱动推进器驱动单元的不同电カ源。在慢速节流阀模式404下，所述方法可保持总线电压使得大体上仅发电设备为推进器驱动单元供应电力。在一个实施例中，随着发电设备的内燃发动机达到与所请求的推进器速度的微小增长相当的速度，可缓慢添加经总线对推进器驱动单元可得到的电力量，并且只有很少或没有电カ可从电池添加到总线上。在快速节流阀模式406下，推进器驱动单元可提取比由发电设备提供的电カ多的电力。所述方法可从慢速节流阀模式切换至快速节流阀模式。在一个实施例中，在系统切换至快速节流阀模式之后，可从电池取得使推进器驱动单元尽快达到所请求的推进器速度所必要的、所请求的电カ增长。因此，在慢速节流阀模式下可由发电设备保持总线电压，而在快速节流阀模式下可由电池至少部分地并且暂时地保持总线电压。 方法400可包括在切换至快速节流阀模式之后指导发电设备调整被产生的电カ以对应于所请求的新速度。一旦发电设备正产生与在所请求的新速度下为(ー个或多个)推进器驱动单元供应电カ相当的电力，并且虑及从总线供应电カ的辅助负载，所述方法就可使系统控制返回慢速节流阀模式408以使得电カ不再从电池取得。V.示例性的架构 A.电カ管理系统
图5示出了电カ管理系统500的示例性架构。系统500可包括ー个或多个有效负载502、航空电子设备504、导航及控制(GNC)单元506、电池508、发电设备510、推进器驱动单元(TOU)命令限定软件和/或硬件512以及ー个或多个推进器驱动单元514。该架构可包括附加的、更少的或替换的部件。如图5所示，发电设备510可响应通过将接收自有效负载502、航空电子设备504以及GNC单元506的信号和与电池508的充电状态关联的电池充电命令信号结合所生成的总电カ命令信号。该总电力命令信号可对应于由系统负载所请求的总电力。总电カ命令信号可由发电设备510或与控制发电设备510关联的处理器接收。发电设备510可产生电カ并且将电カ置于电カ总线上。电池508可根据电池电压相对于总线电压的当前水平来充电或放电。当来自推进器驱动单元514的电カ需求超过由发电设备510产生的电カ时，电池508可将电流馈送到总线上。PDU命令限定逻辑和/或电路512可被用于产生供应物理推进器驱动单元514的电流。PDU命令限定单元512可接受总线电压作为ー个输入并且接受诸如来自GNC单元506的电カ命令的电カ命令作为另ー个输入。PDU命令限定単元512可基于当前的操作模式是慢速节流阀模式、快速节流阀模式还是其他模式来调节总线电压以向推进器驱动单元514提供所需的电流。PDU命令限定逻辑和/或电路512可促进限制电池上的压カ或电池循环的快速/慢速节流阀行为。可通过推进器驱动单元514的操作来实现压力限制。例如，电压设定点可由零电池电流确定并且与零电池电流关联。如附图所示并且如下文所论述的那样，在慢速节流阀模式下(I)可允许总线电压围绕设定点以小的变动变化，⑵上电压极限和下电压极限可防止明显的电池使用；以及(3)命令曲线可具有包括恒定增益或恒定极限的ー个或多个部分。在快速节流阀模式下(I)可允许总线电压围绕设定点大范围地变化(诸如比在慢速节流阀模式下更大地变化)；(2)上电压极限和下电压极限可设定电池充电速率和放电速率；以及(3)可使用界外极限(outside limit)以及限定命令,诸如采用最大和最小电流和电压极限。B.推进器驱动单元
在一个实施例中，该系统可包括被用于转动飞行器的推进器的轻型、高效率的发动机驱动单元。可存在与电カ管理系统互连的四至八个推进器驱动单元。推进器驱动单元控制器(roc)可驱动每个推进器驱动单元。推进系统可包括四个主要的子部件(I)无铁心的永磁发动机和/或发电机、(2)逆变器及控制器、(3)推进器以及(4)以太网交換机。该推进系统可包括附加的、更少的或替换的部件。
