将电池组连接至外部总线的方法和多功能电池开关技术

本公开涉及将电池组连接至外部总线的方法和多功能电池开关。公开了一种多功能电池开关和经由多功能电池开关将电池组连接至外部总线的方法。多功能电池开关具有多功能控制器、多个开关、电感器、以及电阻器。经由来自多功能控制器的开关命令对多个开关中的每个开关进行独立控制。电感器、电阻器、以及多个开关被布置成限定降压‑升压转换器，以根据来自多功能控制器的开关命令对电池组与外部总线之间的电力传输进行选择性地调节。

【技术实现步骤摘要】
将电池组连接至外部总线的方法和多功能电池开关
本公开涉及诸如适合于飞行器使用的电池电力系统和方法。
技术介绍
高海拔、耐用长、太阳能动力飞行器的构思已经被许多航空器研究项目所证明。太阳能电力系统通常依赖于通过诸如最大功率点(MPP)跟踪器的控制线路与电池网(或类似电池系统)对接的太阳能板阵列。MPP跟踪器提供在操作中调整被供应至太阳能板阵列的负载阻抗的电路组件来实现太阳能阵列的最大功率输出。然后，将太阳能阵列的功率总输出存储至电池网的电池组/组件。然而，最大功率点(MPP)跟踪器及其他电池电力系统导致整体系统产生额外的重量与复杂性。存在对能够克服现有技术的不足的太阳能和电池电力系统及方法的需求。诸如耐用长的太阳能动力飞行器等超轻飞行器应用可以采用这种轻便、有效的电池组和电池组组件。
技术实现思路
本公开涉及诸如适合于飞行器使用的电池电力系统和方法。根据第一方面，提供一种利用多功能电池开关将电池组选择性地连接至外部总线的方法，多功能电池开关包括与多个开关操作地耦接的多功能控制器，多个开关与电阻器和电感器被布置成限定降压-升压转换器，方法包括：测量通过电阻器的电流，以获得电流测量；测量跨电池组的电压，以获得电池电压测量；测量跨外部总线的电压，以获得总线电压测量；计算电池电压测量与总线电压测量之间的差分电压测量；根据电流测量、电池电压测量、总线电压测量、以及差分电压测量，经由多功能控制器生成一个或多个开关命令；并且经由开关命令对多个开关中的每个开关进行独立控制，以调节电池组与外部总线之间的电力传输。在特定方面，一个或多个开关命令被布置成控制多个开关以促进仅充电操作和仅放电操作。在特定方面，方法进一步包括下列步骤：使用至少一种脉冲宽度调制(PWM)控制技术对一个或多个开关命令进行调制，以实现对电力传输的升压或降压电压调整。在特定方面，方法进一步包括下列步骤：控制多个开关中的至少一个开关操作为理想二极管，以(1)防止在仅放电操作期间电流流入电池组；并且(2)防止在仅充电操作期间电流从电池组流出。在特定方面，电池组是具有多个能切换电池模块的能重新配置的电池组，多个能切换电池模块被串联地电性布置成限定限定输出电压的电池串，多个能切换电池模块中的每个能切换电池模块包括电池单元和电池开关，其中，电池开关被配置为：(1)当电池开关处于第一位置时，将电池单元电连接至电池串，以增加输出电压；并且(2)当电池开关处于第二位置时，使电池单元从电池串电性旁路。在特定方面，方法进一步包括下列步骤：经由多功能控制器生成开关命令，以经由多个开关实现对能重新配置的电池组的输出电压的精细调整；并且对电池开关进行控制，以经由多个能切换电池模块实现对可重新电池组的输出电压的粗略调整。根据第二方面，多功能电池开关用于将电池组选择性地连接至外部总线，多功能电池开关包括：多功能控制器；多个开关，其中，经由来自多功能控制器的开关命令对多个开关中的每个开关进行独立控制；电感器；以及电阻器，其中，电感器、电阻器、以及多个开关被布置成限定降压-升压转换器，以根据来自多功能控制器的开关命令对电池组与外部总线之间的电力传输进行选择性地调节。在特定方面，多功能控制器被配置为控制多个开关，以促进仅充电操作和仅放电操作。在特定方面，多功能控制器被配置为使用一种或多种脉冲宽度调制(PWM)控制技术对多个开关中的至少一个开关进行控制，以实现对电力传输的升压或降压电压调整。在特定方面，多功能控制器被配置为控制多个开关中的至少一个开关操作为理想二极管。在特定方面，多功能控制器被配置为控制多个开关中的至少一个开关操作为理想二极管，以防止在仅放电操作期间电流流入电池组。