CN109874359A - 高可靠性混合储能系统 - Google Patents

Abstract

组合燃料电池堆和电化学电池系统向一个或更多个牵引马达提供稳定和冗余电力。电化学电池组包括如下模块：该模块在连接至燃料电池堆的低电压并联配置与连接至牵引马达的高电压串联配置之间切换，由此从燃料电池得到低电压能量并且将该能量配置为马达的高电压电力。多个电化学电池组可以被切换成使得至少一个电化学电池组始终连接至牵引马达以用于实现电力的连续性。

Description

高可靠性混合储能系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年9月26日提交的美国临时申请序列号第62/399,746号的优先权，其公开内容在这样的公开内容与本公开内容不冲突的程度上通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于电动交通工具例如飞行器的储能系统，并且更特别地，涉及使用与蓄电池组合的燃料电池堆来向电动交通工具的电动马达提供适当电压的储能系统。

背景技术

二次蓄电池是包括可以被充电以在需要时提供电力的静电势或者释放电荷的一个或更多个电化学电池或静电电池(以下统称为“电池”)的装置。电化学电池通常包括至少一个正电极和至少一个负电极。这种电池的一个常见形式是封装在圆柱形金属管壳中或者柱状壳体中的二次电池。在这种二次电池中使用的化学组成的示例是锂钴氧化物、锂锰、磷酸锂铁、镍镉、镍锌和镍金属氢化物。在由需要用于便携式电子产品的低成本可充电能量的不断增长的消费市场驱动的情况下，这种电池被大量生产。

燃料电池是另一种电力来源。质子交换膜燃料电池(也被称为聚合电解质膜(PEM)燃料电池)是一种用于驱动(power)牵引马达以推动(propel)电动交通工具的燃料电池。PEM燃料电池将氢和氧形式的化学势能直接转化为电能，因此固有地比必须首先将化学势能转化为热能然后将热能转化为机械功的内燃机更高效。从燃料电池系统的直接排放是水和热。燃料电池没有移动部件，因此比传统发动机更可靠。

通常使用二次蓄电池和燃料电池来驱动牵引马达以推动包括电动自行车、摩托车、汽车、公共汽车、卡车、火车、飞机等的电动交通工具。这种牵引蓄电池和燃料电池系统通常是大的，包括数十至数百或更多个的单独的电池。为了获得期望的操作电压水平，电化学电池被串联地电连接以形成电池组(通称为蓄电池)。使用较大的电池或并联电池可以增加蓄电池的功率和能量水平。类似地，燃料电池被串联地电连接以形成通称为燃料电池堆的燃料电池。较大的燃料电池可以增加燃料电池堆的功率水平。仅通过提供更多燃料就可以增加能量。

牵引应用中的储能系统的关键指标是能量密度。能量密度是系统的总可用能量相对于其质量的量度，通常以瓦特时每千克(Wh/kg)来衡量。功率密度是系统的功率输送相对于电池的质量的量度，通常以瓦特每千克(W/kg)来衡量。蓄电池和燃料电池各自的能量密度和功率密度不同。在牵引应用中，能量密度由于其与系统的耐久性或行程范围直接成正比而是期望的。功率与加速度和起飞和/或发射性能直接成正比。两者对整个系统的性能均是必需的。

在与蓄电池相比的情况下，燃料电池通常具有高的能量密度和低的功率密度。例如，用于运输应用的示例性燃料电池系统在实际运输应用中可以从一次充氢中产生约450W/kg的功率并且输送约600Wh/kg的能量。相比之下，目前市售的能量电池能够达到实现约260W/kg的功率水平，仅，小于相当的燃料电池的功率水平的一半。其他市售的能量电池关注功率密度而不是能量密度。例如，市售的柱状钛酸锂(LTO)电池可以产生超过5000W/kg的单位质量功率，约是示例性燃料电池的11倍。LTO电池以能量密度为代价实现这一点，从单次充电中能够获得仅100Wh/kg的能量，是示例性燃料电池的能量密度的约六分之一。因此，LTO电池和示例性功率电池具有非常不同的功率和能量特性。

蓄电池(即，能量电池)与燃料电池之间的另一区别是其各自的再充电方法。由蓄电池消耗的能量由直接再充电来代替(replace)，这是一个相对耗时的过程，通常需要一个或更多个小时来完成。先前描述的LTO电池不同于大部分蓄电池之处在于，LTO电池能够在不到10分钟内完成再充电。然而，这种再充电速度需要大的蓄电池充电器并且从电网中汲取大量的短期电力。这种短期电力需求通常产生较高的价格，因为电力成本受到汲取速度的影响。在广泛的应用中，这可能引起电网的稳定性问题，电力提供商认为这是非常不期望的。将蓄电池添加至充电系统可以使负载稳定，但产生很大的成本，原因是这些蓄电池必须具有满足应用的恒定再充电需求所需的足够多的容量。大部分情况下，这是重要的。此外，这种电池随着其随时间的推移老化以及由于循坏劣化而损失容量将必须被替换。

