一种航空并联式混合动力系统

1.本发明涉及航空飞行器动力系统设计领域，具体为一种航空并联式混合动力系统。


背景技术：

2.航空飞行器在起降阶段和巡航阶段的功率需求差异非常大(尤其是有短距/垂直起降需求的飞行器，其最大功率需求大约是巡航功率需求的3倍左右)，传统的发动机，如活塞发动机、涡轴发动机等均难以兼顾起降和巡航效率。为了满足飞行需求，传统发动机一般需按照最大功率需求进行设计，这导致巡航时动力系统效率低，油耗和排放大。
3.为了解决不同飞行阶段功率需求差异大的问题，混合动力系统应运而生。混合动力系统中电机与发动机共同驱动螺旋桨转动，在不同的飞行阶段，通过合理的能源管理策略，能够保证发动机、电机等部件始终在其高效工作区域内。但与此同时，由于加入了电池、电机等一系列部件，混合动力系统的重量和体积较大，这制约了系统性能的进一步提升。
4.如中国专利公开号为cn106184779a，公开日为2016-12-07，公开了一种混合动力飞机耦合系统，该系统采用行星齿轮耦合器，行星轮与太阳轮和齿圈啮合，行星架与传动轴上的传动轮啮合，从而实现了扭矩的耦合，但从布局上看，该系统为发动机、驱动电机、耦合器依次轴向排列布置，发动机距离耦合器较远，导致无法充分利用发动机润滑系统为耦合器润滑，且系统纵向尺寸偏大，结构松散；又如中国专利公开号为cn112706929a，公开日为2021-04-27，公开了一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法，该系统包含四个小螺旋桨和一个主螺旋桨，通过多个电机实现分布式推进，但该系统结构较为松散，离合器、传动轴、齿轮组分布在不同位置，导致冷却系统和润滑系统的设计较为复杂。
5.本发明提出一种航空并联式混合动力系统，发动机、电动/发电机和行星齿轮耦合器采用共用壳体的一体化紧凑结构设计，三者通过一根轴贯穿连接，并利用轴承加强了轴的刚度，使系统结构紧凑可靠；同时它们共用一套冷却系统和润滑系统，进一步减少了部件数量，有效解决了解决混合动力系统体积大、重量大的问题，使系统性能得到进一步提升。


