(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力消費構成要素（２６、２７、２８）を有する航空機（２）用の電力システム（１０）であり、前記電力消費構成要素（２６、２７、２８）のうちのいくつかが過渡電力要求（６０）を有し、平均電力要求（６２）に加えて過渡状態電力要求（６０）を有する前記航空機（２）をもたらし、前記過渡状態電力要求量（６０）が前記平均電力要求量（６２）よりも大きい状態である、電力システム（１０）であって、
前記平均電力要求量（６２）以上の電力を供給するために十分な電力出力を有する少なくとも１つの発電機（１８）と、
前記発電機（１８）を前記電力消費構成要素（２６、２７、２８）につなげる電力分配ＤＣバス（２２、２４）と、
非電池電源（３０）と、
電池電源（３４）と、
前記過渡電力要求量（６０）を満足させるために前記電力分配ＤＣバス（２２、２４）に前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）を選択的につなげる電力コントローラ（４０、４２）と
を備え、
前記電力コントローラ（４０、４２）が、前記電力分配ＤＣバス（２２、２４）におけるＤＣ電力バス信号（４４）に含まれる前記過渡状態電力要求量（６０）のうちのゆっくりと変化するエネルギー要求量を削減する負荷スペクトル選択フィルタ（３８）からのフィルタ信号（５２、５４）に応答して前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）からの電力供給量を決定し、
前記電力コントローラ（４０、４２）の前記過渡状態電力要求量（６０）が要求される期間に電力を与える優先順位が、前記非電池電源（３０）の放電を補うために必要なときにだけ前記電池電源（３４）を放電させるように設定される、
電力システム（１０）。
【請求項２】
前記電力コントローラ（４０、４２）が、前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）を前記電力分配ＤＣバス（２２、２４）につなげる、請求項１記載の電力システム（１０）。
【請求項３】
前記非電池電源（３０）が、キャパシタバンクを備える、請求項１または２に記載の電力システム（１０）。
【請求項４】
前記発電機（１８）からのＡＣ電力出力をＤＣ電力出力に整流するコンバータ（２０）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の電力システム（１０）。
【請求項５】
前記電力分配ＤＣバス（２２、２４）が、
前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）と前記航空機（２）のアクチュエータ負荷（２６）とに接続された第１の電力分配ＤＣバス（２２）と、
前記コンバータ（２０）を介して前記発電機（１８）に接続され、前記航空機（２）の飛行臨界負荷（２７）及び、非飛行臨界負荷（２８）に接続された第２の電力分配ＤＣバス（２４）と、
前記第１及び第２の電力分配ＤＣバス（２２、２４）を選択的につなげる、選択的カップリングリンク（２５）と、
を備える、請求項４記載の電力システム（１０）。
【請求項６】
前記電池電源（３４）が、前記航空機（２）用の緊急電池を備える、請求項５記載の電力システム（１０）。
【請求項７】
前記電池電源（３４）が、少なくとも１つのＬｉ−イオン電池を備える、請求項６記載の電力システム（１０）。
【請求項８】
前記非電池電源（３０）または前記電池電源（３４）のうちの少なくとも一方からの電力を前記ＤＣバスへの電力に変換するように構成された少なくとも１つコンバータ（３２、３６）をさらに備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の電力システム（１０）。
【請求項９】
前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）の各々のためのコンバータをさらに備える、請求項８記載の電力システム（１０）。
【請求項１０】
前記ＤＣバスが、２７０ＶＤＣである、請求項８または９に記載の電力システム（１０）。
【請求項１１】
前記電力コントローラ（４０、４２）が、前記過渡電力要求量（６０）に対応する入力を含み、前記過渡電力要求量（６０）に基づいて前記非電池電源（３０）および前記電池電源（３４）を選択的につなげる、請求項１乃至１０のいずれかに記載の電力システム（１０）。
【請求項１２】
前記負荷スペクトル選択フィルタ（３８）が、アナログフィルタ、ディジタルフィルタ、線形フィルタ、または非線形フィルタのうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の電力システム（１０）。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の電力システム（１０）を含む左エンジンシステム（１２）と、