相比之下，燃料电池通过氢气的添加来加燃料(refuel)。该过程可以在仅几分钟内从罐完成，并且不像再充电过程那样影响电网。这对于运输应用是有利的，在该运输应用中，操作者期望类似于常规的加气过程的时间的短的加燃料时间。加燃料站还可以从水和电经由电解来本地地生成氢气并且将生成的氢储存在大的罐中。这允许电网上的负载恒定，并且该存储因为罐可以以最小的附加成本来缩放尺寸而是经济的。此外，罐不像充电系统中的蓄电池那样经受快速的循环磨损。

蓄电池与燃料电池之间的又一区别是其各自根据需求输送电力的能力。如果充电充分，则蓄电池可以立即将电力输送至负载。相比之下，燃料电池需要一段准备时间，因此非常小的操作功率是立即可用的。这在大部分牵引应用尤其是用于运输的交通工具中是有问题的。操作者期望交通工具的启动立即开始，如同在点火之后就动力立即可用的包括汽车和飞行器的汽油驱动的交通工具的情况一样。

对于电动牵引系统，更高的电压是期望的，原因是更高的电压通常在电动马达系统中提供更大的效率。因为载流导体可以具有更小的规格，所以还有整体上较低的系统质量。电动及混合电动开发人员倾向于在300V至400V附近操作，商用交通工具例如卡车、公共汽车和混合动力飞机的开发人员倾向于在600V至800V下操作。与在2.3V至4V之间操作的锂离子电池相比，单个燃料电池通常输送0.5V至1V之间的电压。因此，需要约300个至800个燃料电池串联来驱动消费交通工具，并且需要约600个至1800个燃料电池串联来驱动商用交通工具。相比之下，需要约75个至173个锂离子电池来驱动同一消费交通工具，或者需要150个至347个锂离子电池来驱动同一商用交通工具。

必须被组装成堆叠的相对大量的燃料电池还影响整个系统的性能和成本。需要更大的成本来管理堆叠中的大量燃料电池。由于随着电势增加而需要隔离管理以便保持安全性，也使其变得复杂；由于在操作期间必须被安全去除的由系统的排放组分而引起的连续存在的水，进一步使其变得复杂。如此，大部分的燃料电池系统产生相对低的电压，对于典型的工业标准牵引系统而言过低。出于这些原因，在60V至120V范围内的燃料电池系统比高电压系统更加经济。

一种用于使低电压燃料电池系统适应高电压牵引应用的方法是使用DC-DC转换器以允许低电压燃料电池堆来驱动高电压负载。DC-DC转换器将给系统添加损耗、附加的质量和成本。除了电压转换以外，DC-DC转换器没有给系统添加任何益处。DC-DC转换器增加了寄生重量、空间和成本，并且对重量极为敏感的航空应用尤其具有影响。在一些情况下，转换器在一定程度上与马达和马达控制系统集成在一起。这种解决方案需要整个系统被设计并优化成以这种方式工作。

目前可用的转换器具有约每4kW的功率转换约1kg的质量功率比。这没有将冗余考虑在内。在系统内的单个故障点不被允许的高可靠性应用中，DC-DC转换器必须具有备用以防故障。因此，具有冗余的200kW转换器具有约100kg的质量，这尤其对于重量敏感的牵引应用是显著的。这种解决方案也需要用于转换器的大量的体积和冷却系统，从而将给系统添加更多的质量。

DC-DC转换器对减轻系统中的单个故障点没有任何贡献，原因是其本身不是能量源，仅是以寄生负载作为其操作代价的能量转换器。必须提供两个燃料电池系统或替代的能量源以在燃料电池系统故障的情况下提供冗余电力。因为燃料电池堆通常是系统中的最贵部件，所以获得两个燃料电池堆将对应用产生非常大的成本影响。还要增加总体积以容纳附加的硬件。

本发明的目的是提供经由新的拓扑结构将蓄电池系统的高功率和即时功率与经济、低电压燃料电池堆的能量和快速加燃料时间融合的解决方案。蓄电池系统在与负载需求匹配的高电压下操作，并且燃料电池堆在低电压下操作，这提高了安全性并且降低了质量和成本。

附图说明

在此并入至并且构成该说明书一部分的附图示出本公开内容的实施方式，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中，其中，类似的附图标记代表相同的部件：