技术实现要素：

6.一种航空并联式混合动力系统，其特征在于：包括发动机(1)、一体化电动/发电机(2)、一体化整流/控制器(10)、电池组、机械耦合器(3)、能源管理系统，发动机采用重油转子发动机，电动/发电机采用航空永磁容错电机，电池组采用磷酸铁锂离子电池组；所述机械耦合器(3)采用行星齿轮耦合器，外齿圈(7)与发动机连接，太阳轮(8)与电动/发电机连接，外齿圈与太阳轮之间通过行星轮(9)啮合传动，通过行星架(6)将功率输出至螺旋桨；所述发动机、所述电动/发电机和所述行星齿轮耦合器采用共用壳体的一体化紧凑结构设计，发动机与电动/发电机通过行星齿轮耦合器进行转矩耦合。
7.所述混合动力系统有三种工作模式：
8.(1)纯发动机驱动模式：由所述发动机独立输出功率，带动螺旋桨旋转；
9.(2)发电模式：当电池组的电量低于控制规则的阈值时，电动/发电机将进入发电机模式，全控整流器将控制电流流向电池组，此时发动机在提供螺旋桨轴功率的同时，还需要提供多余的功率用于驱动发电机，因此此时发动机的功率需求大于螺旋桨功率需求；
10.(3)混合动力驱动模式：当系统处于混合动力驱动模式时，电动/发电机处于电动机模式，主动从锂离子动力电池提取功率，发动机和电动/发电机通过机械耦合器耦合后将功率输出到螺旋桨，该主要用于功率需求较大的悬停和爬升阶段。
11.所述混合动力系统采用一体化轴(5)设计，一体化轴穿过电动/发电机内部，联结起电动/发电机和行星齿轮耦合器的齿轮架，减小整体径向尺寸，使系统整体结构更加紧凑；在电动/发电机末端输出轴采用轴承(4)来加强一体化加长轴的刚度，起到支撑作用，使整体结构更加可靠；电动/发电机扭矩输入端与发动机轴连接，依靠发动机输出端轴承支撑，使整体结构紧凑，且重量低；电动/发电机传动轴与发动机输出轴共用端盖，使得轴承结构简单，减小了结构体积、重量，可以减少传动系统磨损、振动、卡死、异响等多种质量问题。
12.所述电动/发电机、发动机和行星齿轮耦合器共用一套冷却系统和强制润滑系统，利用发动机现有的机油泵对耦合器进行冷却和润滑，可保证耦合器和电动/发电机可靠运转，并且系统部件数量、质量大大减小，从而提升了系统功重比。
13.本发明的优点在于：
14.(1)系统结构高度紧凑可靠，体积小、重量轻；
15.(2)系统电动/发电机、发动机和行星齿轮耦合器共用一套冷却系统和强制润滑系统，系统部件数量、质量大大减小，系统功重比得到提升；
16.(3)推进系统的最大可用功率高、能源利用率高、能量控制更为灵活、容错性能更好；
17.(4)电动/发电机能够利用发动机剩余功率发电并储存，为飞行器机载设备提供了更大的供电能力；
18.(5)电能源传递过程中噪音小，飞行器声隐身能力强；
19.(6)发动机总是工作在高效率、低油耗状态，油耗更低、排放更少。
附图说明
20.图1：一种航空并联式混合动力系统正视图。
21.图中：1.发动机，2.电动/发电机，3.行星齿轮耦合器，4.球轴承，5.一体化轴
22.图2：一种航空并联式混合动力系统行星齿轮耦合器。
23.图中：6.行星架，7.外齿圈，8.太阳轮，9.行星轮
具体实施方式
24.下面结合附图，通过具体的实施方式作进一步说明。
25.结合附图1-2，一种航空并联式混合动力系统由发动机(1)、一体化电动/发电机(2)、一体化整流/控制器(10)、电池组、机械耦合器(3)、能源管理系统组成。
26.发动机采用重油转子发动机，电动/发电机采用航空永磁容错电机，电池组采用磷酸铁锂离子电池组，机械耦合器采用行星齿轮耦合器。
27.具体实施方式如下：混合动力系统采用一体化轴(5)设计，一体化轴穿过电动/发
电机内部，联结起电动/发电机和行星齿轮耦合器的齿轮架，减小整体径向尺寸，使系统整体结构更加紧凑；在电动/发电机末端输出轴采用轴承(4)来加强一体化加长轴的刚度，起到支撑作用，使整体结构更加可靠；电动/发电机扭矩输入端与发动机轴连接，依靠发动机输出端轴承支撑，使整体结构紧凑，且重量低；电动/发电机传动轴与发动机输出轴共用端盖，使得轴承结构简单，减小了结构体积、重量，可以减少传动系统磨损、振动、卡死、异响等多种质量问题。
28.发动机与电动/发电机通过行星齿轮耦合器进行转矩耦合，三者采用共用壳体的紧凑结构设计。行星齿轮外齿圈(7)与发动机连接，太阳轮(8)与电动/发电机连接，外齿圈与太阳轮之间通过行星轮(9)啮合传动，通过行星架(6)输出至螺旋桨。
29.所述电动/发电机、发动机和行星齿轮耦合器共用一套冷却系统和强制润滑系统，利用发动机现有的机油泵对耦合器进行冷却和润滑，可保证耦合器和电动/发电机可靠运转，并且系统部件数量、质量大大减小，从而提升了系统功重比。
30.一种航空并联式混合动力系统基本运行策略如下：在飞行器起降等大功率场景下，发动机与电动/发电机共同工作，电动/发电机以电动机模式工作，发动机和电动/发电机通过机械耦合器进行耦合，统一由输出轴进行功率输出。在巡航等较低功率需求场景下，若发动机提供的功率超过需求，则一部分机械能直接带动螺旋桨，电动/发电机以发电机的模式工作，将多余的机械能转换为电能储存在电池中。
31.在并联式混合动力系统的运行过程中，储能系统作为动态负载，起着削峰填谷的作用，当负载功率需求大于转子发动机的输出功率时，储能系统可以补充发动机的不足功率，维持直流母线电压恒定；当负载需求功率小于转子发动机的输出功率时，发动机将驱动电动/发电机作发电机使用，储能系统储存多余能量。
32.所述混合动力系统有三种工作模式：
33.(1)纯发动机驱动模式：由所述发动机独立输出功率，带动螺旋桨旋转；
34.(2)发电模式：当电池组的电量低于控制规则的阈值时，电动/发电机将进入发电机模式，全控整流器将控制电流流向电池组，此时发动机在提供螺旋桨轴功率的同时，还需要提供多余的功率用于驱动发电机，因此此时发动机的功率需求大于螺旋桨功率需求；
35.(3)混合动力驱动模式：当系统处于混合动力驱动模式时，电动/发电机处于电动机模式，主动从锂离子动力电池提取功率，发动机和电动/发电机通过机械耦合器耦合后将功率输出到螺旋桨，该主要用于功率需求较大的悬停和爬升阶段。