在特定方面，多功能控制器被配置为控制多个开关中的至少一个开关操作为理想二极管，以防止在仅充电操作期间电流从电池组流出。在特定方面，多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关、以及第四开关。在特定方面，第一开关被配置为在电感器的第一电感器端子与电池组的第一电池端子之间传递电流并且第二开关被配置为在电感器的第一电感器端子与电池组的第二电池端子之间传递电流。在特定方面，第三开关被配置为在电感器的第二电感器端子与外部总线的第一总线端子之间传递电流并且第四开关被配置为在电感器的第二电感器端子与外部总线的第二总线端子之间传递电流。在特定方面，多功能电池开关进一步包括放大器，以输出(1)通过电阻器的电流测量或(2)跨电阻器的电压测量。在特定方面，多功能电池开关进一步包括放大器，以输出(1)跨电池组的电池电压与(2)跨外部总线的总线电压之间的差分电压测量。在特定方面，多功能控制器被配置为根据电流测量、电压测量、或差分电压测量生成开关命令。在特定方面，电池组是具有多个能切换电池模块的能重新配置的电池组，多个能切换电池模块被串联地电性布置成限定具有能变化的输出电压的电池串。在特定方面，多功能控制器对降压-升压转换器的多个开关进行控制，以实现对能重新配置的电池组的能变化的输出电压的精细调整。附图说明如所附图中示出的，从其具体实施方式的下列描述中，此处描述的设备、系统、以及方法的上述及其他目标、特征、以及优点将显而易见；其中，类似参考标号指类似结构。图不一定必须按比例绘制，而是重点放在示出此处描述的设备、系统、以及方法的原理。图1a示出了根据第一方面的示例性太阳能动力飞行器。图1b示出了根据第二方面的示例性太阳能动力飞行器。图2示出了具有电池阵列的示例性太阳能电力系统。图3示出了太阳能动力飞行器的示例性简化单电力通道。图4示出了最大功率点的一组图表。图5示出了太阳能动力飞行器的示例性电力系统。图6示出了阵列合并和切换单元(ACSU)的示例性功率图。图7a示出了电池管理系统的框图。图7b示出了电池管理系统的示例性电池组的框图。图7c示出了电池组的示例性电池串的示图。图8示出了根据第一方面的多功能电池开关。图9a至图9c示出了电压降压放电布置的多功能电池开关。图10a至图10c示出了电压升压放电布置的多功能电池开关。图11a至图11c示出了电压降压充电布置的多功能电池开关。图12a至图12c示出了电压升压充电布置的多功能电池开关。图13示出了将电池组选择性地连接至外部总线的示例性方法。图14a和图14b示出了根据第二和第三方面的多功能电池开关。具体实施方式以单数形式引用各项应被理解为包括复数形式的各项，并且反之亦然，除非另有明确规定或从文本中清晰可见。语法连接词旨在表示所连接的短句、句子、词语等的任意及所有分离性和连接性的组合，除非另有规定或从上下文清晰可见。此处值的范围的陈述并不旨在进行限制，而是单独指落在范围内的任意及所有值，除非此处有明确指示，并且将该范围内的每个单独的值整合到本说明书中，如同此处单独进行陈述。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用多功能电池开关将电池组(212，212a，820)选择性地连接至外部总线(818)的方法，所述多功能电池开关(800)包括与多个开关(804)操作性地耦接的多功能控制器(802)，所述多个开关(804)与电阻器(812)和电感器(810)被布置成限定降压-升压转换器(824)，所述方法包括：/n测量通过所述电阻器(812)的电流，以获得电流测量；/n测量跨所述电池组(212，212a，820)的电压，以获得电池电压测量；/n测量跨所述外部总线(818)的电压，以获得总线电压测量；/n计算所述电池电压测量与所述总线电压测量之间的差分电压测量；/n根据所述电流测量、所述电池电压测量、所述总线电压测量、以及所述差分电压测量，经由所述多功能控制器(802)生成一个或多个开关(804)命令(808)；并且/n经由所述开关(804)命令(808)对所述多个开关(804)中的每个开关进行独立控制，以调节所述电池组(212，212a，820)与所述外部总线(818)之间的电力传输。/n