图1示出了根据本公开内容的实施方式的电动交通工具；

图2示出了根据本公开内容的实施方式的储能系统；

图3示出了根据本公开内容的实施方式的储能系统的构造；

图4示出了根据本公开内容的实施方式的储能系统的另一构造；

图5示出了根据本公开内容的实施方式的储能系统的又一构造；以及

图6示出了根据本公开内容的实施方式的操作储能系统的方法。

具体实施方式

本说明书提供通过利用开关模式电池系统在重量敏感、高可靠性、高效率、高电压牵引应用中使用经济、低电压的燃料电池系统的新的系统和方法。该方法增加可靠性、添加冗余并且使添加重量、降低可靠性并且增加系统损耗的寄生部件例如DC-DC转换器最小化。

首先参照图1，飞行器10包括储能和电力输送系统100。在各种实施方式中，飞行器10包括由一个或更多个牵引马达使其移动的无人机。在其他实施方式中，飞行器10可以是由一个或更多个牵引马达驱动的客机或货运飞机或直升机。此外，飞行器10可以包括由异步马达或A/C马达全部或部分地使其移动的任何合适的交通工具。尽管本文结合飞行器来描述，但是该公开内容可以适于具有高可靠性要求以及尺寸、重量和功率/能量密度要求的其他交通工具。

在各种实施方式中，系统100的冗余特定地用于飞行器应用中。例如，在陆基交通工具(例如电动汽车)中的储能和电力输送系统故障的情况下，驱动交通工具的电动马达或马达将停止操作，并且该交通工具将缓慢地减速并且最终停止。然而，在电驱动飞行器中，储能和电力输送系统的故障可能是灾难性的，因为向飞行器提供电力的电动马达或马达的停止操作可能导致快速减速，并且可能地导致飞行器的非计划着陆和可能的坠落。因此，冗余对电驱动飞行器尤其重要。

储能和电力输送系统100可以包括能量源(例如，燃料电池堆104)、可重新配置的储能模块105、DC/AC逆变器107和AC马达102。能量源和可重新配置的储能模块给牵引马达102提供足够的电能和功率。在各种实施方式中，燃料电池堆104可以包括在约60V至约120V的范围内操作的相对低电压的燃料电池堆。然而，在其他示例性实施方式中，燃料电池堆104可以在任何合适的电压水平下操作。此外，能量源可以包括适于对可重新配置的储能模块105(下文更加详细地描述)进行充电的任何合适的电源。例如，能量源可以包括固体氧化物燃料电池，压缩天然燃料电池或气体发生器。例如，在示例性实施方式中，能量源可以包括对可重新配置的储能模块105进行充电的发生器。根据本发明的发生器是能够向可重新配置的储能模块105提供电能的任何装置。

牵引马达102可以包括例如被配置成提供机械动力以使交通工具例如图1的飞行器10移动的电动马达。在各种实施方式中，牵引马达102在相对高的电压例如约300V至约800V的电压下操作。例如，在相对高的电压范围下操作可以改善牵引马达102的操作效率，这又可以降低系统100的总质量和成本。然而，在其他示例性实施方式中，牵引马达102可以在任何合适的电压范围下操作。

DC/AC逆变器107(也被称为功率逆变器)可以包括将直流(DC)改变为交流(AC)以用于驱动牵引马达102的任何合适的电子装置或电路系统。本文中为了简洁，此处将DC/AC逆变器107描述为形成牵引马达102的一部分，尽管DC/AC逆变器可以是单独的部件，并且在任何情况下电连接地位于可重新配置的储能模块105与牵引马达102之间。

现在参照图2，可重新配置的储能模块105还可以包括例如第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b。在各种实施方式中，蓄电池电路106a和106b位于燃料电池堆104与牵引马达102之间并且与燃料电池堆104和牵引马达102进行电通信。在各种实施方式中，第一蓄电池电路106a包括多个蓄电池108a和蓄电池开关110a。蓄电池108a可以通过蓄电池开关110a彼此耦接使得蓄电池108a可以串联地、并联地或两者的组合进行配置。开关110a允许系统100在各种配置之间切换，所述各种配置包括耦接在一起的一个或更多个蓄电池电路(例如，106a和/或106b)、燃料电池堆104和牵引马达102的组合。

例如，第一蓄电池电路106a的蓄电池108a可以通过接合蓄电池开关110a来串联地彼此电耦接，使得每个蓄电池108a的正电极耦接至另一蓄电池108a的负电极。此外，蓄电池108a可以通过接合蓄电池开关110a来并联地彼此电耦接，使得每个蓄电池108a的每个正电极耦接至其他蓄电池108a中的一个或更多个的正电极。

在各种实施方式中，蓄电池108a包括与燃料电池堆104的电压范围相对可比的电压范围。例如，蓄电池108a中的每个可以在与燃料电池堆104的相同电压下或附近进行操作。因此，在示例性实施方式中，当并联地配置时，蓄电池电路106a适于由燃料电池堆104进行充电。

