CN110678393A - 电动交通工具混合电池系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括混合电池系统的电驱动的交通工具。该交通工具包括电动机和耦合到电动机的混合电池系统。混合电池系统包括：第一能量密度和第一功率密度的第一电池、以及与第一电池并联的第二电池。第二电池具有低于第一能量密度的第二能量密度和大于第一功率密度的第二功率密度。交通工具被配置成在第一模式中从第一电池不成比例地汲取功率，并且在第二模式中从第二电池不成比例地汲取功率。

Description

电动交通工具混合电池系统

背景技术

在垂直起飞和着陆（VTOL）飞行器中，在飞行开始和结束会应用大量功率，以使得飞行器能够在短距离中起飞和着陆。在电动VTOL飞行器中，电池或电池系统必须针对整个飞行来维持飞行器、以及在起飞和着陆期间提供功率激增。高能量密度电池可以用来提供节省成本且节省重量的解决方案以对飞行器进行供电。高能量密度电池可能不能够在不使电池遭受损坏的情况下提供垂直起飞或着陆所需的功率。接近飞行的结束，典型的高能量密度电池可针对垂直着陆输出过低的电压。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1是图示了混合电池系统的实施例的图。

图2是图示了利用混合电池系统的飞行器的实施例的图。

图3是图示了在飞行期间的飞行器电流需求的实施例的图。

图4是图示了混合电池过程的实施例的流程图。

图5是图示了具有开关的混合电池系统的实施例的图。

图6是图示了用于切换混合电池系统中的电池的过程的实施例的流程图。

图7A是图示了圆柱形电池的实施例的图。

图7B是图示了以展开形式的圆柱形电池的实施例的图。

图7C是图示了袋式电池的实施例的图。

图8是图示了圆柱形电池和袋式电池电压曲线的实施例的图。

图9是图示了在变化的单元计数下的圆柱形电池和袋式电池电压曲线的实施例的图。

图10是图示了具有导线电阻的混合电池系统的实施例的图。

图11是图示了具有电池组电阻的混合电池系统的实施例的图。

图12是图示了在混合电池系统中的电池之间转移负载的过程的实施例的流程图。

具体实施方式

本发明可以以许多方式来实现，包括作为过程；装置；系统；物质组成；包含在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，可以将这些实现方式或本发明可以采取的任何其它形式称为技术。一般地，可以在本发明的范围内改变所公开过程的步骤的次序。除非另有声明，否则可以将被描述为被配置成执行任务的诸如处理器或存储器之类的部件实现为暂时地被配置成在给定时间执行任务的通用部件或被制造成执行所述任务的专用部件。如本文中所使用的，术语“处理器”指的是被配置成处理数据（诸如计算机程序指令）的一个或多个设备、电路和/或处理核心。

下面连同图示本发明的原理的附图一起提供对本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合这样的实施例对本发明进行描述，但是本发明并不被限制到任何实施例。本发明的范围仅受权利要求限制，并且本发明涵盖众多替换方案、修改和等同物。在以下描述中阐述了众多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。这些细节被提供用于示例的目的，并且可以根据权利要求在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。为了清楚的目的，在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料并未被详细地描述，以免不必要地使本发明含糊难懂。

公开了一种包括混合电池系统的电驱动的交通工具。该交通工具包括电动机和耦合到电动机的混合电池系统。混合电池系统包括：第一能量密度和第一功率密度的第一电池、以及与第一电池并联的第二电池。第二电池具有低于第一能量密度的第二能量密度和大于第一功率密度的第二功率密度。交通工具被配置成在第一模式中从第一电池不成比例地汲取功率，并且被配置成在第二模式中从第二电池不成比例地汲取功率。

在混合电池系统中，两种不同类型的电池用于组合地或分开地对电动飞行器进行供电。在稳定状态飞行期间，可以使用高能量密度电池。高能量密度电池可以高效地提供维持飞行器巡航所需的少量功率。接近飞行的结束，高能量密度电池可能会耗尽，并且输出太低的电压，而不能维持垂直或功率加强的着陆。在着陆或接近着陆时，飞行器的主要功率源改变到第二类型的电池。第二类型的电池可以包括具有高放电率的功率密集电池，其中该电池能够维持大电流。

