本發(fā)明涉及電飛行器推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域，特別地，涉及用于這類網(wǎng)絡(luò)的直流到直流(dc-dc)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、從現(xiàn)有技術(shù)已知，飛行器的混合推進(jìn)架構(gòu)(通常稱為串聯(lián)混合)聯(lián)合使用連接到同一高壓直流(hvdc，high?voltage?direct?current)母線的熱電源和電能存儲單元，該hvdc為飛行器的負(fù)載供電。

2、在下文中，縮寫dc表示“直流”以及ac表示“交流”。

3、如圖1所示，混合推進(jìn)架構(gòu)101通常包括：

4、-內(nèi)燃機(jī)103，其由控制單元105控制；

5、-發(fā)電機(jī)107，其耦接到內(nèi)燃機(jī)，使得在運(yùn)行中內(nèi)燃機(jī)103驅(qū)動發(fā)電機(jī)107；

6、-整流器109，其連接到發(fā)電機(jī)107并被配置為將由發(fā)電機(jī)107供應(yīng)的交流(在這種情況下是三相電)轉(zhuǎn)換成直流；

7、-dc-ac轉(zhuǎn)換器(將交流轉(zhuǎn)換為直流)113a和113b；

8、-高壓dc母線111，其將整流器109連接到dc-ac轉(zhuǎn)換器113a和113b；

9、-電動機(jī)115a和115b，其連接到dc-ac轉(zhuǎn)換器113a和113b，使得在運(yùn)行中dc-ac轉(zhuǎn)換器113a和113b向電動機(jī)115a和115b供應(yīng)交流電；以及

10、-螺旋槳117a和117b，其耦接到電動機(jī)115a和115b，使得在運(yùn)行中電動機(jī)115a和115b驅(qū)動螺旋槳117a和117b。

11、架構(gòu)101還包括例如電池的電能存儲單元119(也稱為hvdc存儲)，意味著高壓dc存儲。該電存儲單元可以執(zhí)行以下功能：吸收來自hvdc母線的剩余電能，在瞬態(tài)階段期間提供額外的電能供應(yīng)，或者與內(nèi)燃機(jī)一起充當(dāng)主能量源或在例如故障的情況下作為內(nèi)燃機(jī)的替代。特別地，當(dāng)發(fā)生hvdc母線上的電能返回時，存儲單元119吸收該多余的電能以保護(hù)hvdc母線的組件。

12、在這類架構(gòu)中，使用化石燃料源，內(nèi)燃機(jī)103、發(fā)電機(jī)107和由dc-ac轉(zhuǎn)換器113a和113b、電動機(jī)115a和115b以及螺旋槳117a和117b組成的電推進(jìn)鏈?zhǔn)沟镁哂卸鄠€旋轉(zhuǎn)機(jī)翼的飛行器能夠飛行。

13、包括這類混合推進(jìn)架構(gòu)的飛行器是多旋翼的，與常規(guī)飛行器相比，這使得在飛行器的可控性方面(例如，制動、規(guī)避策略、改變方向或傾斜旋翼)能夠提供額外的自由度。

14、在專利ep-b1-3519294和專利申請wo-a1-2019186042中描述了這種類型的架構(gòu)的其他示例，其中多個中型發(fā)電機(jī)并聯(lián)連接到hvdc母線。此外，在各種已知架構(gòu)中，hvdc母線也可以是多個或連接在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中。

15、在任何情況下，這類架構(gòu)可用于垂直起降(vtol，vertical?take-off?andlanding)型飛行器或常規(guī)起降(ctol，conventional?take-off?and?landing)型飛行器。

16、在這種類型的架構(gòu)中，連接到hvdc母線的負(fù)載是驅(qū)動飛行器的螺旋槳的電動機(jī)，其通常以恒定功率運(yùn)行，保持hvdc母線的最佳控制是必要的以避免不穩(wěn)定或甚至母線因電壓崩潰而完全失效。