图6是推进器驱动单元600的示例性示意图。推进器驱动单元600可包括逆变器604、电磁干扰(EMI)滤波器606、电カ级608、推进器驱动单元控制器610、发动机616以及推进器(未示出)。推进器驱动单元600可包括附加的、更少的或替换的部件。推进器驱动单元600可接受电カ总线602上的DC电压。在一个实施例中，DC电压可处于大约200V与大约370V之间。可使用其他电压。控制器610可与各种控制器、网络以及装置通信，诸如进行RS 232通信620。控制器610也可诸如在以太网上或使用IEEE 802标准从主控制器612接收信号以及向其发送信号。主控制器612可与交流整流器単元614双向通信。EMI滤波器606可从接收自DC电カ总线602的电カ信号中去除噪声。电カ级608可变换电力信号。电カ级608可向控制器610和与推进器驱动单元600关联的发动机616两者提供电力。发动机616可与促进运载工具移动的推进器(未示出)互连。推进器可包括可以多种传动比操作的常规变速传动。发动机616可从控制器610接收命令并且往回向控制器610提供反馈和传感器信号618。发动机616可包括数个传感器,诸如温度传感器和速度传感器。发动机616可向控制器610发送温度、速度及其他信号618。控制器610可响应于所接收的信号而变更推进器驱动单元600的操作。C. PDU命令限定曲线
图7示出了示例性的PDU命令限定曲线700。PDU命令限定曲线700描绘了由控制推进器驱动单元的操作的电カ管理系统所产生的经调节的电流。电カ管理系统可以被配置为根据图7的曲线图来保持总线电流和电压。图7的y轴指示被提供给推进器驱动单元的总线电流702，而X轴指示总线电压704。随着总线电压704的改变，系统可调整由PDU命令限定电路和/或软件产生的并且为(ー个或多个)推进器驱动单元供应电カ的总线电流702。PDU命令限定功能可提供电流相对电压的控制曲线图，其包括最小电压部分710、控制范围706以及最大电压部分708。最小电压部分710可具有与低电压增益关联的、总线电流相对总线电压的斜率。最大电压部分708可具有与高电压增益关联的、总线电流相对总线电压的斜率。PDU命令限定曲线700可包括上电压极限和下电压极限，以及上电流极限和下电流极限以提高系统可靠性并且增强对整个系统和単独的推进器驱动单元的稳定控制。例如，过剩的总线电流和电压可能破坏总线连接结构以及辅助负载，或者使发动机超速运行，导致失去对推进器驱动单元的控制。
PDU命令限定功能可以被配置为尽可能将总线电流702保持在控制范围内。该控制范围可由下总线电压718和上总线电压716以及下总线电流714和上总线电流712限定。当总线电压704处于下限718时，可产生下总线电流714的水平的命令电流，并且当总线电压704处于更高的总线电压极限716时，可产生更高的总线电流712的水平的命令电流。可使用其他控制范围。D.控制和调节处理器
电カ管理系统可以调节总线电压。可如图15所示的那样实现基本的总线电压调节。为了确保适当的推进以及推进器驱动单元之间的负载分配，优选地可使用比例増益。图15所描绘的总线电压调节可确保(I)平衡的推进器加载，以及(2)紧密电压环路电压调节。推进器加载可在多个推进器驱动单元之间均匀分配。电压调节可使用实际的总线电压作为反馈以调节基准电压信号。如图15所示，可将基准总线电压和总线电压发送到加法器，其结果可被馈送到比 例増益单元以生成基准电流信号。可将基准电流信号发送到电流调节器以被进ー步调节。可使用其他总线电压调节。电カ管理系统可调节总线电流。可如图16所示的那样实现基本的总线电流调节。总线电流调节可确保推进器驱动单元之间适当的并联和负载分配。优选地，可使用比例积分増益。如图16所示，可将基准总线电流和总线电流发送到加法器，其输出可被发送到比例积分器(PD。比例积分器可产生被发送到电流调节器的基准电流，电流调节器可产生命令电流以控制推进器驱动单元。可使用其他总线电流调节。E.电流调节器