常见的节省成本的高能量密度电池可具有低放电率。它们能够在长时间段内维持低电流，但不能在不遭受损坏的情况下维持高电流。为了本申请的目的，能量密集型电池、高能量密度电池和低放电率电池可互换地使用，以指的是高能量密度、低功率密度电池。常见的节省成本的功率密集型电池可具有低能量密度。功率密集型电池和高放电率电池指的是低能量密度、高功率密度电池（例如，相对于能量密集型电池）。在一些实施例中，在混合电池系统中使用的能量密集型电池或功率密集型电池是可再充电的。

图1是图示了混合电池系统的实施例的图。在一些实施例中，混合电池系统包括：能量密集型电池，其被居中地放置在飞行器中；以及一个或多个功率密集型电池，其被放置在飞行器的电动机附近。在所示出的示例中，中央电池116、外侧（outboard）电池104和外侧电池112被接线在一起。电池可以为电动机102和110供电，电动机102和110分别接线到螺旋桨100和108。外侧电池104与电动机102一起被定位在吊舱106内，在吊舱106上安装螺旋桨100。外侧电池112与电动机110一起被定位在吊舱114内，在吊舱114上安装螺旋桨108。如所示的中央电池116在吊舱外部并且远离电动机来被定位。

图2是图示了利用混合电池系统的飞行器的实施例的图。如所示出的，中央电池217被定位在飞行器216的机身中。前翼208包括从吊舱200、202、204和206延伸的螺旋桨。外侧电池208、210、212和214分别存储在吊舱200、202、204和206中。后翼234还包括四个螺旋桨。吊舱216、220、222和224中的每一个包括螺旋桨、电动机和外侧电池（分别为电池226、228、230和232）。如所示出的，中央电池和外侧电池被接线在一起。在一些实施例中，电池连接到共享总线。

中央电池217可以包括能量密集型电池，而外侧电池包括功率密集型电池。在缺少中央电池的情况下，外侧电池可能够提供足够的功率以使飞行器着陆。每个单独的外侧电池可能够提供足够的功率以通过着陆维持其对应的电动机，从而允许每个吊舱独立地进行操作。外侧电池的分布式定位可以减少单个损伤影响飞行器着陆能力的机会。在一些实施例中，飞行器是过度致动的（例如，飞行器能够以比其拥有的更少的旋翼来维持受控飞行），并且分配电池利用了过度致动的设计。

与分配所有电池相对，保留中央电池可以使得混合电池系统能够保持在重量限制内。当可能需要补充中央电池时，外侧电池可以通过在起飞和着陆期间提供功率提升来提供一种形式的冗余。

在各种实施例中，功率密集型电池和能量密集型电池被居中地放置在飞行器中，功率密集型电池和能量密集型电池在外侧被定位在飞行器中，功率密集型电池和能量密集型电池被放置在飞行器中的相同位置中，功率密集型电池和能量密集型电池被置于飞行器中的不同位置中，或任何适当的配置。

在一些实施例中，混合电池系统用于为飞行器的飞行控制财产供电，该飞行控制财产可以包括以下中的一个或多个：控制面，诸如舵、副翼、电梯等；向前推力的源，诸如螺旋桨或喷气引擎；抬升的有动力装置的源，例如旋翼或抬升风扇；以及通过使用喷嘴、转向器、可将引擎或风扇推力引导至其上的物理结构（诸如叶片等）和/或推力生成设备的旋转而能够被引导或以其他方式被控制或集中的力。

图3是图示了在飞行期间的飞行器电流需求的实施例的图。所示出的图用曲线图表示了对照飞行时间的飞行器所需的电流。在起飞时段300期间，所需的电流处于峰值水平处。所需的电流在巡航期间下降并且是低的，直到在着陆时段304期间再次达到峰值为止。如所示出的，飞行器针对大部分飞行处于巡航中。

图4是图示了混合电池过程的实施例的流程图。在400处，确定是否需要高功率水平。在需要高功率水平的情况下，在402处，功率密集型电池承担大部分负载。例如，功率密集型电池向共享总线提供了比能量密集型电池更高的电流。与能量密集型电池不同，功率密集型电池可能够在不遭受损坏的情况下产生高电流。在不需要高功率水平的情况下，在404处，能量密集型电池承担大部分负载。在不需要高功率水平的情况下使用能量密集型电池可能是高效的或是节省成本的。在402或404之后，在406处确定飞行是否完成（例如，飞行器是否已经着陆）。如果飞行未完成，则重复该过程的后续迭代。

