[发明专利]基于燃料电池的飞机发电系统

说明书

技术领域

本发明实施例涉及飞机电源系统设计技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的飞机发电系统。

背景技术

要维持飞机的正常飞行，除了需要提供源源不断的前向推力外，还需要电力等能源来驱动功率需求不断提高的各种负载，如起落架、飞控、环控、防除冰等系统。这些形式的能量都来自于燃油燃烧产生的热能，因此也称为二次能源。目前技术条件下，飞机二次能源主要由飞机发电系统提供。

现有的飞机发电系统(请参阅图1)，通常包括：主发动机发电系统、辅助动力发电系统、空气冲压涡轮发电系统和蓄电池。其中，主发动机发电系统包括：主发动机和由所述主发动机驱动的发电机，所述主发动机发电系统与交流汇流条连接；辅助动力发电系统包括：辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)和由所述APU驱动的发电机，所述辅助动力发电系统通过第一控制开关连接至所述交流汇流条；所述空气冲压涡轮发电系统包括：空气冲压涡轮和由所述空气冲压涡轮发驱动的发电机，所述空气冲压涡轮发电系统通过交流/直流转换装置(AC/DC)和第二控制开关连接关键设备汇流条；所述蓄电池通过第三控制开关连接所述关键设备汇流条。所述交流汇流条可直接连接交流负载，所述交流汇流条还可通过交流/直流转换装置可连接直流负载，所述交流汇流条也可通过交流/直流转换装置连接所述关键设备汇流条，其中，所述关键设备汇流条上连接有关键设备，通常，所述关键设备为低压直流负载。

在飞行过程中，辅助动力装置和空气冲压涡轮关闭，蓄电池与关键设备汇流条之间的第三控制开关断开，此时，通过主发动机引气及轴功率提取的方式为全部负载(包括交流负载、直流负载以及关键设备)提供电力；在地面待机时，为降低油耗和噪音，关闭主发动机，使用辅助动力装置为所述全部负载中的部分负载提供电力；在所述主发动机发电系统和辅助动力发电系统均关闭或均出现故障时，或者在所述主发动机发电系统出现故障、且辅助动力发电系统未启动时，由空气冲压涡轮带动发电机向所述全部负载中的关键设备供电。在所述主发动机发电系统、辅助动力发电系统以及空气冲压涡轮发电系统均无法供电时，通过蓄电池向所述全部负载中的关键设备供电。

上述飞机发电系统中，主发动机与辅助动力装置、空气冲压涡轮和蓄电池形成4余度的非相似余度备份，通过冗余备份保证了供电的可靠性。但是，上述飞机发电系统中，辅助动力装置和空气冲压涡轮因为效率较低、噪音过高仅在主发动机关闭或出现故障时才使用，而主发动机的工作方式为功率提取式，从飞机主发动机提取功率的方式会影响主发动机的工作状态，研究表明从主发动机提取1％的功率，可使耗油率增加3％，因此，从主发动机提取功率是一种较为不经济的做法，尤其是当功率提取量较大时，会造成可观的油耗增加。

发明内容

本发明实施例提供一种基于燃料电池的飞机发电系统和飞机，以在飞机负载的功率需求不断提高的背景下，在保证供电可靠性的同时，优化为负载供电的方式，提高燃油经济性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于燃料电池的飞机发电系统，包括：

燃料电池供电系统，与直流汇流条连接，用于为连接在所述直流汇流条上的全部负载供电，其中，连接在所述直流汇流条上的全部负载包括：连接在所述直流汇流条上的普通设备和通过降压装置和关键设备汇流条连接在所述直流汇流条上的关键设备；

主发动机发电系统，通过第一控制开关和交流/直流转换装置连接直流汇流条，所述第一控制开关用于在所述燃料电池供电系统出现故障时，切换地控制所述主发动机发电系统与所述直流汇流条连接，且切换地控制所述直流汇流条与第一设定负载保持连接；

空气冲压涡轮发电系统，通过第二控制开关和交流/直流转换装置连接关键设备汇流条，所述第二控制开关用于在所述燃料电池供电系统与所述主发动机发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统无法启动时，切换地控制所述空气冲压涡轮发电系统与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

蓄电池，通过第三控制开关连接关键设备汇流条，所述第三控制开关用于在所述燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时，切换地控制所述蓄电池与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

其中，所述第一设定负载的范围小于所述全部负载所覆盖的范围，且所述关键设备的峰值功率<所述第一设定负载的峰值功率<所述全部负载的峰值功率。