請求項１乃至１２のいずれかに記載の電力システム（１０）を含む右エンジンシステム（１４）と、
前記左エンジンシステム（１２）の電力分配ＤＣバス（２２、２４）と前記右エンジンシステム（１４）の電力分配ＤＣバス（２２、２４）とを選択的につなげる選択的カップリングリンク（２５）と、
を備える航空機（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電力消費構成要素を有する航空機用の電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力システム、特に航空機内の電力システムは、電気的負荷へ電池または発電機などの電源から電力を供給することを管理する。航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力のために使用され、発電機、始動機／発電機、永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）、燃料ポンプ、および油圧ポンプ、などの多数の様々な付属品、例えば、推進力以外の航空機上の必要な機能のための装置に最終的に動力を供給する機械的動力を典型的には提供する。例えば、現代の航空機は、航空電子機器、モータ、および他の電装装置のための電力を必要とする。ガスタービンエンジンに連結された発電機は、付属品に動力を供給するために必要な電気エネルギーへとエンジンの機械的動力を変換するであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／００３０２１５３号明細書
【発明の概要】
【０００４】
航空機用の電力システムは、複数の電力消費構成要素を有し、電力消費構成要素のうちのいくつかが過渡電力要求を有し、平均電力要求に加えて過渡状態電力要求を有する航空機をもたらし、過渡状態電力要求量が平均電力要求量よりも大きいことをともなう。電力システムは、平均電力要求量を供給するために十分な電力出力を有する少なくとも１つの発電機と、発電機を電力消費構成要素につなげる電力分配バスと、非電池電源と、電池電源と、過渡電力要求量を満足させるために電力分配バスに非電池電源および電池電源を選択的につなげる電力コントローラとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態による航空機および電力システムの上から下を見た模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による電力システムの模式図である。
【図３】本発明の一実施形態による、電力システムのデュアルハイブリッドエネルギーシステムの模式図である。
【図４】本発明の一実施形態による、電力システムの過渡電力応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の記述した実施形態は、タービンエンジン、好ましくはガスタービンエンジンから電力を生成することを可能にする航空機用の電力システムに向けられる。
【０００７】
図１に示したように、航空機２を、左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４として示した少なくとも１つのガスタービンエンジンを有するように示す。あるいは、電力システムは、より少ない数のエンジンシステムまたは追加のエンジンシステムを有することができる。左右のエンジンシステム１２、１４を、実質的に同じにすることができ、デュアルハイブリッドエンジンシステム（ＤＨＥＳ）１６などの電源、および発電機１８などの少なくとも１つの電気機械をさらに含むように示される。航空機は、複数の電力消費構成要素、例えば、アクチュエータ負荷２６、飛行臨界負荷２７、および非飛行臨界負荷２８、をさらに含むように示される。電気的負荷２６、２７、２８の各々は、電源１６、１８のうちの少なくとも一方に電気的につなげられ、その結果、負荷２６、２７、２８は、電源１６、１８によって電力を供給される。
【０００８】
航空機２では、動作している左右のエンジンシステム１２、１４は、スプールを介して引き出すことができる機械的エネルギーを生成し、発電機１８用の駆動力を提供する。発電機１８は、ＤＨＥＳ１６に加えて、順に、負荷動作のために電気的負荷２６、２７、２８へ発電した電力を与える。本発明の一実施形態を航空機環境において示しているが、本発明は、そのようには限定されずに、他の自動車用途および非自動車産業、商業用途、ならびに住宅用途などの非航空機用途における電力システムへの一般的な用途を有することが理解されるであろう。
