紧急动力供给系统、飞行器和在飞行器中提供动力的方法
【专利说明】紧急动力供给系统、飞行器和在飞行器中提供动力的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2014年9月29日提交的欧洲专利申请N0.14 186 828.1的优先权，该申请的整体内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明涉及一种紧急动力供给系统、一种具有该紧急动力供给系统的飞行器以及一种用于在飞行器的紧急情况下至少提供电力和液力的方法。
[0004]具体地，本发明涉及一种用于在飞行器中至少提供液力和电力的紧急动力供给系统，涉及一种具有电力系统和液力系统以及该紧急动力供给系统的飞行器。本发明还涉及一种用于在紧急情况下至少提供电力和液力的方法。
【背景技术】
[0005]基于冲压空气涡轮(RAT)的紧急动力供给系统是已知的，冲压空气涡轮与用于向飞行控制系统的致动器提供液力的液压栗机械耦接。为了提供电力，液压动力发电机与液压系统耦接。
[0006]在例如EP 1 859 499 B1和EP 2 222 562 B1中知晓了提供燃料电池系统而非用于在紧急情况下提供电力的发电机的概念。
[0007]将冲压空气涡轮更换为燃料电池需要修改电动系统或液压系统，因为燃料电池仅能够提供电压明显低于用于通过诸如400Hz的115V的公共电压生成交流电的所需电压的直流电。再者，燃料电池仅递送直流电，其还取决于施加到燃料电池的电负载。
[0008]此外，公共电动液压栗还需要相当高的电压，并且特别是在起动期间，需要大电流。因此，根据保守的设计方法，燃料电池将包括显著的尺寸和重量，并且不得不接受可变的直流输出电压。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的在于提供一种具有显著的可靠性的改进的紧急动力供给系统，允许安全操作并且需要最小的附加重量。
[0010]通过具有独立权利要求1的特征的紧急动力供给系统满足该目的。根据从属权利要求和下面的描述可以获得有利实施例和进一步的改进。
[0011]提出了一种用于在飞行器中至少提供液力和电力的紧急动力供给系统。该系统包括:具有电出口的至少一个燃料电池，其用于提供电力；用于电力转换的转换单元，其能够与飞行器的交流(AC)总线和至少一个燃料电池的电出口耦接；以及至少一个液压栗，其具有能够重新配置的电机和电机控制单元，并且能够与飞行器的液压系统耦接用于提供液力。转换单元适于将至少一个燃料电池的出口的供电电压转换成与交流总线处的预定电压匹配的交流电压。能够重新配置的电机能够与至少一个燃料电池和交流总线耦接，其中能够重新配置的电机适于通过来自至少一个燃料电池或交流总线的电力供给而操作。
[0012]至少一个燃料电池可以是单个燃料电池、燃料电池堆或多个燃料电池堆。在空气被用作氧化剂的情况下，至少一个燃料电池能够在氢气或含氢气体和氧气或含氧气体的消耗下进行燃料电池处理用于生成电力、水和氧气耗尽空气。燃料电池自身可以具有任何适当类型，可以包括低温、中温或高温燃料电池类型，其产生电、热和水。对于车辆中的使用，燃料电池优选地可以包括质子交换膜燃料电池，其还被称为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。然而，根据飞行器内部的动力需要和可用安装空间，燃料电池也可以被实现为固体氧化物燃料电池，其经历高得多的操作温度。
[0013]转换单元将被理解为能够进行电压转换的装置，该转换单元还可以被称为电压转换器。在现有技术中，多种不同类型的电压转换器是已知的。例如，使用变压器可以容易地转换交流电。然而，从一个直流(DC)电压到另一直流或交流电压的转换需要功率电子装置。
[0014]在本发明的背景下，转换单元可以主要执行将来自燃料电池的电出口的直流电转换成用于交流总线的交流电的功能。然而，如根据下文显见的，这不应被理解为限制。
[0015]有利地提供具有能够重新配置的电机的液压栗，该能够重新配置的电机适于通过来自至少一个燃料电池的电出口或者交流总线的电力供给而操作。因此，最终没有必要提供专用的液压栗，而是使用液压回路中现有的液压栗，其中紧急动力供给系统在紧急情况下在其操作中集成该现有的液压栗。
[0016]除了提供紧急电力供给之外，该设置允许通过在正常操作期间来自交流总线的交流电压供给来驱动能够重新配置的电机。在紧急情况下，电机可以被重新配置以便能够通过来自至少一个燃料电池的电力供给驱动。因此，仅需要对包括液压动力飞行控制和交流总线的现有飞行器架构的最小改变。因此本发明通过具体考虑飞行器中的集成提供了一种构成重量显著最优化的整体紧急系统的系统。