第二蓄电池电路106b可以(类似于第一蓄电池电路106a)包括经由蓄电池开关110b彼此耦接的多个蓄电池108b。在各种实施方式中，第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b包括相同数目的相应的蓄电池108a和蓄电池108b。在各种实施方式中，第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b包括不同数目的相应的蓄电池108a和蓄电池108b。尽管具体参照附图进行描述，但是包括比在各个附图中示出的更多或更少的任意数目的蓄电池108a和/电池108b在本公开内容的范围内。

第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b可以电耦接至燃料电池堆104和牵引马达102中的一者或两者。例如，系统100可以包括连接在燃料电池堆104与第一蓄电池电路106a之间以及连接在燃料电池堆104与第二蓄电池电路106b之间的一个或更多个燃料蓄电池开关110c。在各种实施方式中，燃料电池堆开关110c可以被配置成将第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b中的一者或两者电耦接至燃料电池堆104。

系统100还可以包括牵引马达开关110d。类似于燃料电池堆开关110c，牵引马达开关110d可以连接在牵引马达102与第一蓄电池电路106a之间以及连接在牵引马达102与第二蓄电池电路106b之间。在各种实施方式中，牵引马达开关110d可以被配置成将第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b中的一者或两者电耦接至牵引马达102。例如，第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b可以被配置成向牵引马达102提供预定和/或期望电压。在各种实施方式中，施加至牵引马达102的预定和/或期望电压可以包括能够由第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b中的一者或两者提供的电压输出。如本文中所述，可以通过将蓄电池108a和/或蓄电池108b从并联布置切换至串联布置来选择预定和/或期望电压。通过从第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b向牵引马达102提供预定或期望电压，系统100消除对电压转换器例如DC-DC电压转换器的需要。如前所述，消除DC-DC电压转换器是有利的，至少因为其降低了系统100的总成本和总重量、消除与DC-DC转换器相关联的寄生功率损耗并且消除系统100中的可能故障点(这消除了对冗余部件的需要)。

强调最后一点，系统被配置成排除DC/AC逆变器。换句话说，在示例性实施方式中，该系统在没有DC-DC电压转换的情况下将电力从在输出电压水平下的DC能量源输送至在不同于输出电压水平的输入电压水平下的AC马达。因此，在示例性实施方式中，该系统使用DC源和仅基于切换电池(108a和/或108b)的并联配置/串联配置的电压转换来驱动AC马达。

首先参照图3，系统100可以被配置成对第一蓄电池电路106a的蓄电池108a进行充电(被称为“模式A”)。为了简洁的目的，图3、图4和图5示出了系统100的各种配置而没有示出每个开关110a、110b、110c和110d。在图3、图4和图5中示出的系统100配置不是不变的，而是代表包括开关110a、110b、110c和110d的各个部件的一个配置。例如，第一蓄电池电路106a被配置成(经由开关110a)使得蓄电池108a彼此并联，并且第一蓄电池电路106a电耦接至燃料电池堆104。在各种实施方式中，并联地配置第一蓄电池电路106a并且将其耦接至燃料电池堆104对蓄电池108a进行充电。例如，蓄电池108a中的每个可以在与燃料电池堆104类似或等同的电压下进行充电，以用于提供燃料电池堆104的有效操作以及蓄电池108a的充电。

此外，第二蓄电池电路106b可以被配置成(经由开关110b)使得蓄电池108b彼此串联，并且第二蓄电池电路106b电耦接至牵引马达102。例如，串联地配置第二蓄电池电路106b并且将其耦接至牵引马达102可以释放来自第二蓄电池电路106b的电能以驱动牵引马达102。在各种实施方式中，蓄电池108b被定尺寸、选择和/或配置成使得：当串联地配置时，第二蓄电池电路106b向牵引马达102提供期望和/或预定电压。

换句话说，将并联配置的蓄电池电路(例如106a和/106b)耦接至燃料电池堆104对蓄电池电路进行充电，并且将串联配置的蓄电池电路耦接至牵引马达102向牵引马达提供电力。

首先参照图4，系统100可以被配置成对第二蓄电池电路106b进行充电(被称为“模式B”)。例如，第二蓄电池电路106b被配置成(经由开关110b)使得蓄电池108b彼此并联地电连接，并且第二蓄电池电路106b电耦接至燃料电池堆104。此外，第一蓄电池电路106a可以被配置成(经由开关110a)使得蓄电池108a彼此串联地电连接，并且第一蓄电池电路106a电耦接至牵引马达102。在系统100的这种配置中，第二蓄电池电路106b的蓄电池108b由燃料电池堆104进行充电，而牵引马达102由从第一蓄电池电路106a的串联配置的蓄电池108a的放电驱动。