【０００９】
図２には、左エンジンシステム１２および右エンジンシステム１４を含むように示された複数のエンジンシステムを有する航空機用の電力システム１０の模式的なブロック図を図示する。左右のエンジンシステム１２、１４を実質的に同じにすることができ、したがって、説明がすべてのエンジンシステムに当てはまるという理解を含んで、左エンジンシステム１２だけを簡潔さのために詳細に説明するであろう。
【００１０】
左エンジンシステム１２は、ＤＨＥＳ１６、少なくとも１つの発電機１８、一体型コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）２０、第１のＤＣ電力バス２２および第２のＤＣ電力バス２４を含むように示された少なくとも１つの電力分配バス、ならびにアクチュエータ負荷２６、飛行臨界負荷２７、および非飛行臨界負荷２８を備える。右エンジンシステム１４を、ＤＣ電力バス２９だけを備えるように示したが、左エンジンシステム１２の同じ構成要素のうちの多くを二重に持つことができる。第１のＤＣ電力バス２２は、ＤＨＥＳ１６、アクチュエータ負荷２６を選択的につなげ、選択的カップリングリンク２５を介して第２のＤＣ電力バス２４と選択的につなげられる。第２のＤＣ電力バス２４を、ＩＣＣ２０を介して発電機１８と、飛行臨界負荷２７、非飛行臨界負荷２８とさらに選択的につなげ、そして選択的カップリングリンク２５を介して右エンジンシステム１４の対応するＤＣ電力バス２９と選択的につなげる。
【００１１】
電気的負荷２６、２７、２８のうちの少なくとも一部は、定常状態電力要求または平均電力要求を有することができ、そして負荷２６、２７、２８のうちの少なくとも一部は、パルシング負荷またはＲＡＤＡＲなどの過渡動作のための過渡電力要求を有することができる。この意味で、過渡電力要求量は、定常状態電力要求量または平均電力要求量よりも大きい。選択的カップリングリンク２５を、例えば、所定の特性に基づいて２つの構成要素間の電気的カップリングを可能にするまたは不可能にする任意の物理的または電気的接続または切断デバイスとすることができる。この例では、選択的カップリングリンク２５は、第１のＤＣ電力バス２２についてのしきい値電圧を測定することができる。第１のＤＣ電力バス２２において測定した電圧がしきい値電圧よりも低くなる場合には、選択的カップリングリンク２５は、第２のＤＣ電力バス２４とつなげられてもよく、バス２２、２４間で電圧を共有することを可能にする。
【００１２】
ＤＨＥＳ１６は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３２などの電力コントローラに順次つなげられ、ウルトラキャパシタ３０として示した非電池電源、およびＤＣ−ＤＣコンバータ３６などの第２の電力コントローラ順次つなげられ、リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）電池３４として示した電池電源をさらに備える。第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６は、第１のＤＣ電力バス２２に選択的につなげられたＤＨＥＳ１６の出力である共通電力出力を与える。第１および／または第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６の一例は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）系の大帯域幅ＤＣ−ＤＣコンバータを含むことができる。ＳｉＣまたはＧａＮを、その固体材料構造、小型で軽量のフォームファクタで大電力レベルを取り扱うその能力、および非常に迅速に電気的動作を実行するその高速スイッチング能力に基づいて選択することができる。ＳｉＣまたはＧａＮ系のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６が小型で軽量のフォームファクタに結果として結びつくが、系のＤＣ−ＤＣコンバータが、コストに敏感な用途には好まれることがある。
【００１３】
ウルトラキャパシタ３０を、完全に放電する前に、１００分の数秒程度の非常に短い時間にわたり大量のＤＣ電力を供給するように構成することができる。例として、容易に実現される２７０ボルト、３０ファラッドのウルトラキャパシタバンクは、１．０ｓよりも長くにわたって２００キロワットを供給することが可能である。加えて、ウルトラキャパシタ３０を、充電／放電性能を劣化させずに多数回にわたり繰り返して再充電および放電させることができる。電池３４を、逆に、ウルトラキャパシタ３０よりも長期間にわたってＤＣ電力を供給するように構成することができ、多数回にわたり繰り返して再充電および放電させることができるが、電池３４は、多数回の繰返しでまたは時間経過で充電／放電性能の劣化を経験することがある。例として、入手可能な５アンペア−時セルを使用して作られた２７０Ｖ電池は、約１．８分間にわたって５０キロワットを供給することが可能である。
