动力循环系统的能量管理系统、动力循环系统及飞行器

本发明属于航空新能源动力，尤其涉及动力循环系统的能量管理系统、动力循环系统及飞行器。

背景技术：

1、随着世界能源结构向低碳化方向演变，航空领域面临能源转型挑战。氢作为零碳清洁能源，具有较高的能量密度，是航空业实现“碳达峰，碳中和”的重要手段。目前氢燃料发动机和氢燃料电池推进系统是氢能航空最受关注的两个方向，前者结构与现役航空发动机基本相同，其热效率存在理论极限，约为40％左右，后者可令氢在电池中通过电化学反应直接产生电并排出水，发电效率可达60％左右，然而其功率密度较低，难以应用于航空领域。

2、混合动力系统是以燃料电池为主体，与涡轮发动机相结合所组成的新型混合系统。这种构型可结合燃料发动机和燃料电池两种动力系统的优势，大幅降低单一动力在某方面劣势所带来的不良影响，混合系统热效率可高达70％，是目前发电效率最高的大功率发电系统。

3、但是，在航空新能源动力领域中(例如飞行器)，混合动力系统并没有具体应用至航空新能源动力领域，同时航空新能源动力系统中发电机、电机等电气设备的散热问题仍然制约着系统功率密度的提升。

技术实现思路

1、本发明提出了动力循环系统的能量管理系统、动力循环系统及飞行器，以解决上述现有技术中存在的发电效率低、电气设备散热效果不佳的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种动力循环系统的能量管理系统，所述动力循环系统为燃气轮机与燃料电池组合的动力循环系统，其中，所述动力循环系统包括燃烧室、燃料电池、与所述燃烧室相连接的高压压气机、与所述高压压气机相连接的低压压气机以及分别与所述燃烧室和所述燃料电池相连接的燃料输送通路，所述燃料输送通路用于与液氢源相连通；所述能量管理系统包括：

3、燃料泵；

4、燃料分配器，与所述燃料输送通路相连通，所述燃料分配器用于将所述燃料输送通路内的氢气按预设比例分别输送至所述燃料电池和所述燃烧室；

5、冷端换热器，设置于所述燃料输送通路上，所述冷端换热器用于与所述燃料输送通路进行热交换，以使得所述燃料输送通路内的液氢升华为氢气；

6、冷却循环回路，用于与动力循环系统的第一换热器进行热交换，所述第一换热器设置于所述高压压气机和低压压气机之间；

7、热端换热器，设置于所述冷却循环回路上，所述热端换热器用于与所述冷却循环回路进行热交换；

8、控制系统，用于控制所述燃料泵、所述燃料分配器、所述冷却循环回路中的循环泵，其中，基于所述动力循环系统的需求功率、所述燃料泵转速和所述燃料分配器开度，得到燃料流量，基于所述燃料流量通过热量平衡计算得到热端换热器热量，基于所述热端换热器热量和所述循环泵的转速，以调节所述冷却循环回路中的冷却液温度。

9、为了实现上述目的，本发明提供了一种动力循环系统，包括：

10、燃烧室；

11、燃料电池，与所述燃烧室相连接；

12、高压压气机，与所述燃烧室相连接；

13、低压压气机，与所述高压压气机相连接；

14、燃料输送通路，分别与所述燃烧室和所述燃料电池相连接，且所述燃料输送通路用于与液氢源相连通；

15、所述的动力循环系统的能量管理系统，通过控制系统控制燃料泵、燃料分配器、冷却循环回路中的循环泵，以调节所述冷却循环回路中的冷却液温度。

16、优选地，还包括涡轮机构和与所述涡轮机构相连接的发电机，所述燃烧室用于空气与氢气燃烧、输出高温燃气驱动所述涡轮机构，以使得所述涡轮机构驱动所述发电机。

17、优选地，还包括与所述发电机相连接的电源管理单元以及与所述电源管理单元相连接的电动机，所述电源管理单元用于将所述发电机输出的能量转化为提供给所述电动机作业的电能。

18、优选地，还包括与所述电源管理单元进行热交换的第二换热器和用于与所述电动机进行热交换的第三换热器，所述第一换热器、第二换热器和所述第三换热器均用于与所述热端换热器进行热交换。

