一种涡电混合动力飞行器电气架构解决方案

在航空运输与航空作业领域，电气系统是保障飞行器稳定运行的核心组成部分，其可靠性直接关系到飞行安全与任务执行效率。随着航空技术向电气化、混合动力化转型，电推进器、高精度航电设备等各类电气负载(C1、C2、C3、C4)的数量与功率需求持续攀升，对电气能量供应网络的稳定性、冗余性与故障隔离能力提出了严苛要求。本文聚焦于飞行器电气供电领域，适用于固定翼 aircraft、直升机或多旋翼机等各类机型，尤其针对集成了燃气涡轮与发电机组成的涡轮发电机作为动力源、电推进器作为核心负载的电气架构。

当前航空电气系统正逐步向高压直流(HVDC)架构演进，其核心需求是在满足动态负载功率波动的同时，确保供电网络电压稳定，并具备应对单一部件故障的容错能力。传统供电网络在平衡可靠性与轻量化、成本控制之间存在显著矛盾，而本文提出的电气能量供应网络通过创新架构设计与控制策略，为解决这一矛盾提供了有效路径，对提升航空电气系统的安全性与经济性具有重要意义。

现有技术中，部分航空电气供应网络采用单一配电母线设计，所有功率源(发电机、储能装置)均直接连接至该母线，再通过母线为各类电气负载供电。这种架构的核心缺陷在于缺乏故障隔离能力：一旦单一配电母线发生故障(如短路、绝缘破损)，将导致整个供电网络瘫痪，所有依赖该母线供电的电气负载(尤其是电推进器等关键负载)将完全失效。对于飞行器而言，推进系统断电可能直接引发飞行事故，严重危及飞行安全。此外，单一母线架构中，各功率源的故障易相互传导，例如某一发电机的整流器故障可能通过母线影响其他正常发电机的运行，进一步扩大故障影响范围，降低系统容错性。

为解决单一母线的故障传导问题，现有技术提出了分段式电气供应网络架构，即通过多个独立配电母线将功率源与负载进行隔离配置。例如在垂直起降(VTOL)机型中，采用“整流器-母线”一一对应的设计，每个发电机的定子与整流器单独连接至一条独立配电母线，负载通过两条独立母线供电。但这种架构存在显著弊端：首先，需配置与母线数量相等的储能电池，而飞行器对重量极为敏感，大量电池的搭载会大幅增加机身重量，降低续航能力与运载效率；其次，过多的电池与母线组件导致系统成本显著上升，同时增加了维护复杂度；此外，分段式架构中功率源被分散隔离，无法实现跨母线的功率共享，当某一母线的负载出现峰值功率需求时，难以借助其他母线的功率源进行补充，降低了能量利用效率，削弱了混合动力架构的优势。

现有架构中，整流器、负载与母线的连接缺乏灵活的断开机制，导致局部部件故障易扩散至整个网络。一方面，整流器作为交流-直流转换的核心部件，其输入输出端未设置可靠的隔离接触器，一旦某一整流器发生故障(如短路、过载)，无法快速将其与母线断开，可能导致母线电压异常，影响其他正常负载的供电；另一方面，电气负载与储能装置同样缺乏独立的隔离机制，故障负载或储能装置可能持续消耗母线能量，甚至引发母线过流，进一步恶化供电稳定性。

现有网络的控制方式存在明显局限：分散式控制虽能实现各功率源的独立运行，但控制动态性差，无法快速响应跨母线的功率调度需求，能量利用效率低下；集中式控制在母线连接过程中易产生电流峰值问题。当两条初始断开的母线存在电压差时，直接闭合连接接触器会导致母线间静电能量平衡，产生瞬时大电流(可达数百安培)，该电流峰值仅能通过导体阻抗限制，无法被有效吸收，可能损坏整流器、接触器等关键部件，缩短系统使用寿命。此外，现有架构未考虑整流器与母线的优化连接方式，当某一发电机故障时，对应的母线可能完全失去发电支持，过度依赖储能装置，进一步加剧了储能压力。

本文提出的航空电气能量供应网络通过架构创新、接触器配置优化、储能系统整合与智能控制策略，全面解决了现有技术的缺陷，核心设计包括“多发电机-多母线”拓扑、灵活的接触器控制、优化的部件连接方式与智能控制单元，以下结合附图与部件编号详细说明。

本解决方案的核心架构包含至少两个发电机(2、3)、至少两条配电母线(4、5)、整流器组件(20a、20b、20c、30a、30b、30c)、接触器(10、100)及储能装置(6、7、8、9)，各部件协同实现功率供应、故障隔离与能量优化调度，具体拓扑设计如下：