【００１４】
代替の非電池電源および電池電源が想像される。例えば、代替の非電池電源は、燃料電池、または緊急非電池電源を含むことができる。加えて、電池電源は、主航空機電池、または緊急航空機電池を含むことができる。さらにその上、非電池電源および電池電源の各々は、キャパシタのバンクもしくは電池のバンク、または非電池電源および電池電源の任意の組合せなどの１つよりも多くの電源を含むことができる。
【００１５】
発電機１８は、動作しているガスタービンエンジンによって供給される機械的エネルギーから電力供給を、例えば、ＡＣ電力出力を発電するように構成される。ＡＣ電力出力は、ＩＣＣ２０に供給され、ＩＣＣ２０はＡＣ電力出力をＤＣ電力出力に整流する整流器として働き、ＤＣ電力出力は、第２のＤＣ電力バス２４にさらに供給される。発電機１８が示される一方で、発電機１８は、代わりに、左エンジンシステム１２のために始動機能をやはり提供する始動機／発電機であってもよい。この実施形態では、ＤＨＥＳは、始動機／発電機を介して左エンジンシステム１２を始動させることができる電力を供給することができる。電力システム１０の上記の例では、電気的負荷２６、２７、２８がＤＣ電力で動作するために、いずれのＡＣ電力出力もＤＣ電力出力に整流する。
【００１６】
加えて、ウルトラキャパシタ３０および電池３４の両者は、それぞれの第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６の各々にＤＣ電力を供給するように構成される。各ＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６は、可変とすることができるＤＣ電力入力を受け取るように構成され、ＤＣ電力入力を知られたまたは所定のＤＣ電力出力に変換する。例えば、電池３４は、２８ＶＤＣを与えることができ、これは次に第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３６によって所定の２７０ＶＤＣに変換されてもよい。同様に、ウルトラキャパシタは、３４０ＶＤＣを供給することができ、これは次に第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３２によって２７０ＶＤＣに変換されてもよい。ウルトラキャパシタ３０および電池３４が同じ特性を有するＤＣ電力をそれぞれ供給し、同じＤＣ電力入力を所定のＤＣ電力出力に変換するために１つのＤＣ−ＤＣコンバータ３２だけが必要である代替構成が想像される。加えて、第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６が共通のＤＣ電力出力を供給する限りは、ウルトラキャパシタ３０および電池３４からの交互のＤＣ電力出力、同様に第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６からの代わりのＤＣ電力出力が想像される。
【００１７】
第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６からの所定の共通ＤＣ電力出力、およびしたがってＤＨＥＳ１６からのＤＣ電力出力を、第１のＤＣ電力バス２２に供給する。電力システム１０は、したがって、ＤＨＥＳ１６によって供給される電力およびＩＣＣ２０を介して発電機１８によって供給される電力が、２７０ＶＤＣなどの同じであるように構成される。この意味で、第１および第２のＤＣ電力バス２２、２４の各々は、同様のＤＣ電力供給を受け、同じ電気的特性で動作する。
【００１８】
第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６の各々はまた、同様に逆動作でも働く。例えば、ウルトラキャパシタ３０および／または電池３４のいずれかが放電してしまう場合には、第１のＤＣ電力バス２２は、それぞれのＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６にＤＣ電力を選択的に供給することができ、このＤＣ−ＤＣコンバータは、それぞれのウルトラキャパシタ３０および／または電池３４を再充電することができるＤＣ電力出力に供給されたＤＣ電力を変換するであろう。
【００１９】