[0017]电机的重新配置将被理解为使得电机能够改变电机中的特别是定子的绕组的连接方案。根据绕组数目，可以存在允许显著降低操作电机所需的电压的许多不同的连接方案。例如，Y连接可以变为△连接。然而，还可以使用串联连接的每相的两个极对，使得Y连接方案和A方案的支路均具有两个极对。再者，两个极对可以彼此并联连接。显然还可以实现它们的组合。又及，重新配置还可以包括电机控制电子装置的重新配置。本领域技术人员将获得下面的许多示例性实施例以便选择适当的设置。
[0018]总而言之，根据本发明的紧急动力供给系统是用于维持或增加飞行器特别是在紧急情况下的可靠性和安全性的重量高效的解决方案。通过上述特征，可以提供电压显著低于生成适于提供给交流总线或者驱动电机的交流电所需的电压的燃料电池。通过重新配置，可以借助于具有特别小尺寸的燃料电池操作电机，此外，对于该紧急动力供给系统，不需要专用的电机。
[0019]在有利的实施例中，电机包括具有一组互连的定子绕组的定子，其中定子绕组的连接方案能够选自至少两个模式。如上文所述，电感应电机包括具有对应于供电电流的每相的若干绕组或绕组群组的定子铁芯组件。通过改变这些绕组之间的互连，可以选择电机的不同特性。例如，通过将绕组互连从Y模式切换到A模式，驱动电机所需的电压降低。如果电机被示例性地设计用于115V的操作，则该电压值可以与Y连接相关联。当该连接切换到A连接时，所需电压可以低至66V。
[0020]另一实施例包括电机控制电子单元，其能够连接到至少一个燃料电池的电出口和电机，其中电机控制电子单元适于将燃料电池递送的电压转换成施加磁场定向控制的电机供给电压。磁场定向控制还被称为矢量控制，被视为用于电机的可变频率驱动控制方法。该控制允许生成三相脉冲宽度调制电机电压输出，其能够影响电机的转矩和速度。这允许进一步减小燃料电池递送的所需电压。
[0021]再者，转换单元能够连接到至少一个燃料电池的电出口，其中变压器连接到转换单元，用于增加转换单元递送的电压以供给交流总线，并且其中电机能够连接到转换单元。因此转换单元可以仅需要提供足以操作电机的电压，转而有必要增加用在交流总线中的电压。
[0022]转换单元可以适于将至少一个燃料电池的电出口递送的电压转换成能够供给交流总线的交流电压和能够供给基础直流总线的直流电压。基本上，该组合的直流/直流/交流转换器可以是紧凑的集成电路，其可以替换交流总线中的现有的变压和整流单元。因此，这允许使附加重量最小。
[0023]紧急动力供给系统可以进一步包括切换单元，其用于有选择地将电机连接到转换单元和递送电机供给电压的电机控制电子单元中的一个或者交流总线。通过使用包括机械或电子开关的切换单元，可以实现操作模式的清楚隔离，这提高了安全性和可靠性。
[0024]有利的是，切换单元集成到电机控制电子装置中并且适于有选择地将电机连接到交流总线或者布置在电机控制电子装置中的逆变器。这导致了所需安装空间的进一步减小。在切换单元包括电子部件的情况下，这些部件可以通过电机控制电子单元中现有的冷却系统进行冷却。
[0025]再者，电机连接到电机控制电子单元，其中电机控制电子单元能够连接到至少一个燃料电池的电出口，其中转换单元能够连接到至少一个燃料电池和电机控制电子单元，其中切换单元能够连接到转换单元和飞行器的交流总线，以及其中切换单元适于以流电分离方式将来自转换单元的电流传输到飞行器的交流总线中。
[0026]此外，至少一个燃料电池可以适于使用空气作为氧化剂。因此，紧急动力供给系统还可以用作用于提供氧气耗尽空气的供给系统，与提供电力的任何必要性无关。
[0027]此外，紧急动力供给系统可以包括负载控制单元，其适于有选择地将至少一个电负载连接到至少一个燃料电池，用于允许至少一个燃料电池生成氧气耗尽空气的连续流的连续操作。由于氧气消耗燃料电池处理，紧急动力供给系统可以执行另外的功能，其涉及使飞行器内部的空间惰化。可以设想，根据本发明的紧急动力供给系统还可以临时仅操作用于提供氧气耗尽空气。该空间可以是飞行器内部的任何空间，诸如货仓或燃料箱。可以在飞行器中检测烟或火，导致需要灭火或者在各个空间中至少创建惰性气氛。出于该目的，可以在作为氧化剂的空气的消耗下操作燃料电池。在该情况下，空气被馈送到至少一个燃料电池的阴极，其中空气的氧气成分被耗尽。流出的氧气耗尽空气可以借助于管道、导管、孔、通道或任