用于连接到共享电源的分布式电负载的方法和系统技术方案

本申请涉及用于连接到共享电源的分布式电负载的方法和系统。用于针对使用多个电机利用分布式推进的电动垂直起飞和着陆飞机(eVTOL)设计处理电系统和电源故障的方法最小化了执行紧急着陆程序所需的电源能量。“环形拓扑结构”概念中的电负载和电源的互连考虑了电负载和电源的组合，以减少对电源的丢失的影响，以及如果任何负载变得不可用则更好地利用剩余电源的剩余能量。

Method and system of distributed electric load for connecting to shared power

【技术实现步骤摘要】
用于连接到共享电源的分布式电负载的方法和系统相关申请的交叉引用本申请要求2018年9月11日提交的美国临时申请No.62/729,790的优先权，该临时申请通过引用结合在此。关于联邦政府资助的研究或开发的声明无。
本文的技术涉及用于电动垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞行器的连接布置，该飞行器将电池视为唯一的推进动力源并且电动机作为连接到这些能源的负载。本技术还涉及一种方法和系统，其考虑负载和电能源的组合，以便减少对能量源丢失的影响，以及如果任何负载变得不可用，更好地利用能量源的剩余能量。
技术介绍
垂直飞行的概念已知数百年。莱昂纳多达芬奇在他的一本笔记本中画了一架垂直起飞和着陆(VTOL)飞机。无处不在的直升机(一种VTOL)用于许多应用，包括人员运输、货物运输、观测、交通安全、救援任务、医院空运和许多其他没有足够的水平空间用于跑道的情况。最近，人们对电动和/或混合动力垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞机产生了极大的兴趣。这种电动飞机使用电动机和电池代替内燃机，因此由于降低的燃料和维护成本而具有噪音污染和排放、机械效率和运行费用较低的优点。典型的e-VTOL使用机载电池和电动机用于推进。许多e-VTOL设计与传统直升机不同，因为可能使用多个电动机的配置而不是由内燃机驱动的单个旋翼进行分布式推进，从而创造了更好的安全方法。这与航空航天界通常采用的方法一致，即为关键系统提供冗余以提供足够的安全性和容错性。这种冗余通常仍然必须考虑到项目必须高效且不会过大。尽管具有分布式推进，但是当一个或多个旋翼/电机发生故障时，许多e-VTOL多直升机配置不能保持稳定和可控。这对于用于携带重要有效载荷和/或人员的多直升机构成了安全、操作和认证挑战。作为推进系统中的故障组合的一部分，在电池故障情况期间，e-VTOL应该保持稳定性、可控性以及使用剩余能量以确保安全着陆的能力。需要解决以下技术问题：1.一个电池丢失，导致一个或多个电动机丢失；2.发生(1)时电池系统的载重量(超重量)(dead(over)weight)；以及3.在(1)发生时提供足够的剩余能量以执行紧急着陆。根据现有技术，这种技术问题的一个显而易见的解决方案是使用两个(冗余)电池集或电池组来提供所需能量的两倍。在一种配置中，第一电池组用作第二电池组的备用(活动和待机)。在另一种配置中，电池集或电池组同时馈送两个不同的推进通道(图1)。在这两种情况下，提供所需能量的两倍会导致重量的巨大不利。考虑到最小重量解决方案，即精确地使用所需的电池能量，另一种可能的解决方案是在如前所述操作的两个电池集之间划分总能量。当一个电池发生故障时，系统重新配置为需要剩余电池的正常放电率的两倍和正常可用能量的一半。这导致在执行能量着陆的剩余时间内受到很大的惩罚。使电气系统和电源故障导致的一个电动机丢失最小化的另一种方法是为每个电动机提供专用电池(参见现有技术图2)。这种方法最大化了电池和电机的分配；每个电池/电机对独立于其他所有电池/电机对运行，因此一个电池/电机对的故障不会影响其他电池/电机对的操作。仍存在重量或能量优化的问题。如果一个电池发生故障，剩余的电池必须能够满足剩余电机的额外电力需求，以补偿故障通道(电池/电机对)的缺失。因此，每个电池需要提供足够的额外能量(导致额外的重量)，或者剩余能量可能对于紧急着陆程序是低的。进行简单比较，用于e-VTOL的电池相当于传统直升机中的燃料系统，即使电池可以更好地应对分布式推进。然而，燃料系统具有悠久的历史，并且与用于该应用的电池相比具有非常成熟的技术，并且通常在更节省燃料的内燃机的情况下提供更高的能量密度。附图说明结合附图阅读以下对示例非限制性说明性实施例的详细描述，附图中：图1示出了现有技术的双电池配置；图2示出了为每个电动机提供电池的现有技术布置；图3示出了根据本技术的环形拓扑结构；图4示出了与电动机的数量对应的电池集；图5示出了示例非限制性操作逻辑流程图；图6示出了隔离通道中的电池集；图7示出了集成通道中的电池集；图8示出了一个电池通道发生故障的情况；图9示出了具有丢失推进通道的情况；图10示出了示例母线短路；图11示出了现有技术的过大尺寸组件；图12示出了示例非限制性小尺寸组件，包括具有单充电/放电连接的电池；图13示出了包括具有充电输入和放电输出连接的电池的配置中的示例非限制性小尺寸组件；图14示出了具有用于悬停和巡航的八个螺旋桨的示例非限制性E-VTOL；图15示出了为图14示例E-VTOL的八个电机提供八个电池集的示例非限制性架构；图16示出了具有用于悬停的八个螺旋桨和用于巡航的一个螺旋桨E-VTOL；图17示出了包括用于图16的E-VTOL的九个电机的八个电池集或电池组的示例非限制性架构；图18示出了具有用于悬停和巡航的四个螺旋桨的示例非限制性E-VTOL；以及图19示出了包括用于图18的E-VTOL的八个电动机的八个电池集的示例非限制性架构。具体实施方式本技术的一个非限制性实施例解决了针对采用多个电动机进行分布式推进的e-VTOL设计来处理电子系统和电源故障的方法。该技术涉及最小化执行紧急着陆程序所需的电源能量。本技术的一个方面提供了在“环形拓扑结构”中互连电负载和电源的方法和系统，其考虑电负载和电源的组合以减少对电源丢失的影响，以及如果任何负载变得不可用时更好地利用剩余电源的剩余能量。示例非限制性技术不仅在电池故障的情况下提供冗余路径，而且还提供在电池和/或电动机故障之后提供高自主性的连接布置。示例非限制性技术还考虑了特定布置，其中在充电状况期间流向电池的电流根据最大单个电池集容量而受到限制。为了本文的示例技术的目的，“电池”的示例非限制性实施例包括多个(例如，在一些情况下，大量)单个电池单元的关联、组合或组，以提供所需的e-VTOL的能源，具有传统的电池管理系统(BMS)、冷却系统和密封设计。最初，标称组合是在每个电总线中连接的至少一个电负载和至少一个电源，具有可能的不同组合。图3中所示的环形拓扑结构以链式配置连接每个电气总线(N个总线)，允许相邻电池彼此互连或者可选地彼此隔离，如由确定分离所提出的网络的一个组件、将它们互连或隔离环的确切时刻的控制逻辑(例如，处理器、ASIC)所定义的。具体地，图3的环形拓扑结构示出了母线B1、B2、B3，......BN-2、BN。开关设置在每个母线之间，以选择性地将每个母线连接到相邻的母线或者将每个母线与相邻的母线断开。开关选择性地将每个负载L1、L2、LN连接到相关母线B1、......、BN或从相关母线B1、...、BN断开。附加开关选择性地将每个电源P1、P2、.....PN连接到相关母线B1、......BN或从相关母线B1、......BN断开。该拓扑结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动飞行器，包括：/n连接到旋翼的多个电机；以及/n用于向所述电机供应电力的多个电池，/n一种改进，其包括将所述多个电池连接成环形拓扑结构以提供能够自适应地互连以补偿组件故障的电池网络。/n