それぞれの電源１６、１８が同時に電気的負荷２６、２７、２８のすべてに電力を供給するために十分な電力出力を与えることができない期間には、電力システム電気的負荷２６、２７、２８（または右エンジンシステム１４のいずれかの負荷）への共通ＤＣ電力供給を共有するために、第１および第２のＤＣ電力バス２２、２４を、選択的カップリングリンク２５を介して相互に選択的につなげる、または選択的カップリングリンク２５を介して右エンジンシステム１４のＤＣ電力バス２９に選択的につなげるようにやはり構成することができる。加えて、電気的負荷２６、２７、２８のすべてに同時に電力を供給するためには不十分な電力しかＤＨＥＳ１６および発電機１８から供給されない場合には、第１および第２のＤＣ電力バス２２、２４のうちの１つまたは複数を、非飛行臨界負荷２８へのＤＣ電力出力の供給を削減するまたは停止するように構成することができる。
【００２０】
第１および第２のＤＣ電力バス２２、２４の各々を、電気的負荷２６、２７、２８によって必要とされるような異なるＤＣ電力出力にＤＣ電力入力を変換するようにさらに構成することができる。例えば、いくつかの非飛行臨界負荷２８は、２８ＶＤＣにより動作することができる。この例では、非飛行臨界負荷２８に２８ＶＤＣを選択的に供給する前に、２７０ＶＤＣ電力入力を２８ＶＤＣに変換するように、第２のＤＣ電力バス２４を構成することができる。
【００２１】
図３には、ＤＨＥＳ１６のより詳細な模式図を図示する。示したように、ＤＨＥＳ１６は、負荷スペクトル選択フィルタ３８をさらに備え、第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６の各々は、それぞれの第１および第２のコントローラ４０、４２をさらに含む。ＤＨＥＳ１６は、点線として表したデータ通信を可能にし、その結果、第１のコントローラ４０は、第２のコントローラ４２へコマンド信号４６を送信し、およびそこから受信し、ウルトラキャパシタ３０から、例えばウルトラキャパシタ３０の電力の量のようなウルトラキャパシタ３０の現在のステータスを表すウルトラキャパシタステータス信号４８を受信し、そして負荷スペクトル選択フィルタ３８から第１のフィルタ信号５２を受信する。ＤＨＥＳ１６は、データ通信をさらに可能にし、その結果、第２のコントローラ４２が、電池３４からの、例えば電池３４の電力の量のような電池３４の現在のステータスを表す電池ステータス信号５０、および負荷スペクトル選択フィルタ３８からの第２のフィルタ信号５４を受信する。
【００２２】
負荷スペクトル選択フィルタ３８は、瞬間的なおよび包括的なＤＣ電力バス２２、２４エネルギー要求量を表す、第１のＤＣ電力バス２２からのＤＣ電力バス信号４４を受信するようにさらに示される。あるいは、負荷スペクトル選択フィルタ３８は、電気的負荷２６、２７、２８に供給するために、各ＤＣ電力バス２２、２４エネルギー要求量を表している各信号を用いて各ＤＣ電力バス２２、２４からの信号をさらに受信することができる。この例では、負荷スペクトル選択フィルタ３８は、信号を与えるすべてのＤＣ電力バス２２、２４のエネルギー要求量を合計することができる。点線がデータ通信を表すのに対して、図３の実線は、電力カップリングを表し、その結果、ウルトラキャパシタ３０および電池３４の各々は、各々それぞれの第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６との双方向電力伝送を可能にし、各コンバータ３２、３６は、第１のＤＣ電力バス２２との選択的な双方向電力伝送を可能にする。
【００２３】
電力システム１０は、電気的負荷２６、２７、２８に平均電力要求量および過渡電力要求量を供給するように動作する。本発明の一実施形態では、発電機１８は、電力システム１０の平均電力要求量を供給するために十分な電力出力を供給するように設計され、大きさを決められ、そして構成されるが、システム１０の過渡電力要求量を供給するようには設計されず、大きさを決められず、そして構成されないことがある。別の言い方をすれば、発電機１８電力出力は、電力システム１０の過渡電力要求量に電力を供給するためには不十分なことがある。
【００２４】
過渡電力要求の期間には、追加の電力が、過渡電力要求量を計算に入れてＤＨＥＳ１６によって第１または第２のＤＣ電力バス２２、２４のうちの少なくとも一方に供給される。発電機１８およびＤＨＥＳ１６によって供給される電力の組合せは、システムの重量を最小にすること、システムの寿命を最大にすることなどのシステム性能を最大にするように分割を決定しながら、過渡電力要求量を計算に入れるのに十分である。これは、第１および／または第２のＤＣ電力バス２２、２４のうちの少なくとも一方が、過渡電力要求が生じていることを検知する（すなわち、不十分な電力が電気的負荷２６、２７、２８に供給されようとしていることをバス２２、２４が検知する）ときに生じる。この時点で、第１および／または第２のＤＣ電力バス２２、２４は、電気的負荷２６、２７、２８に電力を供給するために不十分なまたは不十分に近い量の電力供給を受けることを表しているＤＣ電力バス信号４４を送信する。