图8示出了示例性的命令电流调节器800。电流调节器800可产生根据控制曲线图控制推进器驱动单元的命令电流，所述控制曲线图诸如为在图7中所描绘的控制曲线图。上总线电压阈值和下总线电压阈值可被用于调节总线电压信号。上总线电压阈值和下总线电压阈值可被用于确保总线电压处在上界和下界之内。在图8中示出了被调节的总线电压828。可通过基于电流设定的函数830来调整被调节的总线电压828，并且可由最大电流极限和最小电流极限来限制该被调试的总线电压828。随后，该被调节的总线电压828可被发送到加法器858，加法器858的输出可被发送到比例积分器(PI) 860。图8的上半部分可向比例积分器860提供最大电流极限信号864，并且图8的下半部分可向比例积分器860提供最小电流极限信号866。比例积分器860进而可产生PDU命令电流信号862。在一个实施例中，PDU命令电流信号862可以是包括图7在内的、目前的附图所示的总线电流。可使用其他推进器驱动单元命令电流。如图8所示，可将最大电流信号818供应给第一加法器810。可将最大速度信号822和实际速度信号820 (表示推进器驱动单元部件的当前速度)发送到加法器802以产生信号，该信号可以在被第一加法器810接收之前由常数842和斜坡函数850调整。可在第二加法器812处调整第一加法器810的输出。可将最小总线电压信号824和总线电压信号826发送到加法器804以产生信号，该信号可以在被第二加法器812接收之前由常数844和斜坡函数852调整。第二加法器812可以将最大电流极限信号864发送到比例积分器860。如图8底部所示，可将最小电流信号840供应给第三加法器816。可将最大总线电压信号836和总线电压信号838发送到加法器808以产生信号，该信号可以在被第三加法器816接收之前由常数848和斜坡函数856调整。可在第四加法器814处调整第三加法器816的输出。可将最小速度信号832和实际速度信号834 (表示推进器驱动单元部件的当前速度)发送到加法器806以产生信号，该信号可以在被第四加法器814接收之前由常数846和斜坡函数854调整。
第四加法器814可将最小电流极限信号866发送到比例积分器860，比例积分器860可产生命令电流862，如在上文中所指出的那样。在一个实施例中，命令电流862可以是被发送到推进器驱动单元的转矩命令。可以编程语目来使用图8的逻辑,所述编程语目诸如为Turbo C、Turbo C++、C、Pascal、面向对象的语言或其他编程语言。优选地，基于C的语言被使用。软件可产生控制推进器驱动单元中的ー个或多个的电流。软件可包括调节DC总线电流的主函数或空函数(void function)。主例程可调用以下例程(I)取回总线电流命令请求的例程，⑵将总线电流限制在最大和最小电流之内的例程，(3)计算对总线电流的调整(使用上电压阈值和下电压阈值以及上电压增益和下电压增益)的例程，⑷对总线电流滤波的例程，以及(5)将总线电流限制在由最大电流极限和最小电流极限限定的范围之内的例程。该软件可包括第一例程，该第一例程基于超过速度极限或当总线电压降至最小可接受总线电压以下时调整总线电流调节器的上电流极限。第一例程可接受总线电压、速度、最大电流、最大速度以及最小总线电压作为输入，并且返回最大电流极限。该软件可包括第二例程，该第二例程基于转子变为在下速度极限以下转动或当总线电压超过最大可接受总线电压时调整总线电流调节器的上电流极限。第二例程可接受总线电压、速度、最小电流、最小速度以及最大总线电压作为输入，并且返回最小电流极限。该软件可包括第三例程，该第三例程基于总线电压来计算总线电流调整。第三例程可接受总线电压、下电压阈值和上电压阈值、下电压阈值与上电压阈值之间的电流变化、较低的电压增益(在总线电压小于下电压阈值时与总线电流关联)以及较高的电压增益(在总线电压大于上电压阈值时与总线电流关联)作为输入，并且返回总线电流调整。该软件还可包括使电压、速度和/或电流浮动(float)在设定点附近或带极限之内的例程。可使用具有附加的、更少的或替换的功能的软件例程。F.电压带定义