【技术特征摘要】
20180911 US 62/729,7901.一种电动飞行器，包括：
连接到旋翼的多个电机；以及
用于向所述电机供应电力的多个电池，
一种改进，其包括将所述多个电池连接成环形拓扑结构以提供能够自适应地互连以补偿组件故障的电池网络。


2.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述环形拓扑结构被配置成选择性地将多个电池连接到至少一个电机。


3.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述环形拓扑结构被配置成选择性地将多个电机连接到至少一个电池。


4.根据权利要求1所述的飞行器，还包括控制逻辑，所述控制逻辑控制相邻母线之间的选择性连接。


5.根据权利要求4所述的飞行器，其中，所述控制逻辑还控制母线和电池之间的选择性连接。


6.根据权利要求4所述的飞行器，其中，所述控制逻辑还控制母线和电机和/或电机控制器之间的选择性连接。


7.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述环形拓扑结构将所述飞行器的一侧上的电机/旋翼连接到所述飞行器的该相同侧上的其它电机/旋翼。


8.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述环形拓扑结构被配置成选择性地将所述多个电池并联连接在一起和/或选择性地将所述多个电机并联连接在一起。


9.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述环形拓扑结构被配置成选择性地将多个母线并联连接在一起，所述母线将电机连接到电池。


10.一种操作电动垂直起飞和着陆飞行器的方法，包括在检测到故障的情况下通过以下进行适应：
将旋翼电机和/或...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利奥·塞萨尔·格雷夫斯，里卡多·塔凯史·德米祖，
申请(专利权)人：埃姆普里萨有限公司，
类型：发明
国别省市：巴西;BR