在各种实施例中，使用各种方法在两种类型的电池之间转移主负载。可以通过利用或操纵电开关、电池单元几何形状、电池单元量、系统中的电池定位或电池单元化学过程来实现负载在电池类型之间的转移。

在一些实施例中，仅在需要高功率水平并且能量密集型电池不能提供所需功率的情况下，功率密集型电池才承担大部分负载。在一些实施例中，当需要高功率水平并且两种类型的电池都被完全充电时，功率密集型电池和能量密集型电池在起飞期间共享负载。由于电池被耗尽，并且在飞行中稍后（诸如，在着陆期间）达到较低的充电（charge）百分比时，能量密集型电池可能会在高负载下经历电压降，从而引起在需要高功率水平时功率密集型电池承担大部分负载。

图5是图示了具有开关的混合电池系统的实施例的图。能量密集型电池500、功率密集型电池502和电动机504并联。在一些实施例中，多个功率密集型电池和多个电动机与能量密集型电池并联。能量密集型电池500和功率密集型电池502在稳定状态中可以处于相同电压处，这是因为它们是并联的。电池可以提供相对于其阻抗的电流。电动机504或任何适当的负载由所提供的电流来供电。电池接线到共享总线，其中电动机和任何另外的电动机或致动器从共享总线汲取电流。

由于导线电阻，电流可能倾向于从局部外侧电池流到它们相应的局部电动机。在一些实施例中，调节电动机马力增加导致其从所有电池汲取电流，而调节电动机马力降低导致其相应的外侧电池在总线上施加一些电流。如所示出的，每个电池具有开关。可以将能量密集型电池和功率密集型电池切换到电路中或从电路切换出，这取决于需要或期望使用哪一个。

图6是图示了用于切换混合电池系统中的电池的过程的实施例的流程图。在一些实施例中，在起飞和着陆期间，能量密集型电池被断开并且功率密集型电池被接通，而在稳定状态飞行（例如，巡航）期间，能量密集型电池被接通并且功率密集型电池被断开。可以完成切换以确保在起飞和着陆期间功率密集型电池为飞行器供电，并且在稳定状态飞行期间能量密集型电池为飞行器供电。

在一些实施例中，在特定的飞行时段期间执行较少的切换，并且两种类型的电池同时在线。在一些实施例中，由于在高负载下能量密集型电池的电压降而不需要进行切换来在两个电池之间转移负载。切换可以被执行为用于保护电池免受损坏的防护措施。

在600处，对能量密集型电池和功率密集型电池进行充电。在该过程中，飞行器此时着地，并且可以附接到外部电源。在602处，确定功率密集型电池是否被完全充电。在功率密集型电池被完全充电的情况下，在604处，使功率密集型电池离线（offline）。功率密集型电池可具有比能量密集型电池更低的能量密度，从而导致功率密集型电池在较短的时间中变得被完全充电。可以移除功率密集型电池，以防止其被过度充电，这可导致损坏。

如果功率密集型电池离线或未被完全充电，则在606处，确定飞行器是否正在起飞。如果飞行器没有正在起飞，则该过程返回到602。在飞行器正在起飞的情况下，在608处，使能量密集型电池和功率密集型电池在线。在此示例中，两个电池被同时使用。大部分负载可以由能量密集型电池来承担。在起飞之后，飞行器可进入巡航状态。在巡航期间，能量密集型电池可承担大部分负载。能量密集型电池在其处于高充电状态（例如，100％到50％充电）时可承担大部分负载。在610处，确定飞行器是否正在着陆。当确定飞行器正在着陆时，在612处，使能量密集型电池离线。可以使能量密集型电池离线，以防止其被损坏，并且确保负载由功率密集型电池来承担。如果能量密集型电池处于低充电状态下，并且需要高功率（如在VTOL飞行器着陆期间所预期的那样），则能量密集型电池可能无法提供所需的功率，从而需要功率密集型电池的存在。