图9-14指示了可由此处所论述的电压和电流调节生成的命令曲线。图9示出了示例性的PDU命令限定曲线900，其中在y轴上指示总线电压并且在X轴上指示I3DU电流。TOU命令电流可在电压带之内不改变，诸如在7. 5安培的命令电流处，如图9所示。将PDU命令电流紧密地控制在电压带之内可增强系统控制和可靠性。可针对更高的总线电压增大rou命令范围。类似地，可针对更低的总线电压减小PDU命令范围。图10示出了示例性的电压带定义1000。y轴可指示(I)慢速节流阀电压范围、(2)快速节流阀电压范围以及(3)总线电压极限。如图所示，控制曲线可以位于7. 5安培处的设定点为中心。慢速节流阀电压范围可处在更大的快速节流阀电压范围之内并且小于该更大的快速节流阀电压范围。可由最大慢速模式电压和最小慢速模式电压来限定慢速节流阀电压范围。可由最大快速模式电压和最小快速模式电压来限定快速节流阀电压范围。可由最大电压极限和最小电压极限限定总线电压。PDU命令电流可在某一带内对于总线电压变化是不变的。例如，图10示出了 rou命令电流可在慢速节流阀电压带的最大电压极限和最小电压极限之内固定在大约7. 5安培处。另外，可在总线电压超过带极限时限制PDU命令电流。G.慢速/快速节流阀模式
图11示出了与慢速和快速节流阀模式1100关联的示例性控制曲线。同样地，y轴描绘了总线电压并且X轴描绘了推进器驱动单元电流。实线可描绘慢速节流阀控制曲线，而虚线可表示快速节流阀控制曲线。如图所示，慢速节流阀控制可比快速节流阀控制更紧密地被控制。快速节流阀控 制可在更大的总线电压范围上操作，以便适应推进器驱动单元速度的突然的并且明显的所请求的变化。在快速节流阀模式下控制推进器驱动单元迅速改变速度并且提取提高速度所需的超出的电カ可在慢速节流阀模式下引起更大的总线瞬态，其中推进器驱动单元可被指导为缓慢地跟踪由发电设备产生的电力。H.瞬态行为
图12至图14示出了电カ管理系统1200、1300、1400的示例性的瞬态行为。同样地，y轴描绘了总线电压并且X轴描绘了推进器驱动单元电流。总线上的瞬态行为可以是从慢速控制模式转变为快速控制模式或其他负载增加/減少的結果。如图12所示，点A可以是初始操作点。初始操作点A可处于初始推进器驱动单元电流上，即在最大可容许的命令电流的25%处。可接收命令系统提高推进器驱动单元的速度的节流阀请求。在所示的示例中，所请求的速度的变化对应于将推进器驱动单元电流提闻至最大可容许电流的50%。在点B处，总线电压可由于推进器驱动单元负载的增加而下降。总线电压可下降至电池电压或下降至电池电压以下，使电池将电流释放到总线上和到推进器驱动单元中。在一个实施例中，进入推进器驱动单元中的命令电流可被降低至大约30%以避免进ー步的压降。在点C处，发电设备可缓慢响应于命令信号。发电设备可增加电カ产生和总线电压。因此，推进器驱动单元命令电流可増加。在点D处，总线电压可返回额定值。推进器驱动单元、发电设备以及电池可实现并且返回稳定状态。总而言之，从点B移动至点C可以是瞬态路径；从点A移动至点C可以与系统误差关联；并且从点D向前移动至图12的右侧，总线电压可由上极限命令増益边界来限制。图13示出了示例性的不同节流阀命令曲线1300。右翼上的推进器驱动单元可与左翼上的推进器驱动单元不同地被控制。