在各种实施方式中，系统100可以在模式A与模式B之间来回转变以便向牵引马达102提供连续电力。例如，至少一个蓄电池电路(例如，第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b)始终连接至牵引马达102，以便为其提供连续电力。此外，燃料电池堆104在任何时候都不直接地电耦接至牵引马达102。因此，通过燃料电池堆104、第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b的某种组合，系统100将电力连续地输送至牵引马达102。

首先参照图5，示出了系统100的“燃料堆故障模式”。在各种实施方式中，在燃料电池堆104在操作期间经历故障或失灵的情况下，通过将第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b与燃料电池堆104分离或断开来电隔离燃料电池堆104。这种分离可以例如提高系统100的操作安全性。此外，第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b中的至少一者可以电耦接至牵引马达102(被称为模式“AB”)。模式AB提供多级冗余：存在可以在燃料电池堆104断电的情况下向牵引马达102提供电力的两个单独和/或独立的蓄电池电路(第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b)。如果蓄电池电路中的一者故障，则另一蓄电池电路继续向牵引马达102提供电力。蓄电池电路的尺寸将取决于应用(例如，牵引马达102的电压要求)，并且通常，蓄电池电路被定尺寸成提供足够的功率和能量以能够根据需要实现交通工具的安全设置。

在各种实施方式中，系统100可以被配置在“蓄电池电路故障模式”。回来参照图2，如果第一蓄电池电路106a经历故障或错误，则其可以与燃料电池堆104、牵引马达102和第二蓄电池电路106b电隔离。燃料电池堆开关110c和牵引马达开关110d可以被配置成将第一蓄电池电路106a与系统100的其他部件分离。此外，可以经由燃料电池堆开关110c、牵引马达开关110d和第二蓄电池电路开关110b将第二蓄电池电路106b配置成串联配置，并且电耦接至牵引马达102以向马达提供电力。此外，可以在第二蓄电池电路故障或错误的情况下使用同一蓄电池电路故障模式来将第二蓄电池电路106b与系统100的其他部件隔离。

系统100还可以在例如“起飞”模式下操作。起飞模式可以例如为牵引马达102提供增加的电力水平，以满足在飞行器的起飞期间对增加的推力和/或升力的需要。在各种实施方式中，使用系统100来向电动垂直和着陆(“eVTOL”)飞行器提供电力。然而，系统100可以由任何合适的飞行器使用。在起飞模式期间，第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b两者彼此并联地电耦接至牵引马达102。还可以将起飞模式配置用于其中需要增加的动力的其他情形，例如飞行器(例如，eVTOL飞行器)的着陆。此外，即使只有一个蓄电池电路耦接至牵引马达102，蓄电池电路的串联配置可以提供必需的电力以实现加速、起飞、发射或着陆。

在各种实施方式中，开关110a和/或开关110b可以是低速切换机械开关或固态开关。例如，系统100可以在多个配置(例如，模式A、模式B、模式AB、燃料电池故障模式、蓄电池电路故障模式、起飞模式或其他模式)之间相对不频繁地切换，例如在数十秒的量级，因此可以使用机械开关(例如，接触器和继电器)。这种在配置之间的低频率切换可以例如对包括机械装置的开关110a和/或开关110b引起相对小的应力量，并且此外，可以使切换系统中的定时临界度最小化。这种低频率的切换开关110a和/或开关110b可以允许第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b两者被耦接至牵引马达102持续一秒、两秒或更多秒以确保连续的电力输送。在各种实施方式中，开关110a和/或开关110b包括大部分时间处于开或关状态而不是在转换状态中的固态开关，在所述转换状态中热和应力可以导致固态开关110a和/或110b的故障。通过主要地保持开或关状态，固态开关110a和/或110b在其最有效的状态下操作，因此不需要太多冷却并且给系统100提供非常小的损耗。这可以提供优于用在大部分转换器系统(例如，传统DC-DC转换器)中的高速切换装置的益处。

此外，开关110a至开关110d可以包括例如单刀单掷开关。在这种实施方式中，开关将单个部件或电路与系统100内的另一部件或电路耦接或分离。在其他实施方式中，开关110a至开关110d中的一个或更多个可以包括能够在两种可能的选择之间选择特定的电耦接的单刀双掷开关。例如，可以使用单刀双掷类型的单个燃料电池堆开关110c来将第一蓄电池电路106a或第二蓄电池电路106b中的一者耦接至燃料电池堆104。包括具有多次拉动和多次抛掷的开关的任何开关配置在本公开内容的范围内。

