CN103847959B - 基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

一种基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统,由一个安装在飞机前轮的特种电机，一个电机功率变换器，一套飞轮储能系统以及一个制动能量回收系统控制器组成。制动能量回收系统控制器控制电机功率变换器和飞轮储能系统。通过回收飞机在跑道上起飞和降落时产生的制动能量，用于飞机在跑道与航站楼之间的低速滑行。该发明可以显著减少飞机在滑行期间使用航空发动机以及地面拖车的时间，降低燃油消耗，减少噪音污染与温室气体的排放，同时缓解登机口和停机坪的拥堵现象，提升起飞准点率。

Description

基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及一种配置了飞轮储能的能量回收系统。

背景技术

目前，民用飞机在地面滑行过程中主要依靠自身的航空发动机或者地面拖车的牵引提供前进动力，这种沿用了几十年的方式虽然操作简便，但是随着技术的发展和节能减排的标准愈加严格，需要新的解决方案使得飞机在地面滑行时少用甚至不用化石能源。而且世界各大主要机场的日均吞吐量显著增加，这也增加了地面拖车与飞机碰撞的几率。因此，通过改进电机技术，可在飞机的前轮上加装电机，从而利用飞机自身的电能驱动其在地面滑行。美国专利US8220740B2公开了一种新型电机，安装于飞机的前轮轮毂，可以利用电能驱动飞机在地面滑行。欧洲专利EP2557035A2公开了一种用于飞机的电气滑行系统，其驱动飞机滑行的主要部件是安装于起落架支柱内部的交流电机，通过控制电机电流的大小来控制飞机滑行的速度。可见，飞机利用电能完成地面的滑行任务是未来技术的发展方向，基于此，可以通过回收电机制动产生的能量进一步提高节能减排的比例，使飞机的地面运行更加绿色环保，即，飞机降落后的减速过程中会产生大量制动能量，将这部分能量收集起来用于驱动飞机在地面滑行，可以避免飞机自身航空发动机的运行油耗以及节省地面拖车的运行成本。

受制于安装成本和技术的成熟度，绝大部分民用飞机仍采用刹车片机械制动的方式，将能量直接以热的形式消耗在刹车片上，由于摩擦产生的热量不仅会加速刹车片的磨损，而且会降低制动的效果。因此，从长期来看，对于频繁起降的中小型飞机，机械制动的经济性并非最优。在飞机前轮加装电机，利用电机的反向制动转矩进行电气制动，是更优的方案。中国发明专利CN100497091C公开了一种用于飞机的飞机起落架总成，所述起落架总成含有一盘式轴向磁通电动机/发电机，依靠该设备的定子盘和转子盘的磁力转矩的互相作用来建立制动转矩，使得飞机着陆滑行时的动能被转变成电能，这些电能可被电阻器耗散掉和/或储存起来供以后使用，所述储存的方式是指蓄电池和电容器组。该专利公开的方案在理论上可行，但是由于盘式轴向电机提供的安全制动转矩很有限，而民用飞机前轮轮毂上空间有限，不能无限制安装电机转子盘的数量或者增大转子盘的直径，这就与飞机要求的制动转矩产生了矛盾。而且储存的电能若被电阻消耗，则直接浪费了制动能量，若使用电池和电容器储存，面对飞机着陆瞬间产生的巨大冲击能量以及中小型飞机的频繁起降，所述的两种储能方式都是完全不合适的。

综上所述，面对节能减排和环境保护的需求，结合飞机起落架电气化的技术发展趋势，仍需要一种更合理实用的飞机制动能量回收系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有飞机制动能量回收技术的不足，提供一种基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统。

本发明所采用的技术方案是：由电机功率变换器对飞机辅助动力装置（APU）提供的功率进行变换，驱动安装了特种电机的飞机前轮，再将飞轮储能系统接入电机功率变换器内部的直流母线。本发明通过采取合理的控制方法，可完成飞轮储能系统与飞机前轮安装的特种电机之间的能量交换，确保飞机减速产生的制动能量可以完全被飞轮储能系统吸收，然后用于驱动飞机在地面滑行。