技术特征：
1.一种航空并联式混合动力系统，其特征在于：包括发动机(1)、一体化电动/发电机(2)、一体化整流/控制器、电池组、机械耦合器(3)、能源管理系统；所述机械耦合器(3)采用行星齿轮耦合器，外齿圈(7)与发动机连接，太阳轮(8)与电动/发电机连接，外齿圈与太阳轮之间通过行星轮(9)啮合传动，带动行星架(6)转动将功率输出至螺旋桨；所述发动机、所述电动/发电机和所述行星齿轮耦合器采用共用壳体的一体化紧凑结构设计，发动机与电动/发电机通过行星齿轮耦合器进行转矩耦合；所述混合动力系统有三种工作模式：(1)纯发动机驱动模式：由所述发动机独立输出功率，带动螺旋桨旋转；(2)发电模式：当电池组的电量低于控制规则的阈值时，电动/发电机将进入发电机模式，全控整流器将控制电流流向电池组，此时发动机在提供螺旋桨轴功率的同时，还需要提供多余的功率用于驱动发电机，因此此时发动机的功率需求大于螺旋桨功率需求；(3)混合动力驱动模式：当系统处于混合动力驱动模式时，电动/发电机处于电动机模式，主动从电池组提取功率，发动机和电动/发电机通过机械耦合器耦合后将功率输出到螺旋桨，该主要用于功率需求较大的悬停和爬升阶段。2.根据权利要求1所述的一种航空并联式混合动力系统，其特征在于：所述混合动力系统采用一体化轴(5)设计，轴穿过电动/发电机内部，联结起电动/发电机和行星齿轮耦合器的齿轮架，减小整体径向尺寸，使系统整体结构更加紧凑；在电动/发电机末端输出轴采用轴承(4)来加强轴的刚度，起到支撑作用，使整体结构更加可靠；电动/发电机扭矩输入端与发动机轴连接，依靠发动机输出端轴承支撑，使整体结构紧凑，且重量低；电动/发电机传动轴与发动机输出轴共用端盖，使得轴承结构简单，减小了结构体积、重量，可以减少传动系统磨损、振动、卡死、异响等多种质量问题。3.根据权利要求1所述的一种航空并联式混合动力系统，其特征在于：所述电动/发电机、发动机和行星齿轮耦合器共用一套冷却系统和强制润滑系统，利用发动机现有的机油泵对耦合器进行冷却和润滑，可保证耦合器和电动/发电机可靠运转，并且系统部件数量、质量大大减小，从而提升了系统功重比。4.根据权利要求1-3任一所述的一种航空并联式混合动力系统，其特征在于：发动机采用重油转子发动机，电动/发电机采用航空永磁容错电机，电池组采用磷酸铁锂离子电池组。

技术总结
本发明公开了一种航空并联式混合动力系统，由重油转子发动机、永磁电动/发电机、整流/控制器、电池组、行星齿轮耦合器组成。发动机、电动/发电机、行星齿轮耦合器采用一体化结构设计，共用一套冷却系统和润滑系统，三者通过一根轴贯穿连接，使得系统整体体积小、结构紧凑。电动/发电机末端装有轴承以支撑一体化轴，增强了轴的刚度，使整体结构更加稳定。发动机与电动/发电机通过行星齿轮耦合器进行转矩耦合，行星齿轮外齿圈与发动机连接，太阳轮与电动/发电机连接，外齿圈与太阳轮之间通过行星轮啮合传动，通过行星架将功率输出至螺旋桨。一种航空并联式混合动力系统具有功重比高、能源利用率高、结构高度紧凑等特点。结构高度紧凑等特点。结构高度紧凑等特点。


技术研发人员：王向阳 翟耀伟 朱纪洪 陈志刚 王侯清
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/6/7