例如，可以不同速度或沿不同方向来控制推进器驱动单元。在图13中，实线可描绘前进的推进器驱动单元命令极限。虚线可描绘减速的推进器驱动单元命令极限。实线箭头可描绘前进的推进器驱动单元命令轨迹。虚线箭头可描绘減速的推进器驱动单元命令轨迹。图14示出了示例性的命令极限增益。实线可描绘具有固定极限的可变增益。虚线可描绘具有可变极限的固定増益。箭头可描绘瞬态命令轨迹。图14示出了用于该系统的两个初始操作点。从所述初始操作点中的任何ー个，该系统均可达到所规定的极限(中心，实点)。总而言之，快速/慢速电压带可以推进器驱动单元电压设定点为中心。该电压设定点可以是(I)电池在其上提供所需电流的近似电压，(2)用于电池充电的高电压，或者
(3)用于使电池放电的低电压。该电压设定点可以随电池充电状态(SOC)、电池型号以及对推进器驱动单元的电池电流反馈而变化。电カ管理系统可改变总线电压，但保持电流恒定(通过可变电压)。可使用更低和更高的总线电压极限。VI.示例性应用
在一个应用中，运载工具可以是能够在地面上持续飞行长达大约65，000英尺的遥控无人驾驶飞机。无人机可超越空中交通和天气进行操作，具有超过长达一周的飞行持续时 间，提供位置保持能力，结合备份平台操作以确保在所关心的区域上的连续和远程的情报搜集覆盖，并且可直接互连到外部通信网络中。无人机可被用作中继通信及其他有效负载的平台。无人机可促进双向宽带、语音和/或窄带通信，并且可捕捉和促进视频和/或音频的广播。无人机可与下列各项通信(I)具有大约两英寸小的天线的固定用户设备、(2)入口站、(3)因特网、(4)圆盘式卫星天线以及(5)移动用户设备，诸如手持装置、手机、PDA、膝上型笔记本、GPS装置及其他装置。无人驾驶飞机可经卫星链路与位于地面上的任务控制站通信。无人机可提供实时的高分辨率视频成像，其可被地面上的、空中的以及海上的战斗部队实时访问。无人机的任务示例可包括持续监视通信或GPS功能、电磁干扰的检测和定位、战术根据地上的气象和通信监控、战地指挥官的动态任务分派、通信增强、带宽扩展、对只有很少或没有其他覆盖的区域的可靠覆盖、实时搜集持久并且可采取行动的情报、干扰、干扰源跟踪、导弹防御、战场及空域认知、空域冲突避免以及专用通信支持。尽管已描述了本发明的优选实施例，应理解的是本发明不限于此，并且可进行修改而不背离本发明。本发明的范围由所附权利要求限定，并且或者在字面上或者根据等同原则落入权利要求的含意内的所有装置均意在被包含于其中。因此，意图在于前述详细说明应被视为示意性的而非限制性的，并且应理解的是，意在由包括所有等同内容在内的下述权利要求来限定本发明的主g和范围。
权利要求
1.ー种用于运载工具的电カ管理系统，所述电カ管理系统包括 发电设备，其被配置为产生电カ并且向电力总线供应电压； 与所述电カ总线互连的电池，所述电池被配置为从由所述发电设备产生的电流充电并且所述电流从所述发电设备经所述电カ总线被供应到所述电池； 推进器驱动单元，其与所述电カ总线互连并且从所述发电设备经所述电カ总线提取电力以引起所述运载工具的移动；以及 控制器，其被配置为在多个区别操作模式下指导所述电カ管理系统，每个区别操作模式以不同的方式控制所述推进器驱动单元， 其中第一区别操作模式是慢速节流阀模式并且第二区别操作模式是快速节流阀模式； 其中在所述慢速节流阀模式下，电カ流大体上仅起自所述发电设备并且进入所述推进器驱动单元和所述电池；并且 其中在所述快速节流阀模式下，电カ流从所述电池和所述发电设备进入所述推进器驱动单元，并且所请求的推进器驱动单元速度的提高初始地大体上全部由所述电池来供应电力，使得在所述快速节流阀模式下，所述推进器驱动单元速度不受由所述发电设备产生的电カ的当前水平限制。