本发明基于飞轮储能系统的飞机制动能量回收系统，由一个安装在飞机前轮的特种电机，一个电机功率变换器，以及一套飞轮储能系统组成。飞机辅助动力装置的三相交流输出端接入所述电机功率变换器的一个交流侧引出端；所述的特种电机与电机功率变换器的另一个交流侧引出端相接。所述飞轮储能系统的直流侧引出端与电机功率变换器的直流侧引出端连接。

在飞机由登机口滑行至起飞跑道的过程中，飞轮储能系统尚未启动，无储存能量。特种电机在飞机辅助动力装置和电机功率变换器的驱动下，运行于电动机模式，实现飞机在地面的低速滑行，此过程中飞机无需借助拖车或者航空发动机的牵引力，可缩减机场运行成本并减少温室气体的排放。飞机在跑道上加速起飞的过程中，航空发动机推动飞机加速，在飞机前轮离开地面之前，特种电机转速增加，运行于发电机模式，通过电机功率变换器向飞轮储能系统充电，待飞机起飞后，飞轮储能系统进入待机模式，此过程飞轮储能系统储存一定的能量并保持。飞机准备降落之前，飞轮储能系统释放电能，由电机功率变换器驱动特种电机加速，使得飞机前轮速度接近对地速度，可大幅降低前轮着地产生的滑移摩擦损耗，延长前轮的使用寿命。飞机前轮与跑道接触之后，特种电机运行于发电机模式，对前轮轮毂产生制动转矩，向飞轮储能系统充电，飞机滑行速度迅速降低，直至达到地面低速滑行的状态，此过程实现了飞机制动能量的回收。在飞机由起飞跑道滑行至登机口的过程中，飞轮储能系统释放电能，由电机功率变换器驱动特种电机运行于电动机模式，飞机无需地面拖车和航空发动机的牵引，甚至无需飞机辅助动力装置的介入，可以滑行回指定位置。

所述的安装在飞机前轮的特种电机属于交流永磁同步电机的一种，采用多相致密绕组结构，利用驱动电流中的谐波成分，达到低速输出极大转矩，高速输出极小转矩的特点。其功率密度可达10倍于普通三相永磁同步电机，因而能够保证在飞机前轮尺寸的严格限制下，拖动满负荷中小型飞机滑行。所述的电机功率变换器由双向变流器，直流母线以及整流器组成。其中，双向变流器的交流侧引出端与特种电机的输出端连接，双向变流器通过直流母线与整流器的直流侧引出端连接，整流器的交流侧引出端与飞机辅助动力装置连接。

所述的飞轮储能系统由双向功率变换器、永磁同步电机、支撑轴承以及飞轮转子组成。其中，双向功率变换器的交流侧引出端与永磁同步电机的A相、B相和C相线连接,双向功率变换器的直流侧引出端与电机功率变换器的直流侧引出端连接，永磁同步电机与飞轮转子同轴连接并安装于支撑轴承上。该飞轮储能系统是本发明飞机制动能量回收系统的关键部分，该飞轮储能系统有三种工作模式：充电、待机和放电。飞机在跑道上加速起飞的过程中，飞轮储能系统工作于充电模式，工作于发电状态的特种电机经过电机功率变换器的整流功能向飞轮储能系统内部的直流母线提供能量，然后再由双向功率变换电路将直流逆变成交流供给与飞轮转子同轴安装的永磁同步电机，驱动飞轮转子加速，将电能转化为机械能，实现吸收功率的功能；飞机起飞之后，飞轮储能系统工作于待机模式，不与系统内其他部件发生功率交换；飞机由起飞跑道滑行至登机口的过程中，飞轮储能系统工作于放电模式，其双向功率变换电路将永磁同步电机发出的交流电整流成直流，向电机功率变换器内部的直流母线提供能量，再由电机功率变换器将直流母线逆变成交流，驱动特种电机运行于电动机状态。