【技术特征摘要】
20190222 US 16/283,0921.一种利用多功能电池开关将电池组(212，212a，820)选择性地连接至外部总线(818)的方法，所述多功能电池开关(800)包括与多个开关(804)操作性地耦接的多功能控制器(802)，所述多个开关(804)与电阻器(812)和电感器(810)被布置成限定降压-升压转换器(824)，所述方法包括：
测量通过所述电阻器(812)的电流，以获得电流测量；
测量跨所述电池组(212，212a，820)的电压，以获得电池电压测量；
测量跨所述外部总线(818)的电压，以获得总线电压测量；
计算所述电池电压测量与所述总线电压测量之间的差分电压测量；
根据所述电流测量、所述电池电压测量、所述总线电压测量、以及所述差分电压测量，经由所述多功能控制器(802)生成一个或多个开关(804)命令(808)；并且
经由所述开关(804)命令(808)对所述多个开关(804)中的每个开关进行独立控制，以调节所述电池组(212，212a，820)与所述外部总线(818)之间的电力传输。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个开关命令(808)被配置为控制所述多个开关(804)以促进仅充电操作和仅放电操作。


3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括下列步骤：使用至少一种脉冲宽度调制(PWM)控制技术对所述一个或多个开关命令(808)进行调制，以实现对所述电力传输的升压或降压电压调整。


4.根据权利要求2或3所述的方法，进一步包括下列步骤：控制所述多个开关(804)中的至少一个开关(804)操作为理想二极管，以(1)防止在仅放电操作期间电流流入所述电池组(212，212a，820)；并且(2)防止在仅充电操作期间电流从所述电池组(212，212a，820)流出。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电池组(212，212a，820)是具有多个能切换电池模块(770)的能重新配置的电池组(212，212a，820)，所述多个能切换电池模块(770)被串联地电性布置成限定限定输出电压的电池串(766)，所述多个能切换电池模块(770)中的每个能切换电池模块包括电池单元(772)和电池开关，
其中，所述电池开关(804)被配置为：(1)当所述电池开关(804)处于第一位置时，将所述电池单元(772)电连接至所述电池串(766)，以增加所述输出电压；并且(2)当所述电池开关(804)处于第二位置时，使所述电池单元(772)从所述电池串(766)电性旁路。


6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括下列步骤：
经由所述多功能控制器(802)生成开关(804)命令(808)，以经由所述多个开关(804)实现对所述能重新配置的电池组(212，212a，820)的所述输出电压的精细调整；并且
对所述电池开关(804)进行控制，以经由所述多个能切换电池模块实现对所述能重新配置的电池组(212，212a，820)的所述输出电压的粗略调整。


7.一种多功能电池开关(800)，所述多功能电池开关(800)用于将电池组(212，212a，820)选择性地连接至外部总线(818)，所述多功能电池开关(800)包括：
多功能控制器(802)；
多个开关(804)，其中，所述多个开关(804)中的每个开关是经由来自所述多功能控制器(802)的开关(804)命令(808)独立控制的；
电感器(810)；以及
电阻器(812)，其中，所述电感器(810)、所述电阻器(812)、以及所述多个开关(804)被布置成限定降压-升压转换器(824)，以根据来自所述多功能控制器(802)的所述开关(804)命令(808)对所述电池组(212，212a，820)与所述外部总线(818)之...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉尔伯特·刘易斯·小克鲁斯，
申请(专利权)人：欧若拉飞行科学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US