2.根据权利要求I所述的电力管理系统，其中在所述慢速节流阀模式下，所述总线电压的水平由所述发电设备来保持并且所述总线电压足够高以使得所述电カ流起自所述发电设备和所述推进器驱动单元并且进入所述电池，使得在所述电池被保持为涓流充电状态的同时通过主要由所述发电设备产生的电カ来驱动由所述推进器驱动单元的发动机使其旋转的推进器。
3.根据权利要求2所述的电力管理系统，其中在所述快速节流阀模式下，所述控制器指导(I)所述推进器驱动单元迅速提高推进器速度以使得所述推进器驱动单元提取比当前由所述发电设备经所述总线提供给所述推进器驱动单元的电カ多的电力，导致所述推进器驱动单元从所述电池提取迅速提高推进器速度所必要的附加电力，并且所述控制器指导(2)所述发电设备产生与所请求的推进器速度相当的更多电力以使得随着所述发电设备逐渐产生更多电力，所述总线电压返回其中所述总线电压由所述发电设备确定的状态，而所述电カ流再次起自所述发电设备并且进入所述推进器驱动单元和所述电池。
4.根据权利要求I所述的电力管理系统，其中所述推进器驱动单元包括推进器并且使用经所述总线从所述发电设备和所述电池提取的电カ来使所述推进器旋转，并且所述推进器驱动单元被配置为在再生操作模式下通过风カ转动所述推进器而经所述总线向所述电池供应电力。
5.根据权利要求I所述的电力管理系统，其中所述发电设备包括被配置为使用液态氢作为燃料的内燃发动机。
6.根据权利要求I所述的电力管理系统，其中所述运载工具是遥控的无人驾驶飞行器，并且其中航空电子设备单元和导航及控制单元与所述电カ总线互连。
7.根据权利要求I所述的电力管理系统，其中所述控制器被配置为在总线电流大约保持在设定点的同时将总线电压保持在由最大电压和最小电压限定的范围内。
8.ー种用于运载工具的电カ管理系统，所述电カ管理系统包括发电设备，其被配置为产生电カ并且向电力总线供应电压； 经所述电カ总线与所述发电设备互连的电池，所述电池被配置为根据与所述电カ总线关联的总线电压的水平或者向所述电カ总线释放电流或者从所述电カ总线提取电流以对其自身充电； 推进器驱动单元，其经所述电カ总线与所述发电设备和所述电池两者互连，所述推进器驱动单元被配置为经所述电カ总线从所述发电设备和电池提取电カ；以及 控制器，其被配置为在多个区别操作模式下指导所述电カ管理系统，每个区别操作模式以不同的方式为所述推进器驱动单元供应电力， 其中第一区别操作模式是慢速控制模式并且第二区别操作模式是快速控制模式； 其中在所述慢速控制模式下，所述控制器通过指导所述推进器驱动单元大约仅使用经所述电カ总线从所述发电设备向所述推进器驱动单元提供的电力量来指导所述推进器驱动单元的速度的变化跟踪由所述发电设备产生的电カ的变化； 其中在所述快速节流阀模式下，所述控制器指导所述推进器驱动单元通过从所述电池提取达到所请求的速度所必要的并且超过由所述发电设备经所述电カ总线从所述电池向所述推进器驱动单元提供的电カ的附加电力来快速响应对所述推进器驱动单元所请求的速度提高，使得所述推进器驱动单元的速度不受由所述发电设备产生的电カ的水平限制。
9.根据权利要求8所述的电力管理系统，其中在所述慢速控制模式下，所述总线电压被保持为使得所述发电设备向所述推进器驱动单元供应电力，并且随着所述发电设备的内燃发动机达到与所请求的推进器速度的小变化相当的速度而缓慢地添加经所述总线对所述推进器驱动单元可用的电力量，并且没有电カ从所述电池被添加到所述总线上。
10.根据权利要求9所述的电力管理系统，其中在所述快速节流阀操作模式下，所述推进器驱动单元提取比由所述发电设备提供的电カ多的电力，并且从所述电池取得使所述推进器驱动单元尽快达到所请求的推进器速度的大变化所必要的、所请求的电カ增长，与所述快速控制模式关联的、所请求的推进器速度的大变化大于与所述慢速控制模式关联的、所请求的推进器速度的小变化，使得在所述慢速控制模式下，由所述发电设备保持所述总线电压，并且在所述快速控制模式下，由所述电池保持所述总线电压。