【００２５】
ＤＨＥＳ１６は、ＤＣ電力バス信号４４に応じて第１のＤＣ電力バス２２に電力を選択的に供給するように動作する。これは、負荷スペクトル選択フィルタ３８がＤＣ電力バス２２、２４の瞬間的なエネルギー要求量を表しているＤＣ電力バス信号４４を最初に受信するときに生じる。負荷スペクトル選択フィルタ３８は、例えば、ＤＣ電力バス信号４４のゆっくりと変化するエネルギー要求量を動作上で削減するためにローパスフィルタとして動作する。別な言い方をすれば、負荷スペクトル選択フィルタ３８は、ＤＣ電力バス２２、２４のエネルギー要求量から平均電力要求量を除去して、電気的負荷２６、２７、２８の過渡電力要求量だけを残す。ＤＣ電力バス２２、２４の過渡電力要求量は、第１および第２のフィルタ信号５２、５４として第１および第２のコントローラ４０、４２の各々にフィルタ３８から与えられる。あるいは、負荷スペクトル選択フィルタ３８は、所定のしきい値または絶えず変化するしきい値を超える過渡電力要求量だけを、第１および第２のフィルタ信号５２、５４として与えるように動作することができる。
【００２６】
第１および第２のコントローラ４０、４２は、相互に双方向通信をしており、その結果、各々それぞれの第１および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６を協働して制御することができ、過渡電力要求量の増加を計算に入れてＤＨＥＳ１６から十分なＤＣ電力出力を与える。一例では、負荷は、無負荷から２４０ｋＷまで脈動する。平均負荷電力は、ほぼ１００キロワットであり、これは発電機によって供給される。負荷パルスが生じると、第１および第２のフィルタ信号５２、５４は、各々それぞれの第１および第２のコントローラ４０、４２に与えられ、第１のＤＣ電力バス２２が平均値を超える過渡電力要求量のために追加の１４０キロワットの電力を与える必要があることを示す。第１のコントローラ４０は、ウルトラキャパシタステータス信号４８を受信することができ、ウルトラキャパシタ３０が放電することによって１２０キロワットの電力を与えることができることを示す。第２のコントローラ４２は、電池ステータス信号５０を受信することができ、電池３４が放電することによって２０キロワットの電力を与えることができることを示す。
【００２７】
第１および第２のコントローラ４０、４２間の双方向通信は、過渡電力要求量を計算に入れて、ウルトラキャパシタ３０および電池３４の各々がどれだけの追加電力を与えるかを決定する。この例では、第１のコントローラ４０は、ウルトラキャパシタ３０が全１２０キロワットを放電するであろうことを決定し、電池３４から２０キロワットを放電するように第２のコントローラ４２に指示することができる。別の一例では、ウルトラキャパシタ３０および電池３４の各々が、７０キロワットを放電することができる、または、ウルトラキャパシタが２０キロワットを放電している間に、電池３４は１２０キロワットを放電することができる。これらの事例は、ＤＨＥＳ１６動作の非限定的な例である。
【００２８】
ＤＨＥＳ１６は、過渡電力要求量の可能な限り多くを計算に入れて、第１のコントローラ４０が可能なときはいつでもウルトラキャパシタ３０を放電させるように動作することができる。もう１つ事例では、４００ワットの過渡電力要求量が必要とされ、そしてウルトラキャパシタが８００ワットを放電することが可能である場合には、第１のコントローラ４０は、ウルトラキャパシタ３０を放電させ、電池３４は、全く放電しないであろう。同様に、もう１つの事例では、８００ワットの過渡電力要求量が必要とされ、そしてウルトラキャパシタが８００ワットを放電することができる場合には、第１のコントローラ４０は、ウルトラキャパシタ３０を放電させ、電池３４は、全く放電しないであろう。この例では、ウルトラキャパシタ３０を放電させることが過渡電力要求量を計算に入れても不十分である事例においてだけ、電池３４を放電させるであろう。別の言い方をすると、電力システム１０は、電池３４をバス２２、２４に選択的につなげる前に、第１または第２のＤＣ電力バス２２、２４のうちの少なくとも一方にウルトラキャパシタ３０を選択的につなげることができる。過渡電力要求の期間に電力を与えるこの優先順位は、ウルトラキャパシタ３０放電を補うために必要なときにだけ電池３４を放電させることによって、電力システム１０が電池３４の充電／放電性能の劣化を積極的に防止しながら航空機にとって十分な追加の電力を繰り返して与えることを可能にする。
【００２９】