在各种实施方式中，可以使用机械开关和固态开关110a、110b、110c和/或110d的组合。因为固态开关不提供真正的隔离并且可能在闭合状态中发生故障，所以可以将机械开关用在不期望闭合状态故障的接合点。例如，可以使用机械开关110c和/或110d来将第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b电耦接至燃料电池堆104和牵引马达102以及将第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b与燃料电池堆104和牵引马达102分离，其中固态开关11Oa和/或110b用于中间接合点。

此外，低速切换开关110可以例如改善系统100的蓄电池电路中的一个或更多个蓄电池电路的效率。大部分电池(例如，蓄电池108a和/或蓄电池108b)在从休眠状态转换之后不容易立即吸收能量。在初始地施加电流之后在电池有效地开始充电之前可能需要几秒钟。因此，对于系统100，在例如蓄电池电路之间使用相对低的切换时间例如数十秒可能是有益的。这完全不同于需要高速切换以保持电容器尺寸合理的开关模式电容器系统。电池可以甚至在相对高的充电速率下以高达99％的效率(在锂离子电池的情况下)储存大量能量。

在各种实施方式中，系统100提供优于常规或典型的能量输送系统的增加的效率。因为开关110可以在大部分时间以其最有效的状态操作，所以蓄电池108a和/或蓄电池108b在长的时间段内在连续方向上操作，充电或放电，并且燃料电池堆104可以屏蔽可能使其通过第一蓄电池电路106a和/或第二蓄电池电路106b在较低的效率状态下进行操作的大的负载变化。

本公开内容的实施方式还可以通过例如提供给牵引马达102提供电力的两个或更多个单独的蓄电池电路(例如，106a和106b)以及作为充电源的不同技术的燃料电池堆104来提供高冗余。通过使用不同技术，系统100不太可能经历将使整个系统100不能运转的单个故障。如果燃料电池堆104发生故障，则蓄电池电路106a和106b可以继续向牵引马达102提供电力，并且可以使其本身与燃料电池堆104完全地断开(如在上述的故障模式中)。如果一个蓄电池电路发生故障，则其可以与系统100的剩余部分隔离，所述剩余部分包括牵引马达102、燃料电池堆104和剩余的蓄电池电路(其可以继续向牵引马达102提供电力)。可以通过第三蓄电池电路来添加附加的冗余水平，以在一个蓄电池电路发生故障或者另外方式不能运转的情况下允许燃料电池堆104与两个蓄电池电路的继续操作。本公开内容还设想第四蓄电池电路、第五蓄电池电路等。在三个蓄电池电路的情况下，系统仍具有66％的操作容量，并且在四个蓄电池电路的情况下，系统在一个蓄电池电路发生故障时仍具有75％的操作容量。

在飞行器应用中，例如，系统100中的冗余尤其重要。如果牵引马达102在飞行器的飞行期间断电，则其可以导致飞行器快速地下降和/或坠落。在陆基交通工具应用中，系统100向牵引马达102提供电力的故障可以导致例如交通工具的减速。本文中提供的冗余为交通工具安全地着陆或停下提供额外的时间。

本公开内容的各种实施方式可以比常规或典型的系统更为经济，因为其可以使用单个低电压、高效的燃料电池堆104。尽管系统100包括不止一个蓄电池电路，但是多个蓄电池电路的使用提供了系统的冗余并且增加了整体效率(与使用DC-DC转换器相比)。

首先参照图6，示出了根据本发明的操作交通工具例如飞行器内的系统100的方法600。在各种实施方式中，方法600包括从第一蓄电池电路向牵引马达提供电力的步骤620。在飞行器飞行时，经由第一蓄电池电路106a向牵引马达102提供电力。第一蓄电池电路106a处于串联配置，使得蓄电池108a通过第一蓄电池开关110a以串联配置电耦接在一起。

方法600还可以包括例如对第二蓄电池电路进行充电的步骤630。在第一蓄电池电路106a放电并且向牵引马达102提供电力时，第二蓄电池电路106b电耦接至燃料电池堆104，并且进行充电。在充电期间，第二蓄电池电路106b的蓄电池108b以并联配置电耦接。方法600的步骤620和步骤630可以例如同时发生，使得第二蓄电池电路108b在第一蓄电池电路106a向牵引马达102提供电力时充电。

在各种实施方式中，方法600还包括将第一蓄电池电路重新配置成充电的步骤630。在从第一蓄电池电路106a充分放电之后，系统100可以被重新配置成允许第一蓄电池电路106a再充电。为了从放电转换至充电，第一蓄电池开关110a将第一蓄电池电路106a的第一蓄电池108a从串联配置切换至并联配置。在第一蓄蓄电池108a被重新配置为并联配置时，至少一个燃料电池堆开关110c切换，使得第一蓄电池电路106a电耦接至燃料电池堆104。在各种实施方式中，燃料电池堆开关110c可以包括单个开关(例如，单刀双掷开关)，或者可以使用不止一个燃料电池堆开关110c(例如，诸如单刀单掷开关)。