11.根据权利要求8所述的电力管理系统，其中所述推进器驱动单元使用从所述总线提取的电カ来使推进器旋转，并且所述推进器驱动单元的速度对应于推进器速度。
12.根据权利要求11所述的电力管理系统，其中所述发电设备包括使用液态氢作为燃料的内燃发动机，并且所述推进器驱动单元被配置为在再生模式下通过风カ转动所述推进器而经所述总线向所述电池供应电力。
13.根据权利要求8所述的电力管理系统，其中所述控制器基于快速节流阀模式设定的用户选择或者在识别大于或大约等于预定阈值的、所请求的推进器驱动单元速度的变化时从慢速节流阀模式切換至快速节流阀模式。
14.一种电カ管理方法，所述方法包括 从位于运载工具上的发电设备产生电力，所述发电设备与总线互连； 在慢速节流阀操作模式下从由所述发电设备置于所述总线上的电压为运载工具的推进器驱动单元供应电力，所述推进器驱动单元被配置为在所述慢速节流阀模式下使用来自所述发电设备的电カ来驱动推进器；以及切換至快速节流阀操作模式，在所述快速节流阀操作模式下所述推进器驱动单元立即从所述电池提取将推进器速度提高所请求的量所必要的并且超过由所述发电设备经所述总线向所述推进器驱动单元提供的电カ的附加电カ。
15.根据权利要求14所述的电力管理方法，所述方法包括 接收请求由所述推进器驱动单元驱动的推进器的推进器速度的变化的节流阀请求； 识别所请求的推进器速度的变化是否高于预定阈值； 如果确定所请求的推进器速度的变化大约等于或大于预定阈值，则切換至所述快速节流阀操作模式；以及 在切換至所述快速节流阀操作模式之后，指导所述发电设备将正被产生的电カ调整为与所请求的推进器速度和由所述发电设备经所述总线供应电カ的任何其他负载相当。
16.根据权利要求14所述的电力管理方法，所述方法包括根据快速节流阀模式设定的用户选择而切换至所述快速节流阀操作模式。
17.根据权利要求14所述的电力管理方法，所述方法包括在再生控制模式下风カ转动所述推进器驱动单元的推进器，使得电カ从所述推进器驱动单元产生并且被置于所述总线上，由此对所述电池充电。
18.根据权利要求14所述的电力管理方法，其中所述发电设备从液态氢产生电力，而所述运载工具是无人驾驶飞行器并且经遥控来操作。
19.根据权利要求14所述的电力管理方法，其中在所述快速节流阀模式下，(I)总线电压围绕设定点变化；以及(2)上电压极限和下电压极限设定电池充电和放电速率。
20.根据权利要求14所述的电力管理方法，其中在所述慢速节流阀模式下，(I)允许总线电压与在所述快速节流阀模式下相比围绕设定点以更小的增量变化；以及(2)控制限定曲线包括具有恒定电压增益的部分。
全文摘要
一种运载工具的电力管理系统可以经总线互连发电设备、推进器驱动单元以及电池。控制器可以指导所述发电设备和所述推进器驱动单元的操作。在慢速控制模式下，所述推进器驱动单元可以缓慢地对小的节流阀变化请求做出反应。在慢速控制模式下，所述推进器驱动单元可以完全或大体上从所述发电设备提取电力。依据迅速改变推进器驱动单元速度超过阈值量的节流阀请求，所述控制器可以指导所述推进器驱动单元通过从所述电池提取超过从所述发电设备产生的电力的所需电力来快速获得所请求的速度。随后，所述控制器可以指导所述发电设备增加电力产生以将所述推进器驱动单元保持在新的速度上，并且对所述电池进行再充电或浮充。
文档编号B64C11/00GK102725195SQ201080052999
公开日2012年10月10日 申请日期2010年9月20日 优先权日2009年9月23日
发明者M.阿杜拉欣, R.M.科赫, S.G.伯曼, T.B.马图塞斯基 申请人:飞行环境公司