发电机(2、3)为飞行器涡轮发电机的核心组成部分，与燃气涡轮机械连接形成涡轮发电机组件，可根据负载需求采用单星形、双星形或三星形结构。如图1所示，发电机2为三星形(九相)发电机，包含三个独立电气链2a、2b、2c，每个电气链均配备定子(未示出，内置多相线圈输出元件)与整流器20a、20b、20c；发电机3同样为三星形发电机，对应电气链3a、3b、3c与整流器30a、30b、30c。如图2所示，发电机也可采用双星形结构，每个发电机仅包含两个电气链(如发电机2的2a、2b与整流器20a、20b，发电机3的3a、3b与整流器30a、30b)，适用于中等功率需求场景；若负载功率较低，还可采用单星形发电机(仅一个电气链与整流器)。

图1 示出了根据本发明的供电网络的一个实施例示例

图2 示出了根据本发明的供电网络的另一个实施例示例

整流器(20a、20b、20c、30a、30b、30c)的核心功能是将发电机定子输出的交流电转换为直流电，为高压直流(HVDC)配电母线(4、5)供电。所有整流器均并联连接至配电母线(4、5)，这种连接方式确保了多个发电机的功率可汇总至母线，实现功率共享，提升系统对负载波动的响应能力。

配电母线(4、5)为直流母线，是连接功率源(发电机、储能装置)与负载(C1、C2、C3、C4)的核心通道，其数量设计遵循“至少两个、最多等于整流器数量”的原则：最少两个母线可满足故障隔离的基本需求，最多不超过整流器数量可避免母线冗余导致的重量与成本增加，理想状态下母线数量与发电机数量相等(如本方案中的2条母线对应2个发电机)，兼顾可靠性与经济性。

母线(4、5)的核心功能是为各类电气负载供电，负载类型包括电推进器(通过逆变器连接)、航电设备等，可分为被动负载与主动负载(如带调节功能的转换器、三相电机)。如图1-3所示，负载C1、C2、C3、C4分别连接至母线4、5，实现负载的合理分配，避免单一母线负载过载。

图3 示出了与图2类似的供电网络

为解决母线连接时的电流峰值问题，如图4所示，本方案在两条配电母线(4、5)之间增设电感(Lc)、电阻(Rc)及超级电容器(8、9)。电感(Lc)的作用是限制母线连接瞬间的暂态电流变化率，避免电流突变导致的部件冲击；电阻(Rc)可将部分暂态电流转化为热量消散，降低电流峰值；超级电容器(8、9)凭借高功率密度特性，能够快速吸收母线电压平衡过程中产生的静电能量，进一步削弱电流峰值的影响。三者协同作用，有效保护整流器、接触器等关键部件，提升系统稳定性。

图4 示出了根据本发明的供电网络的一个实施例示例

本方案配置了三级接触器(10、100)，分别实现整流器-母线隔离、负载/储能装置-母线隔离、母线间连接/断开，通过分级控制确保故障隔离的精准性与母线运行的灵活性，各接触器的设计与功能如下：

母线接触器(100)安装于两条配电母线(4、5)之间，是实现母线连接与隔离的核心部件，支持两种默认运行模式，适配不同场景需求：

模式一：默认闭合(电气连接母线4、5)。如图1-3所示，接触器100默认处于闭合状态时，两条母线形成一个整体供电网络，所有发电机(2、3)与储能装置(6、7)均可为两条母线上的所有负载供电。该模式的优势在于最大化功率源冗余：当某一发电机(如发电机2)故障时，发电机3的整流器(30a、30b、30c)可通过两条母线为所有负载补充功率；当某一储能装置(如电池6)失效时，电池7可通过母线连接为整个网络提供储能支持。若检测到某一母线(如母线4)发生短路故障，接触器100可快速切换至断开状态，将故障母线隔离，避免故障扩散至母线5，确保母线5上的负载(如C3、C4)正常供电。为应对短路电流的冲击，接触器100内置“热熔断器(pyrofuse)”元件，其导电部分在电流过大导致温度超标时自动熔化，实现母线的快速断开，提升故障响应速度。

模式二：默认断开(电气隔离母线4、5)。接触器100默认断开时，两条母线各自形成独立供电单元，发电机2的整流器(20a、20b、20c)为母线4供电，发电机3的整流器(30a、30b、30c)为母线5供电，负载按预设分配分别由两条母线独立供电。该模式的核心优势是故障隔离的主动性：当母线4发生故障时，母线5的供电不受影响，其负载可继续正常运行，尤其适用于VTOL机型——该类机型的推进组件由双星形电机驱动，每个星形绕组通过逆变器连接至一条母线，即使一条母线故障，另一条母线仍能支持推进组件的部分功率输出，避免整机失去推进能力。当某一母线的负载出现峰值功率需求(如母线4的负载C1功率突增)，或某一母线的功率源(如发电机2)故障时，接触器100可切换至闭合状态，实现两条母线的功率共享，确保负载供电稳定。