17、因此，如上所述，已知使用電能存儲單元來實(shí)現(xiàn)該控制。

18、此外，該電能存儲單元可以與dc-dc轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)，也可以不與dc-dc轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)，特別地，該dc-dc轉(zhuǎn)換器的作用是調(diào)整由存儲單元提供的電壓水平和電流水平。

19、在第一種方法中，在不使用dc-dc轉(zhuǎn)換器的情況下電能存儲單元連接到電推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的其余部分。這被稱為直接連接。

20、一個或多個電池(即電能存儲單元)的直接連接使得能夠最小化整個電網(wǎng)的質(zhì)量。事實(shí)上，增加dc-dc轉(zhuǎn)換器不僅會增加質(zhì)量方面的成本，還會增加體積、效率、散熱和控制復(fù)雜度方面的成本。

21、然而，由于電池的電化學(xué)性質(zhì)，這種配置會對保護(hù)電池造成限制。這是因?yàn)橹麟妷菏怯梢粋€(或多個)電池提供的，電池都“看到”相同的電壓。

22、此外，網(wǎng)絡(luò)的電壓水平對一個(或多個)電池的充電狀態(tài)有影響。當(dāng)后者變化時，電池的電量相應(yīng)地變化。

23、最后，在直接連接配置中，連接到同一電網(wǎng)的電池的充電狀態(tài)是相同的。這意味著，當(dāng)額外的電池連接到電推進(jìn)系統(tǒng)時，必須平衡電壓，且在所謂的瞬態(tài)狀態(tài)期間高電流在電池之間流動，這會破壞或降低網(wǎng)絡(luò)元件的運(yùn)行。這種瞬態(tài)狀態(tài)的影響可以通過使用專用系統(tǒng)來限制，但這些系統(tǒng)可能又重又龐大。

24、第二種方法是在電推進(jìn)系統(tǒng)的其余部分和電能存儲單元之間的接口處使用dc-dc轉(zhuǎn)換器。

25、增加這類dc-dc轉(zhuǎn)換器提供了多個優(yōu)點(diǎn)。第一，電能存儲單元的電壓從電推進(jìn)系統(tǒng)的其余部分中解耦，使得能夠在電能存儲單元和hvdc母線之間保持不同的電壓水平。第二，dc-dc轉(zhuǎn)換器可以是電壓升壓和/或降壓，即，可以使得其輸出處的電壓能夠相對于由電能存儲單元作為輸入提供的電壓增加或減少。第三，當(dāng)dc-dc轉(zhuǎn)換器是可逆電流類型時，還可以控制能量水平，也稱為能量存儲單元的充電狀態(tài)(soc，state?of?charge)。

26、這使得能夠并行地使用多個存儲單元，每個存儲單元具有其自己的dc-dc轉(zhuǎn)換器，彼此獨(dú)立且每個存儲單元都免受電流變化的影響。還使得能夠容易地連接到新的能量存儲單元，而不會引起潛在有害瞬態(tài)狀態(tài)風(fēng)險。

27、位于電能存儲單元和電推進(jìn)系統(tǒng)的其余部分之間的接口處的這類dc-dc轉(zhuǎn)換器也使得能夠在適當(dāng)?shù)那闆r下增加電流隔離特性(即，在電網(wǎng)的兩個部分之間不存在導(dǎo)電鏈路)。此時，dc-dc轉(zhuǎn)換器具有所謂的全橋(full?bridge)結(jié)構(gòu)，例如已知為雙有源電橋的受控全橋結(jié)構(gòu)，雙有源電橋表示為dab(dual?active?bridge)。

28、然而，如上所述，考慮所有這些特性會帶來在質(zhì)量、體積、性能和控制復(fù)雜度方面的成本。特別地，已知的dc-dc轉(zhuǎn)換器被設(shè)計成傳輸電能存儲單元的總功率，取決于應(yīng)用，這必然暗示著大質(zhì)量的無源組件和高電流/電壓額定值(即，傳輸電流/電壓的能力)。此外，這種系統(tǒng)的成品率很少超過90％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了針對這些缺點(diǎn)的解決方案。