定常負荷または平均負荷では、第１および／または第２のＤＣ電力バス２２、２４は、負荷スペクトル選択フィルタ３８へＤＣ電力バス信号４４を送信する。フィルタ３８は、したがって、電力システム１０が平均電力要求量で動作していることを示す第１および第２のフィルタ信号５２、５４を発生する。各コントローラ４０、４２は、それぞれのウルトラキャパシタステータス信号４８および電池ステータス信号５０をやはり受信する。それぞれの電源が完全に充電されていないことを、ウルトラキャパシタステータス信号４８または電池ステータス信号５０のいずれかが示す場合には、それぞれの第１または第２のコントローラ４０、４２は、それぞれの第１または第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３２、３６を選択的に動作させて、それぞれの電源３０、３４を充電するために適正なＤＣ電圧に変換されるＤＣ電力出力を第１のＤＣ電力バス２２が与えることを可能にする。一旦、ウルトラキャパシタ３０および／または電池３４が完全に充電されると、ＤＨＥＳ１６は、過渡電力要求を待機する。
【００３０】
図４には、過渡電力要求６０に続く定常状態電力要求６２の期間の電力システム１０の電力要求量を図示する。このグラフでは、「Ｐ  ｂａｔ」は電池３４の電力放電を表し、「Ｐ  ｕｌｔｒａｃ」はウルトラキャパシタ３０の電力放電を表し、「Ｐ  ＤＨＥＳ」はＤＨＥＳ１６の電力放電を表し、そして「Ｐ  ｌｏａｄ」は１つまたは複数の過渡的な電気的負荷の電力要求量を表す。示したように、時刻ｔ0において、過渡状態電力要求量は存在しない６２。時刻ｔ1において、正の電力過渡状態が生じ、ＤＨＥＳ１６は過渡電力要求量６０を計算に入れて補充電力を供給し始める。示したように、供給される補充電力の大部分は、発明のこの実施形態ではウルトラキャパシタ３０放電からのものである。時刻ｔ1と時刻ｔ2との間では、過渡電力要求量６０は一定のままであるが、ウルトラキャパシタ３０は放電し、その結果、ウルトラキャパシタが大量の補充電力を供給する。この同じ期間中に、電池３４は、ウルトラキャパシタ３０によって供給される電力のごく一部を供給し、電池ストレスを減少させ、電池寿命を最大にする。
【００３１】
時刻ｔ2において、負荷がゼロ負荷まで減少すると、負荷は新しい過渡状態になり、したがって電力システムは、平均電力要求量６２で動作する。この時間中には、ＤＣ電力バス２２、２４は、ウルトラキャパシタ３０および電池３４を再充電するように電力を供給し、ＤＨＥＳ１６がｔ2の負荷減少過渡状態の直前の値に等しい発電機の負荷を保とうとするので、再充電のために負の電力値を有するように示されている。図４のグラフは、電力システム１０動作の一例を図示し、他の動作が想像される。典型的な発電機１８では、必要以上に大きい発電機が過渡電力要求量を計算に入れて十分な電力を与えることができるとしても、発電機１８は、過渡電力要求に対して十分に早く応答できないことがあり、これは、例えば、ほんの１００分の数秒間生じることがある。
【００３２】
上記の図に示したものに加えて、多くの他の可能性のある実施形態および構成が、本開示により予想される。例えば、発明の一実施形態は、エンジンシステム１２、１４当たり１つよりも多くの発電機１８を是認する。発明の別の一実施形態では、電力システム１０は、緊急電力システムを組み込むことができ、そこではＤＨＥＳは、緊急動作中に緊急電力を与えることができる。発明のさらに別の一実施形態では、第２のフィルタ信号５４を削除することができ、第１のコントローラ４０は、第１のフィルタ信号５２を受信することができ、次いでウルトラキャパシタが供給することができる電力の量に基づいてどのように動作するかを第２のコントローラ４２に指示する。発明のさらに別の一実施形態では、第１および第２のコントローラ４０、４２を、２つのコントローラ４０、４２によって制御されるすべての態様を制御する１つのコントローラによって置き換えることができ、そして開示した以外の代わりの場所、例えば、フィルタ３８の一部として、またはＤＣ電力バス２２、２４内に追加で設置することができる。加えて、前述の信号４４、４８、５０、５２、５４のいずれかを、例えば、一般に使用されている信号ポーリングシステム、または一般に使用されている信号トリガシステムに基づくものとすることができる。加えて、多くの様々なインライン構成を実現できるように、様々な構成要素の設計および配置を配置し直すことができる。
【００３３】
発明のさらに別の一実施形態では、ＤＣ電力バス２２、２４を、１つまたは複数のＡＣ電力バスとして代わりに構成することができ、電気的負荷２６、２７、２８がＡＣ電力で動作することが想像される。この実施形態では、ウルトラキャパシタ３０、電池３４、および発電機１８の各々は、ＡＣ電力バスに適正な電圧および周波数でＡＣ電力を与えることができるように、適正なコンバータおよび／またはインバータを伴って構成されるであろう。加えて、ＡＣ電力バスにウルトラキャパシタ３０および電池３４を選択的につなげるコンバータおよび／またはインバータを、逆変換が可能であるように構成することができ、その結果、ウルトラキャパシタ３０および電池３４の各々を充電することができる。