19、优选地，还包括与所述低压压气机相连通的进气通路，所述进气通路用于与空气源相连通。

20、优选地，所述燃料输送通路与所述燃料电池的阳极入口相连通，所述燃料电池的阳极出口与所述燃烧室相连通。

21、优选地，所述高压压气机通过空气输送通路与所述燃料电池的旁路入口相连通，所述燃料电池的旁路出口与所述燃烧室相连通。

22、本发明还提供了一种飞行器，包括所述的动力循环系统。

23、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

24、本发明提供了一种动力循环系统的能量管理系统包括：燃料泵、用于将所述燃料输送通路内的氢气按预设比例分别输送至所述燃料电池和所述燃烧室的燃料分配器、用于与所述燃料输送通路进行热交换，以使得所述燃料输送通路内的液氢升华为氢气的冷端换热器、用于与动力循环系统的第一换热器进行热交换的冷却循环回路、用于与所述冷却循环回路进行热交换的热端换热器、用于控制所述燃料泵、所述燃料分配器、所述冷却循环回路中的循环泵的控制系统，其中，基于所述动力循环系统的需求功率、所述燃料泵转速和所述燃料分配器开度，得到燃料流量，基于所述燃料流量通过热量平衡计算得到热端换热器热量，基于所述热端换热器热量和所述循环泵的转速，以实现所述冷却循环回路的冷却作用。本发明一方面引入了能量管理系统，将功率匹配过程和热量匹配过程耦合，利用液氢热沉降低热端换热器的温度，以使得第一换热器对压气机进行间冷，提升工作压比限制，增加涡轮输出功率能力；同时使第二换热器、第三换热器对电气设备进行散热，创造了低温环境，提升其工作效率与功率密度，解决功率密度受散热能力限制的问题，可对飞行器的动力循环系统进一步减重，实现了其在航空领域的应用；另一方面，液氢吸收热量后将转化为氢气，可直接通入燃料电池，不需要额外进行预热。

25、本发明还提供了一种动力循环系统，为燃气轮机与燃料电池组合的动力循环系统，该动力循环系统解决了单一应用燃气轮机或燃料电池作为动力系统的劣势，可同时满足飞行器的节能减排与重量控制需求。

26、本发明还提供了一种飞行器，包括所述的动力循环系统，其具备上述的动力循环系统的能量管理系统以及动力循环系统本身的全部优点，能够解决现有飞行器发电效率低、电气设备散热效果不佳的技术问题。

技术特征：

1.一种动力循环系统的能量管理系统，其特征在于，所述动力循环系统为燃气轮机与燃料电池组合的动力循环系统，其中，所述动力循环系统包括燃烧室、燃料电池、与所述燃烧室相连接的高压压气机、与所述高压压气机相连接的低压压气机以及分别与所述燃烧室和所述燃料电池相连接的燃料输送通路，所述燃料输送通路用于与液氢源相连通；所述能量管理系统包括：

2.一种动力循环系统，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的动力循环系统，其特征在于，还包括涡轮机构和与所述涡轮机构相连接的发电机，所述燃烧室用于空气与氢气燃烧、输出高温燃气驱动所述涡轮机构，以使得所述涡轮机构驱动所述发电机。

4.根据权利要求3所述的动力循环系统，其特征在于，还包括与所述发电机相连接的电源管理单元以及与所述电源管理单元相连接的电动机，所述电源管理单元用于将所述发电机输出的能量转化为提供给所述电动机作业的电能。

5.根据权利要求4所述的动力循环系统，其特征在于，还包括与所述电源管理单元进行热交换的第二换热器和用于与所述电动机进行热交换的第三换热器，所述第一换热器、第二换热器和所述第三换热器均用于与所述热端换热器进行热交换。

6.根据权利要求2所述的动力循环系统，其特征在于，还包括与所述低压压气机相连通的进气通路，所述进气通路用于与空气源相连通。

7.根据权利要求2所述的动力循环系统，其特征在于，所述燃料输送通路与所述燃料电池的阳极入口相连通，所述燃料电池的阳极出口与所述燃烧室相连通。

8.根据权利要求2所述的动力循环系统，其特征在于，所述高压压气机通过空气输送通路与所述燃料电池的旁路入口相连通，所述燃料电池的旁路出口与所述燃烧室相连通。

9.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求2-8任一项所述的动力循环系统。

技术总结本发明公开了一种动力循环系统的能量管理系统，所述动力循环系统为燃气轮机与燃料电池组合的动力循环系统，所述能量管理系统包括：燃料泵，燃料分配器，冷端换热器，冷却循环回路，热端换热器；控制系统，用于控制所述燃料泵、所述燃料分配器、所述冷却循环回路中的循环泵，其中，基于所述动力循环系统的需求功率、所述燃料泵转速和所述燃料分配器开度，得到燃料流量，基于所述燃料流量通过热量平衡计算得到热端换热器热量，基于所述热端换热器热量和所述循环泵的转速，以实现所述冷却循环回路的冷却作用。本发明能够同时满足飞行器的节能减排与重量控制需求，同时还解决了系统功率密度受散热能力限制的问题。技术研发人员：陶智,李海旺,李雅男,谢刚,林宇震,余明星受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8