步骤630还可以包括经由一个或更多个牵引马达开关110d将第一蓄电池电路106a从电耦接至牵引马达切换至与牵引马达102电分离或断开。

方法600还可以包括例如将第二蓄电池电路重新配置成放电的步骤640。第二蓄电池开关110b将第二蓄电池电路106b的第二蓄蓄电池108b从并联配置切换至串联配置。在第二蓄电池被重新配置为串联配置时，第二蓄电池电路106b与燃料电池堆104电分离或断开。此外，第二蓄电池电路106b经由一个或更多个牵引马达开关110d从与牵引马达电分离或断开切换至电耦接至牵引马达102。

在各种实施方式中，在步骤640和步骤650之后，方法600包括从第二蓄电池电路106b向牵引马达102提供电力的步骤660，以及对第一蓄电池电路106a进行充电的步骤670。类似于步骤620和步骤630，步骤660和步骤670可以同时发生。在从第二蓄电池电路106b的第二蓄蓄电池108b释放足够的电能之后，可以重复方法600，从步骤610和步骤620开始。可以结合附加的蓄电池电路使用这些步骤，在这些步骤中一个或更多个蓄电池电路在一个或更多个蓄电池电路被放电时被充电。例如，第一电路可以在第二电路被放电并且第三充电电路浮置时被充电；以及然后系统可以通过电池的并联配置和串联配置的适当的切换被切换成使第一电路浮置第二电路充电以及第三电路放电等。

此外，蓄电池电路两者可以被配置成同时向牵引马达102提供电力。例如，第一蓄电池开关110a可以将第一蓄电池电路106a的蓄电池108a配置成串联配置并且第二蓄电池开关110b可以将第二蓄电池电路106b的蓄电池108b配置成串联配置。至少一个燃料电池堆开关110c可以将第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b两者与燃料电池堆104分离，并且一个或更多个牵引马达开关110d可以将第一蓄电池电路106a和第二蓄电池电路106b两者电耦接至牵引马达102。

尽管本文在许多情况下被描述为将电压从低电压充电配置改变至高电压放电配置，但是在各种实施方式中，使充电和放电发生在同一电压水平下，而蓄电池电路系统仍如本文中所述地操作，而没有重新配置各个蓄电池电路内的能量电池的并联配置/串联配置。与在其他设计中一样，该设计的益处保持冗余以及源与负载的分离。例如，通过两个电池组在从发生器充电与向负载放电之间来回切换将一个发生器与负载分离。如果发生器发生故障，则电池组均连接至负载。

该系统的益处包括在航空中使用电动马达的能力。在示例性实施方式中，本文中描述的系统有助于调峰和增强模式。特定地，在示例性实施方式中，与使用汽油发电机或汽油发动机相对，通过使用燃料电池来驱动飞行器可以实现噪声降低。特定地，尽管使用汽油发电机，在示例性实施方式中，在起飞阶段期间，起飞可以在蓄电池电力上发生而没有对蓄电池电路再充电。然后，当到达足够高度时，可以接合汽油发电机来对一个以上的蓄电池电路中的至少一个进行充电。这将使起飞更安静并且减少局部污染。

本文中已经关于具体实施方式描述了益处和其他优势。此外，在本文中包含的各个附图中示出的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理耦接。应注意的是，许多替代或附加的功能关系或物理连接可以存在于实际系统中。然而，益处、优势、对问题的解决方案以及可以使任何益处、优势、解决方案发生或变得更加明显的任何要素不被理解为本公开内容的关键、需要或必要的特征或要素。因此，本公开内容的范围由仅所附权利要求限制，在所附权利要求中除非明确地如此陈述，对单数形式的要素的提及不旨在意味着“一个和仅一个”，而是“一个或更多个”。此外，在类似于“A、B或C中的至少一者”的短语用在权利要求中的情况下，该短语旨在被理解成意味着：在实施方式中可以存在仅A，在实施方式中可以存在仅B，在实施方式中可以存在仅C，或者在单个实施方式中可以存在要素A、B和C中的任一组合例如，A和B、A和C、B和C或者A和B和C。

在本文中提供了系统、方法和设备。在本文的具体实施方式中，对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例性实施方式”等的提及指示所述的实施方式可以包括特定的特征、结构或特点，但每个实施方式可以不一定均包括所述特定的特征、结构或特点。此外，这种短语不一定是指同一实施方式。此外，当结合实施方式来描述特定的特征、结构或特点时，认为的是，无论是否明确地描述，结合其他实施方式影响这种特征、结构或特点在本领域的一个技术人员的知识范围内。在阅读说明书之后，将明显的是，一个或更多个相关领域的一个技术人员如何在替代实施方式中实现本公开内容。