在一些实施例中，不需要进行切换，这是因为由于两种类型的电池的特性而引起负载在该两种类型的电池之间被动地转移。在高负载下，能量密集型电池可能会比功率密集型电池经历更大的电压降，从而导致功率密集型电池承担大部分负载。

图7A是图示了圆柱形电池的实施例的图。圆柱形电池可以在混合电池系统中用作能量密集型电池或中央电池。圆柱形电池的常见示例是18650单元。圆柱形电池具有极高的能量含量。然而，利用圆柱形电池来实现高放电率或高功率水平是困难的。圆柱形电池倾向于制造和获取起来便宜。

图7B是图示了以展开形式的圆柱形电池的实施例的图。在所示出的示例中，电池704包括阴极层和阳极层，其之间具有电解质。电流通过凸出部702传递。

图7C是图示了袋式电池的实施例的图。袋式电池可以在混合电池系统中用作功率密集型电池。如所示出的袋式电池710是相对平坦的形状。袋式电池具有高放电率，但是与圆柱形电池相比在存储能量方面较不高效。大多数飞行可以使用便宜的、容易地可更换的18650电池来供电，而袋式单元提供所需的功率冲击。

图8是示出了圆柱形（能量密集型）电池和袋式（功率密集型）电池的电压曲线的实施例的图。该曲线图显示了对照两个电池的电池百分比的电压。电压指的是共享总线和电池的电压，其中电池是并联的。电池的电压曲线由于电池的不同几何形状而不同。在仅存在一个电池的情况下，所示出的电压曲线可以例示电池性能（例如，曲线800示出了能量密集型电池将如何单独执行）。

假设类似的化学过程，则圆柱形电池和袋式电池在高充电百分比下和低负载（例如提供1安培）下可具有类似的电压曲线或相同的电压曲线。然而，在高负载（例如提供10安培）下，能量密集型电池的电压远比功率密集型电池的电压下降得更多。由于能量密集型电池的电压降，与能量密集型电池相比，功率密集型电池在高负载下可以承担更多的负载或提供更高的电流。

如所示出的，电压曲线800是能量密集型电池在低负载下的电压曲线。电压曲线806示出了在高负载下的能量密集型电池。在高负载下，电压显著地下降。示出了低负载下的功率密集型电池的电压曲线802也如电压曲线804（高负载下的功率密集型电池）所示的那样在高负载下下降。然而，由于电池的几何形状，它不会下降那么多。

图9是示出了在变化的单元计数的情况下的圆柱形（能量密集型）电池和袋式（功率密集型）电池的电压曲线的实施例的图。在混合电池系统中使用的能量密集型电池可比在该系统中使用的功率密集型电池具有更高的电池单元计数，以便防止功率密集型电池在着陆之前被用尽。在所示出的示例中，能量密集型电池在低负载下的电压曲线（曲线900）位于功率密集型电池在低负载下的电压曲线（曲线902）上方。能量密集型电池组可比功率密集型电池组包括更多的电池单元，从而引起能量密集型电池电压曲线在两个电池组都被100％充电时将处于较高的电压下。在稳定状态中，能量密集型电池组和功率密集型电池组的电压相等。在稳定状态（例如，低负载）下，由于电压曲线（例如900与902）之间的偏移，能量密集型电池可提供比功率密集型电池更多的功率（例如，提供更高的电流）。能量密集型电池将比功率密集型电池组更快地放电并提供更多的电流。

当电池组的电压相等时，由于单元的不均匀数目，与能量密集型电池组相比，功率密集型电池组处于较低的放电阶段。当向电池组应用高放电率（例如，高负载）时，两个电压曲线下降，如以曲线904（高负载下的能量密集型电池）和906（高负载下的功率密集型电池）所示。袋式电池处于较低的放电状态，并且其下降较少。曲线904和906如所示出的那样相交，其中功率密集型电池曲线在能量密集型电池曲线上方。当能量密集型电池达到低的充电百分比时，功率密集型电池将在高负载下提供大部分功率。

图10是图示了具有导线电阻的混合电池系统的实施例的图。两种类型的电池可位于飞行器上的利用导线电阻的位置中。在所示出的示例中，能量密集型电池1000、功率密集型电池1004和电动机1006并联。导线电阻1002被表示为Rw。能量密集型电池1000可以被定位成远离功率密集型电池1004，在它们之间具有许多长度的导线。当从能量密集型电池汲取电流时，导线或线束可能会在高负载下导致电压降（例如，高达2％）。由于电压降，当需要高功率时，可以自然地从外侧/功率密集型电池汲取更多功率。在低负载下，电压降可以是可忽略的，从而允许能量密集型电池承担不成比例的负载量。