【００３４】
本明細書において開示した実施形態では、過渡電力要求量を計算に入れて追加の電力を供給するように構成された航空機用の電力システムを提供する。航空機構成要素を設計するときには、扱うべき重要な要素は、サイズ、重量、および信頼性である。上記の実施形態で実現することができる１つの利点は、上に記述した実施形態が、従来型の電力システムよりも優れた重量およびサイズ優位性を有することである。過渡電力要求量を計算に入れて（単独の）発電機を設けるためには、発電機を大きくする必要があるはずであり、サイズおよび重量の増加という結果になる。このサイズおよび重量の増加は、まれにしか生じない過渡電力モードにとって望ましくないことがある。過渡電力要求期間中にＤＨＥＳが補充用電力を与えることを可能にすることによって、構成は、過渡電力要求に起因する電力供給のストレスを計算に入れて大型でより重い発電機にスケールアップするよりはむしろ、平均電力要求量を供給しなければならないだけの小型のおよび／または軽量の発電機を可能にすることができる。ＤＨＥＳは、電力システムに追加の電力を供給するときに、典型的な発電機よりも速い応答をやはり可能にする。加えて、小型および／または軽量の発電機は、動作寿命の延長を可能にし、これは、システムの信頼性を向上させ、保守管理コストおよび交換コストを削減する。重量およびサイズの減少は、飛行中の競合的優位性に相互に関係する。
【００３５】
加えて、上に記述した実施形態のもう１つの利点は、過渡電力要求期間中にウルトラキャパシタの優先的放電のために電池の充電および放電性能における劣化が小さいことを可能にする。使用の充電および放電ストレスからの電池性能の劣化が少ないことは、航空機の電池システムの信頼性および長寿命性を向上させ、保守管理コストおよび交換コストを削減する。
【００３６】
まだ記述していないという点で、様々な実施形態の様々な特徴および構造を、望むように相互に組み合わせて使用することができる。１つの特徴が実施形態のすべてにおいて図示されないことがあることは、そうでないと解釈すべきであることを意味せずに、説明の簡潔さのために行われている。したがって、新しい実施形態が明確に記述されるか否かに拘わらず、様々な実施形態の様々な特徴を、新しい実施形態を形成するために望まれるようにうまく組み合わせることができる。本明細書において説明した特徴のすべての組合せまたは並べ替えは、この開示によって保護される。
【００３７】
この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、ならびにいかなる当業者でも、任意のデバイスまたはシステムを作成することおよび使用すること、および任意の組み込んだ方法を実行することを含む本発明を実行することをやはり可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く別の例を含むことができる。このような別の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはこのような別の例が特許請求の範囲の文面とは実質的でない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、このような別の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
２  航空機
１０  電力システム
１２  左エンジンシステム
１４  右エンジンシステム
１６  デュアルハイブリッドエンジンシステム（ＤＨＥＳ）
１８  発電機
２０  一体型コンバータ／コントローラ（ＩＣＣ）
２２  第１のＤＣ電力バス
２４  第２のＤＣ電力バス
２５  選択的カップリングリンク
２６  アクチュエータ負荷
２７  飛行臨界負荷
２８  非飛行臨界負荷
２９  ＤＣ電力バス
３０  ウルトラキャパシタ
３２  第１のＤＣ−ＤＣコンバータ
３４  電池
３６  第２のＤＣ−ＤＣコンバータ
３８  負荷スペクトル選択フィルタ
４０  第１のコントローラ
４２  第２のコントローラ
４４  ＤＣ電力バス信号
４６  コマンド信号
４８  ウルトラキャパシタステータス信号
５０  電池ステータス信号
５２  第１のフィルタ信号
５４  第２のフィルタ信号
６０  過渡電力要求
６２  定常状態電力要求
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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