本发明与现有技术相比，不仅实现了飞机在地面的电气滑行，而且充分回收了飞机降落后产生的大量制动能量并有效利用。储能技术选择了没有环境污染的飞轮储能系统，相比蓄电池和电容器等具有一定的优势。本发明所述的制动能量回收系统将显著减少飞机在滑行期间使用航空发动机以及飞机辅助动力装置的时间，进而在每次飞行班次中降低燃油消耗，提升航空公司运营效率。本发明有益于环境保护，可减少噪音污染与温室气体的排放，同时缓解登机口和停机坪的拥塞现象，提升起飞准点率。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

图1应用了本发明飞机制动能量回收系统的飞机机头侧面及正面剖面图；

图2本发明飞机制动能量回收系统的一个具体实施例；

图3本发明飞机制动能量回收系统的控制流程图。

具体实施方式

图1所示为应用了本发明飞机制动能量回收系统的飞机机头侧面及正面剖面图。如图1所示，一种基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统，由一个安装在飞机前轮的特种电机9，一个电机功率变换器2，一套飞轮储能系统1以及一个制动能量回收系统控制器17组成。其中,特种电机9安装在飞机前轮5的轮轴6上，同轴连接，属于交流电机的一种，具有高功率密度，可在低速输出很大转矩。特种电机9可以在电机功率变换器2的驱动下，带动飞机前轮5加速或者减速，实现飞机在地面的电气化滑行。电机功率变换器2安装在飞机的机头8，通过电缆与特种电机9连接，电缆可利用飞机的前承力支柱7固定。电机功率变换器2用于控制来自飞机辅助动力装置4以及飞轮储能系统1的功率输入，实现特种电机9的启停。电机功率变换器2同时也与飞机辅助动力装置4以及飞轮储能系统1连接。

图2所示为本发明飞机制动能量回收系统的一个具体实施例，一种基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统，由一个安装在飞机前轮的特种电机9，一个电机功率变换器2，一套飞轮储能系统1以及一个制动能量回收系统控制器17组成。其中，特种电机9属于交流电机的一种，具有高功率密度，可在低速输出很大转矩。电机功率变换器2由一个双向变流器10，直流母线16以及整流器11组成。其中，双向变流器10含有直流侧和交流侧引出端，所述的交流侧引出端与特种电机9连接，直流侧第一引出端101与直流母线16的正母线16a连接，直流侧第二引出端102与直流母线16的负母线16b连接。整流器11含有直流侧和交流侧引出端，所述的交流侧引出端与飞机辅助动力装置4连接，直流侧第一引出端111与直流母线16的正母线16a连接，直流侧第二引出端112与直流母线16的负母线16b连接。

飞轮储能系统1由双向功率变换电路12、永磁同步电机13、支撑轴承14以及飞轮转子15组成。双向功率变换电路12包含直流侧和交流侧引出端，其中直流侧第一引出端121与电机功率变换器2内部的直流母线16的正母线16a连接，直流侧第二引出端122与电机功率变换器2内部的直流母线16的负母线16b连接。双向功率变换电路12的交流侧第一引出端123、第二引出端124和第三引出端125分别与永磁同步电机13的A相、B相和C相线连接。永磁同步电机13与飞轮转子15同轴连接并安装于支撑轴承14上，飞轮储能系统1在充电加速状态下，永磁同步电机13的速度增加，而飞轮转子15在支撑轴承14的传动作用下，速度跟随永磁同步电机13同步增加。

制动能量回收系统控制器17直接控制飞轮储能系统1中的双向功率变换电路12，以及电机功率变换器2中的双向变流器10和整流器11。制动能量回收系统控制器17由多个含有数字信号处理器（DSP）的控制板，以及由计算机构成的上位机组成，通过执行制动能量回收系统的控制流程，实现飞轮储能系统对飞机制动能量的回收。