此外，无论元件、部件或方法步骤是否在权利要求书中明确地陈述，本公开内容中的元件、部件或方法步骤不旨在专用于公众。除非使用短语“意味着用于”来明确地陈述该要素，否则本文中的权利要求要素不应根据35U.S.C.112(f)的规定来理解。如本文中使用的，术语“包括”、“包括有”或其任何其他的变型旨在覆盖非排他性的包括，使得包括要素列表的过程、方法、制品或设备不仅包括这些要素而且可以包括没有明确列出或者这种过程、方法、制品或设备固有的其他要素。

Claims (15)

1.一种用于向牵引马达提供电能的系统，包括：

第一蓄电池电路，其具有经由多个第一蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池开关能够接合成将所述第一蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；

第二蓄电池电路，其具有经由多个第二蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中所述第二蓄电池开关能够接合成将所述第二蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；

燃料电池堆，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的一个，同时隔离所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路中的另一个；以及

牵引马达，其切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路以将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路、耦接至所述第二蓄电池电路或者同时耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于并联配置，其中所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路并且与所述第二蓄电池电路隔离，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且其中所述牵引马达耦接至所述第二蓄电池电路并且与所述第一蓄电池电路隔离。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路并且与所述第二蓄电池电路隔离，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于并联配置，并且其中所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路并且与所述第一蓄电池电路隔离。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且，所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路在不同的时间均以第一电压充电，并且均以高于所述第一电压的第二电压放电。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池堆经由单刀双掷开关切换地耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路，所述单刀双掷开关被配置成在将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路与将所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路之间切换。

7.一种用于向牵引马达提供电能的无DC-DC转换器的系统，包括：

第一蓄电池电路，其具有经由多个第一蓄电池固态开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池固态开关能够接合成将所述第一蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；

第二蓄电池电路，其具有经由多个第二蓄电池固态开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中所述第二蓄电池固态开关能够接合成将所述第二蓄电池电路配置成串联配置及并联配置；

燃料电池堆，其耦接至至少一个燃料电池堆机械开关，其中所述燃料电池堆机械开关能够接合成将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路、耦接至所述第二蓄电池电路或者同时耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者；以及

牵引马达，其耦接至至少一个牵引马达机械开关，其中所述牵引马达机械开关能够接合成将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路、耦接至所述第二蓄电池电路或者同时耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于并联配置，其中所述燃料电池机械开关将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且其中所述牵引马达机械开关将所述牵引马达耦接至所述第二蓄电池电路。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述牵引马达机械开关将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于并联配置，并且其中所述燃料电池堆机械开关将所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一蓄电池电路的所述至少两个第一蓄电池处于串联配置，其中所述第二蓄电池电路的所述至少两个第二蓄电池处于串联配置，并且所述牵引马达机械开关将所述牵引马达耦接至所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路在不同的时间均以第一电压充电，并且均以高于所述第一电压的第二电压放电。

12.一种向牵引马达提供电能的方法，包括：

经由第一蓄电池电路向所述牵引马达提供电力，所述第一蓄电池电路具有经由多个第一蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第一蓄电池，其中所述第一蓄电池开关将所述第一蓄电池电路配置成串联配置；

经由燃料电池堆对第二蓄电池电路进行充电，所述第二蓄电池电路具有经由多个第二蓄电池开关电耦接在一起的至少两个第二蓄电池，其中，所述第二蓄电池开关将所述第二蓄电池电路配置成并联配置；

经由所述第一蓄电池开关将所述第一蓄电池电路切换至并联配置；

经由所述第二蓄电池开关将所述第二蓄电池电路切换至串联配置；

经由两个牵引马达开关将所述第一蓄电池电路与所述牵引马达分离；

经由至少一个燃料电池堆开关将所述第二蓄电池电路与所述燃料电池堆分离；

经由所述两个牵引马达开关将所述第一蓄电池电路耦接至所述燃料电池堆；以及

经由所述两个牵引马达开关将所述第二蓄电池电路耦接至所述牵引马达。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述牵引马达提供机械能以移动飞行器。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：经由所述第一蓄电池开关将所述第一蓄电池电路切换至串联配置，并且经由所述两个牵引马达开关将所述第一蓄电池电路和所述第二蓄电池电路两者耦接至所述牵引马达。

15.根据权利要求12所述的方法，其中至少一个燃料电池堆开关包括单刀双掷开关，所述单刀双掷开关被配置成在将所述燃料电池堆耦接至所述第一蓄电池电路与将所述燃料电池堆耦接至所述第二蓄电池电路之间切换。