如图1-3所示，每个整流器(20a、20b、20c、30a、30b、30c)的输入端(交流侧)与输出端(直流侧)均配置接触器(10)。当某一整流器(如20a)发生故障(如内部短路、转换效率异常)时，其输入端与输出端的接触器(10)可快速断开，将故障整流器与发电机定子、配电母线完全隔离，避免故障整流器消耗母线能量或导致母线电压异常，确保其他正常整流器(20b、20c、30a等)的运行不受影响。该设计实现了整流器的部件级故障隔离，提升了系统的容错能力。

如图2-3所示，每个电气负载(C1、C2、C3、C4)与储能装置(6、7)均通过接触器(10)连接至配电母线(4、5)。当某一负载(如C2)发生故障(如过载、短路)时，对应的接触器(10)断开，避免故障负载持续占用母线功率或引发母线过流；当储能装置(如电池6)出现异常(如过充、过放)时，其接触器(10)可快速切断与母线的连接，防止储能装置损坏或影响母线电压稳定。该设计实现了负载与储能装置的终端级保护，进一步细化了故障隔离的层级。

为提升供电网络的稳定性与混合动力优势，本方案在配电母线(4、5)上配置了储能装置，并通过DC/DC转换器实现储能与母线的高效适配，具体设计如下：

储能装置包括电池(6、7)与超级电容器(8、9)：电池(6、7)为主要储能元件，用于长期补充功率需求(如涡轮发电机启动阶段、飞行机动时的峰值功率补偿)；超级电容器(8、9)为辅助储能元件，如图4所示，主要用于吸收母线连接时的电流峰值，辅助稳定母线电压。储能装置的数量与母线数量匹配(2条母线对应2组电池6、7)，避免了现有分段式架构中储能装置过多的问题，兼顾了储能容量与轻量化需求。

如图2-3所示，每个电池(6、7)均串联一个DC/DC转换器(60、70)，转换器一端连接电池，另一端连接配电母线(4、5)，其核心功能包括：一是电压稳定，转换器可根据母线电压变化动态调节电池的输出电压，确保母线电压维持在设定范围内，避免电池电压波动直接影响负载供电；二是电流控制，转换器能够精准控制电池的充放电电流，防止电池过流充放电，延长电池使用寿命；三是功率适配，当母线需要补充功率时，转换器提升电池输出功率，当母线功率过剩时，控制电池吸收多余功率，实现能量的双向流动与高效利用。

为解决单一发电机故障导致对应母线供电不足的问题，本方案提出整流器交替连接(交叉连接)策略，如图3所示：发电机2的整流器20a连接至母线4，整流器20b连接至母线5；发电机3的整流器30a连接至母线5，整流器30b连接至母线4。这种交叉连接方式使得每条母线均能获得两个发电机的功率支持，例如母线4同时连接发电机2的20a与发电机3的30b，母线5同时连接发电机2的20b与发电机3的30a。

当某一发电机(如发电机2)故障时，其整流器20a、20b停止工作，但母线4仍能通过发电机3的30b获得功率，母线5仍能通过发电机3的30a获得功率，避免了单一发电机故障导致对应母线完全失电的情况。该设计显著降低了单一发电机故障对供电网络的影响，减少了对电池(6、7)的功率依赖，提升了系统的冗余性与可靠性。

为适配母线的两种运行模式(连接/断开)，本方案设计了集中式与分散式相结合的控制单元，实现功率调度、电压调节与故障响应的智能化，具体设计如下：

分散式控制单元适用于母线接触器(100)默认闭合的场景，此时发电机(2、3)与电池(6、7)独立参与供电调度，无需统一协调。当母线因故障断开时，分散式控制单元无需重新配置，各功率源仍能独立调节输出，确保未故障母线的负载正常供电。例如，母线4故障断开后，发电机3与电池7可在分散控制下继续为母线5的负载提供稳定功率，同时负载(如推进电机)的运行设定点会自动调整，以维持飞行器的飞行动态，电池则在功率瞬态阶段提供补充，弥补涡轮发电机动态响应较慢的缺陷。

集中式控制单元适用于母线接触器(100)默认断开的场景，其核心优势是实现母线电压的精准匹配，避免母线连接时的电流峰值，具体工作流程如下：

第一步，电压测量：集中式控制单元通过传感器实时测量两条母线(4、5)的电压(分别记为第一电压、第二电压)；第二步，电压调节：控制单元根据测量结果驱动DC/DC转换器(60、70)，调节电池(6、7)的输出电压，进而改变母线4、5的电压，使第一电压与第二电压趋于一致；第三步，母线连接：当两条母线电压差值满足设定阈值(接近零)时，控制单元发出指令闭合接触器(100)，实现母线的安全连接，彻底消除电流峰值风险。

此外，集中式控制单元还能实现跨母线的功率调度，当某一母线负载功率需求较高时，控制单元协调另一母线的发电机与电池补充功率，提升能量利用效率；当检测到部件故障时，控制单元可快速控制对应接触器(10、100)断开，实现故障隔离的自动化。