图3所示为本发明飞机制动能量回收系统的控制流程图，首先，将一架安装了本发明的飞机在一个航段中的运行过程划分为六个阶段：在第一飞行飞机运行阶段18，飞机由登机口向跑道滑行；第二飞行飞机运行阶段19，飞机在跑道上加速起飞；第三飞行飞机运行阶段20，飞机位于机场跑道上空，即将降落；第四飞行飞机运行阶段21，飞机降落，前轮触地并制动减速；第五飞行飞机运行阶段22，飞机由跑道向登机口滑行；第六飞行飞机运行阶段23，飞机卸客休整，等待下一次飞行任务。制动能量回收系统控制器17根据飞机所处的阶段，运行于相应的控制步骤。

在第一飞行飞机运行阶段18，制动能量回收系统控制器17进入步骤24，控制电机功率变换器2中的整流器11与双向变流器10，将飞机辅助动力装置4提供的交流高频电能先整流再逆变，驱动特种电机9匀速前进，此阶段特种电机9运行于电动机模式。由于飞轮储能系统1尚未启动，因此无储存的能量。

在第二飞行飞机运行阶段19，飞机航空发动机通过消耗燃油，向飞机提供前进的驱动力，特种电机9在飞机前轮的带动下，速度增加并运行于发电机模式。制动能量回收系统控制器17则进入步骤25，控制电机功率变换器2中的双向变流器10与飞轮储能系统1中的双向功率变换电路12，其中，双向变流器10工作于整流器状态，将特种电机9发出的交流电整流成直流，向直流母线16提供能量；双向功率变换电路12则工作于逆变器状态，将直流母线16上的能量逆变成交流电，驱动永磁同步电机13加速，飞轮储能系统1开始充电，直至飞机前轮离地，特种电机9失去外部驱动力。飞机起飞后，飞轮储能系统1进入待机模式。

在第三飞行飞机运行阶段20，飞机已经位于跑道上空，即将降落，为了降低飞机前轮在触地瞬间产生的巨大摩擦力，需要将前轮从静止开始加速，达到飞机机身的对地速度。制动能量回收系统控制器17进入步骤26，控制电机功率变换器2中的双向变流器10与飞轮储能系统1中的双向功率变换电路12，其中，双向功率变换电路12工作于整流状态，将飞轮储能系统1储存的电能释放，向直流母线16提供能量，双向变流器10工作于逆变器状态，将直流母线16上的能量逆变成交流电，驱动特种电机9加速，此阶段的特种电机9运行于电动机模式，带动飞机前轮加速。

在第四飞行飞机运行阶段21，飞机降落，前轮触地并开始制动减速。制动能量回收系统控制器17进入步骤27，控制电机功率变换器2中的双向变流器10与飞轮储能系统1中的双向功率变换电路12，其中，双向变流器10工作于整流状态，生成制动转矩导致特种电机9减速，特种电机9运行于发电机模式，将其发出的交流电整流成直流，向直流母线16提供能量。同时，制动能量回收系统控制器17控制双向功率变换电路12工作于逆变器状态，将直流母线16上的能量逆变成交流电，驱动永磁同步电机13加速，飞轮储能系统1开始充电，直至飞机速度降至低速滑行状态，从而实现了飞机制动能量的回收。

在第五飞行飞机运行阶段22，飞机由跑道向登机口低速滑行，制动能量回收系统控制器17进入步骤27，控制电机功率变换器2中的双向变流器10与飞轮储能系统1中的双向功率变换电路12，其中，双向功率变换电路12工作于整流状态，将飞轮储能系统1储存的制动能量释放，向直流母线16提供能量，双向变流器10工作于逆变器状态，将直流母线16上的能量逆变成交流电，驱动特种电机9加速，此阶段的特种电机9运行于电动机模式，带动飞机前轮加速前进，直至飞机回到登机口。

Claims (1)