图11是图示了具有电池组电阻的混合电池系统的实施例的图。能量密集型电池可以被设计成与功率密集型电池相比在电池组中具有更多的电阻，以使能量密集型电池在高负载下提供少于功率密集型电池的功率。在所示出的示例中，能量密集型电池1102、功率密集型电池1106和电动机1108并联。对于能量密集型电池，电池组电阻被表示为Rp1，并且对于功率密集型电池，电池组电阻被表示为Rp2。Rp1可大于Rp2。

在一些实施例中，两种类型的电池包括不同的单元化学过程。可以改变电解质类型、阳极类型、阴极类型、电解质厚度或组分浓度，以便生产期望的电池组。可以调整单元化学过程以使得电池组的电压曲线看起来如图11中那样。

图12是图示了在混合电池系统中的电池之间转移负载的过程的实施例的流程图。在高放电率下，由于两种类型的电池组的特性，负载可被转移。可以基于单元几何形状、单元化学过程、单元计数、定位、设计的电阻或任何其他适当的因素来仔细地选择或设计两种类型的电池的特性。在1200，确定飞行器是否处于稳定状态中。在飞行器处于稳定状态中的情况下，在1202处，能量密集型电池为飞行器供电。在1202之后或在飞行器不处于稳定状态中的情况下，在1204处，确定飞行器是否处于高功率飞行阶段中。在飞行器处于高功率飞行阶段中的情况下，在1206处，能量密集型电池的电压下降并且功率密集型电池为飞行器供电。在一些实施例中，在1204处的确定是飞行器是否处于高功率飞行阶段中并且能量密集型电池是否处于低充电百分比下。在1208处，确定飞行是否完成。如果飞行未完成，则该过程重复。

虽然已出于清楚理解的目的而以某些细节对前述实施例进行了描述，但是本发明并不被限制到所提供的细节。存在实现本发明的许多替换方法。所公开的实施例是说明性的并且不是限制性的。

Claims (18)

1.一种电驱动的交通工具，包括：

电动机；以及

与所述电动机耦合的混合电池系统，包括：

第一能量密度和第一功率密度的第一电池；以及

与所述第一电池并联的第二电池，其中所述第二电池具有低于所述第一能量密度的第二能量密度和大于所述第一功率密度的第二功率密度，

其中，所述交通工具被配置成在第一模式中从所述第一电池不成比例地汲取功率，并且在第二模式中从所述第二电池不成比例地汲取功率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池和所述第二电池与所述电池向其提供功率的所述交通工具的部件并联。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池居中地存储在所述交通工具中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二电池在所述第二电池向其提供功率的所述交通工具的部件附近或邻近被存储。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二电池在外侧被存储在所述交通工具中。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一模式包括低功率模式。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二模式包括高功率模式。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池和所述第二电池被切换到共享总线中或从共享总线切换出。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池在负载下的电压比所述第二电池下降得更显著，使得在高负载下从所述第二电池汲取更大的电流。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池具有比所述第二电池更大的电池单元计数。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电池包括圆柱形电池。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二电池包括袋式电池。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述交通工具包括飞行器。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述交通工具包括垂直起飞和着陆飞行器。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一模式包括巡航或稳定状态飞行模式，并且所述第二模式包括起飞或着陆。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二电池以及与所述第二电池并联的高功率密度的一个或多个附加电池在缺少所述第一电池的情况下提供足够的功率，以使所述飞行器垂直地着陆。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二电池以及高功率密度的一个或多个附加电池每个单独地能够分别为位于每个电池附近的单个电动机供电。

18.一种为交通工具供电的方法，包括：

在第一模式中从第一电池不成比例地汲取功率；以及

在第二模式中从第二电池不成比例地汲取功率，所述第二电池与所述第一电池并联，

其中所述第一电池具有第一能量密度和第一功率密度，并且所述第二电池具有低于所述第一能量密度的第二能量密度和大于所述第一功率密度的第二功率密度。

Images