2、為此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于電飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的dc-dc轉(zhuǎn)換器，dc-dc轉(zhuǎn)換器被設(shè)計成與電推進(jìn)系統(tǒng)的電能存儲單元串聯(lián)連接，dc-dc轉(zhuǎn)換器包括：逆變器，被配置為根據(jù)來自電能存儲單元的dc輸入電壓供應(yīng)第一ac電壓；變壓器，被配置為根據(jù)第一ac電壓供應(yīng)至少一個第二ac電壓；以及整流器，被配置為根據(jù)至少一個第二ac電壓供應(yīng)dc輸出電壓，

3、dc-dc轉(zhuǎn)換器還包括電流源，電流源連接到整流器并被配置為控制通過dc-dc轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的功率，

4、其中，變壓器包括初級和兩個次級，兩個次級具有公共端子和兩個其它端子，公共端子被設(shè)計為連接到電推進(jìn)系統(tǒng)的高壓dc(hvdc)母線，兩個其它端子連接到整流器，dc-dc轉(zhuǎn)換器的參考電平和hvdc母線的參考電平通過電流源彼此連接，

5、以及整流器包括兩個臂，每個臂包括至少兩個串聯(lián)的晶體管，該兩個臂一方面連接到變壓器的兩個其它端子，另一方面連接到電流源。

6、根據(jù)本發(fā)明的dc-dc轉(zhuǎn)換器可以包括一個或多個如下特征，這些特征可以相互獨(dú)立或相互組合：

7、-電流源包括電感器和電能存儲單元。

8、-逆變器包括多個晶體管，優(yōu)選地包括四個mosfet型或igbt型晶體管。

9、-晶體管的開關(guān)頻率大于幾十khz，有利地為大約一百khz或大于一百khz。

10、-變壓器被配置為相對于第一ac電壓對至少一個第二ac電壓進(jìn)行降壓。

11、-變壓器是平面型或卷繞型。

12、-變壓器可以被配置為在變壓器的初級403a與兩個次級403b和403c之間提供電流隔離。

13、-整流器包括四個晶體管，其中兩個晶體管串聯(lián)連接到變壓器的每個次級，該晶體管是mosfet型的。

14、-串聯(lián)連接到每個次級的兩個晶體管的柵極是公共的。

15、-串聯(lián)連接到每個次級的兩個晶體管的柵極是分開的。

16、-與晶體管并聯(lián)連接的二極管被配置為保護(hù)晶體管免受過電壓。

17、-至少一個濾波器連接在變壓器和整流器之間，該至少一個濾波器優(yōu)選地為rc濾波器。

18、-濾波器與晶體管并聯(lián)連接到整流器的每個臂的端子，該濾波器優(yōu)選地為rc濾波器。

19、根據(jù)第二方面，本發(fā)明還涉及一種電飛行器推進(jìn)系統(tǒng)，該電飛行器推進(jìn)系統(tǒng)包括至少一個熱電源和電能存儲單元，電能存儲單元被配置為向設(shè)計成供應(yīng)電荷的高壓直流dc母線供應(yīng)電能，電飛行器推進(jìn)系統(tǒng)還包括根據(jù)第一方面所述的dc-dc轉(zhuǎn)換器。

20、根據(jù)本發(fā)明的電推進(jìn)系統(tǒng)可以包括一個或多個如下特征，這些特征可以相互獨(dú)立或相互組合：

21、-電能存儲單元是電解電流源，例如超級電容器，或電化學(xué)電流源，例如電池。

22、-電推進(jìn)系統(tǒng)還包括接觸器，接觸器被配置為在被激活時將高壓dc母線的高電位與電能存儲單元的高電位直接連接。

23、最后，在第三方面，本發(fā)明涉及一種行器，該飛行器包括根據(jù)第二方面所述的電推進(jìn)系統(tǒng)。