1.一种基于飞轮储能的飞机制动能量回收系统，所述的飞机制动能量回收系统由一个安装在飞机前轮的特种电机(9)，一个电机功率变换器(2)，一套飞轮储能系统(1)以及一个制动能量回收系统控制器(17)组成；所述的电机功率变换器(2)由一个双向变流器(10)，直流母线(16)以及整流器(11)组成；其中，双向变流器(10)含有直流侧和交流侧引出端，所述的交流侧引出端与特种电机(9)连接，直流侧第一引出端(101)与直流母线(16)的正母线(16a)连接，直流侧第二引出端(102)与直流母线(16)的负母线(16b)连接；整流器(11)含有直流侧和交流侧引出端，其中，交流侧引出端与飞机辅助动力装置(4)连接，直流侧第一引出端(111)与直流母线(16)的正母线(16a)连接，直流侧第二引出端(112)与直流母线(16)的负母线(16b)连接；飞轮储能系统(1)由双向功率变换电路(12)、永磁同步电机(13)、支撑轴承(14)以及飞轮转子(15)组成；双向功率变换电路(12)包含直流侧和交流侧引出端，其中直流侧第一引出端(121)与电机功率变换器(2)内部的直流母线(16)的正母线(16a)连接，直流侧第二引出端(122)与电机功率变换器(2)内部的直流母线(16)的负母线(16b)连接；双向功率变换电路(12)的交流侧第一引出端(123)、第二引出端(124)和第三引出端(125)分别与永磁同步电机(13)的A相、B相和C相线连接，其特征在于，所述制动能量回收系统控制器(17)直接控制飞轮储能系统(1)中的双向功率变换电路(12)，以及电机功率变换器(2)中的双向变流器(10)和整流器(11),制动能量回收系统控制器(17)采用如下控制步骤：

步骤24，第一在飞机运行阶段(18)，制动能量回收系统控制器(17)控制电机功率变换器(2)中的整流器(11)与双向变流器(10)，利用飞机辅助动力装置(4)提供的能量驱动特种电机(9)前进；

步骤25，在第二飞机运行阶段(19)，制动能量回收系统控制器(17)控制电机功率变换器(2)中的双向变流器(10)与飞轮储能系统(1)中的双向功率变换电路(12)，使特种电机(9)工作于发电机状态，飞轮储能系统(1)则工作于充电模式；其中，双向变流器(10)工作于整流器状态，将特种电机(9)发出的交流电整流成直流，向直流母线(16)提供能量；双向功率变换电路(12)工作于逆变器状态，将直流母线(16)的能量逆变成交流电，向飞轮储能系统(1)充电；飞机起飞后，飞轮储能系统(1)进入待机模式；

步骤26，在第三飞机运行阶段(20)，制动能量回收系统控制器(17)控制电机功率变换器(2)中的双向变流器(10)与飞轮储能系统(1)中的双向功率变换电路(12)，使特种电机(9)工作于电动机状态，飞轮储能系统(1)则工作于放电模式；其中，双向功率变换电路(12)工作于整流状态，将飞轮储能系统(1)储存的电能释放，向直流母线(16)提供能量，双向变流器(10)工作于逆变器状态，将直流母线(16)上的能量逆变成交流电，驱动特种电机(9)加速；

步骤27，在第四飞机运行阶段(21)，飞机降落，制动能量回收系统控制器(17)控制电机功率变换器(2)中的双向变流器(10)与飞轮储能系统(1)中的双向功率变换电路(12)，使特种电机(9)工作于发电机状态，飞轮储能系统(1)则工作于充电模式；其中，双向变流器(10)工作于整流状态，生成制动转矩使特种电机(9)减速，将其发出的交流电整流成直流，向直流母线(16)提供能量；双向功率变换电路(12)工作于逆变器状态，将直流母线(16)上的能量逆变成交流电，驱动永磁同步电机(13)；

步骤28，在第五飞机运行阶段(22)，制动能量回收系统控制器(17)控制电机功率变换器(2)中的双向变流器(10)与飞轮储能系统(1)中的双向功率变换电路(12)，使特种电机(9)工作于电动机状态，飞轮储能系统(1)则工作于放电模式；其中，双向功率变换电路(12)工作于整流状态，将飞轮储能系统(1)储存的能量释放，向直流母线(16)提供能量，双向变流器(10)工作于逆变器状态，将直流母线(16)上的能量逆变成交流电，驱动特种电机(9)。