CN114530648B - 一种电动飞行器的动力电池系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动飞行器的动力电池集成系统及其工作方法，涉及设备电池领域。该系统包括电池管理模块、电芯和机翼，机翼包括机翼上蒙皮和机翼下蒙皮，机翼上蒙皮和机翼下蒙皮组成一空腔，空腔内置机翼前梁和机翼后梁进行支撑，使空腔位置保持稳定；电芯布置在由机翼上蒙皮和机翼下蒙皮组成的空腔内；在机翼下蒙皮的内表面与电芯之间设有液冷回路，电池管理模块通过泵控制液冷回路中的冷却介质的循环速度。本发明技术方案去除模组与电池包壳体结构，降低重量；同时通过液冷回路依靠机翼散热，提高电池系统成组效率，在增加续航组件减少的同时减少能耗和减轻重量，节约成本。

Description

一种电动飞行器的动力电池系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及设备电池领域，尤其涉及一种电动飞行器的动力电池系统及其工作方法。
背景技术
电动化浪潮的不断发展，出现了各式各样的电动飞机。电动飞机用电池作为动力源。动力电池一般由电芯通过串并联构成模组，再由模组构成电池包，对外输出电流。现有电动飞机的电池普通采用电芯-模组-电池包的成组方法，使得电池系统的能量密度偏低，航程大幅较小，实用性较低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种电动飞行器的动力电池系统及其工作方法。
一方面，本发明实施例提供了一种电动飞行器的动力电池系统，包括：电池管理模块、电芯和机翼，所述机翼包括机翼上蒙皮和机翼下蒙皮，所述机翼上蒙皮和所述机翼下蒙皮组成一空腔，所述空腔内置机翼前梁和所述机翼后梁进行支撑，使所述空腔位置保持稳定；所述电芯布置在由所述机翼上蒙皮和所述机翼下蒙皮组成的所述空腔内；在所述机翼下蒙皮的内表面与所述电芯之间设有液冷回路，所述电池管理模块通过泵控制所述液冷回路中的冷却介质的循环速度。
另一方面，本发明实施例提供了上述电动飞行器的动力电池系统的工作方法，包括：
在飞行器起飞前，动力电池系统连接地面冷却设备，所述电池管理模块根据外部环境温度进行调温，将动力电池系统的温度调节至电芯最佳工作温度区间；
在飞行器起飞时，所述动力电池系统与所述地面冷却设备断开，在飞行过程中，所述电池管理模块根据所述动力电池系统的放电工况可以计算得出电芯的产热量，电池管理模块根据外界环境温度、飞行速度、换热面积可以计算得出冷却介质固定流速下的散热量；当产热量>散热量时，调高泵转速，增加回路冷却介质流速，使产热量＝散热量；当产热量产热量<散热量时，调低泵转速，降低回路流速，使产热量＝散热量；
在飞行器降落后，所述电池管理模块对所述动力电池系统进行充电，同时所述动力电池系统连接所述地面冷却设备，由所述地面冷却设备来调节动力电池系统的温度达到适合温度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明技术方案将电芯直接集成在飞行器的机翼上，通过机翼结构来支撑电芯，去除模组与电池包壳体结构，降低重量；同时通过液冷回路依靠机翼散热，提高电池系统成组效率，在增加续航的同时减少能耗和减轻重量，节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的动力电池集成系统中的机翼内电芯布置的截面图；
图2为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的动力电池集成系统中的机翼内电芯布置的俯视图；
图3为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的动力电池集成系统中的机翼前梁的布置示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的动力电池集成系统中的机翼后梁的布置示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的动力电池集成系统中电芯的导热方式示意图；
图6为本发明实施例一提供的地面冷却设备与机载的液冷回路之间的连接方式示意图。
具体实施方式
本申请提出了一种电动飞行器的动力电池系统及其工作方法，下面结合附图，对本申请具体实施方式进行详细说明。所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例一提供一种电动飞行器的动力电池系统，包括：电池管理模块、电芯2和机翼，机翼包括机翼上蒙皮1和机翼下蒙皮4，机翼上蒙皮1和机翼下蒙皮4组成一空腔，空腔内置机翼前梁6和机翼后梁7进行支撑，使空腔位置保持稳定。电芯2布置在由机翼上蒙皮1和机翼下蒙皮4组成的空腔内，在机翼下蒙皮4的内表面与电芯2之间设有液冷回路13，机翼内电芯布置截面如图1所示。电池管理模块通过泵M控制液冷回路13中的冷却介质的循环速度，从而吸收电芯2的热量。
可选的，电芯2为软包电池或方形电池或圆柱形电芯。
可选的，电芯2可设置单层或双层，或根据空腔大小设置多层，布置在由机翼上蒙皮1和机翼下蒙皮4组成的空腔内。
可选的，如电芯2设置单层，该单层的电芯2可直接依靠机翼下蒙皮4支撑固定在空腔内，机翼下蒙皮4内表面集成液冷回路13，用于为电芯2降温。
优选的，如图1所示，如电芯2设置多层，每层电芯2之间通过支撑板3进行支撑和隔离，支撑板3内部集成液冷回路13，可将支撑板3作为液冷板使用。通过泵M使液冷回路13内的冷却介质循环，吸收电芯2的热量，当冷却介质传导至机翼下蒙皮4或机翼上蒙皮1时，通过飞行过程中的对流散去电芯2产生的热量。
可选的，电芯2底部通过导热胶固定在支撑板3上。
如图2所示，为机翼内电芯布置的俯视图，在机翼前梁6与机翼后梁7之间设置有机翼结构肋5，通过机翼结构肋5、机翼前梁6、机翼后梁7可将机翼内的空腔分为多个独立的小空腔，电芯2布置在每一个独立的小空腔内，相邻的两条机翼结构肋5为电芯2提供电芯2两侧所需要的预紧力，使电芯2更加固定。在图2中，每个小空腔内可设置多个电芯，且多个电芯通过串联或并联方式构成一个整体的电芯组；通过高压线缆将各个独立小空腔内的电芯组连接起来。
如图3所示，为机翼前梁的布置示意图，在每个小空腔的机翼前梁6上集成正负极功率接口a、低压通讯接口b、液冷回路进口c。
可选的，由机翼前梁6与机翼后梁7构成电芯2前后方向的隔离，机翼后梁7上可集成泄压阀，在电芯2热失控时泄压，防爆。如图4所示，为机翼后梁的布置示意图，每个小空腔的机翼后梁7上布置液冷回路出口e和泄压阀和/或防爆阀d。
可选的，在本实施例中，小空腔内的每个电芯2之间设置导热片8，导热片8一端与支撑板3接触，可将电芯2的热量传递至支撑板3上；每个电芯2之间均布置液冷回路13，使散热效果更好；电芯2的导热方式如图5所示。
如图6所示，为地面冷却设备与机载的液冷回路13之间的连接方式示意图。飞行器在起飞前与降落后通过进水管路11和回水管路12将飞行器上的液冷回路13连接至大型的地面冷却设备9，通过泵M驱动液冷回路13内的冷却介质进行循环。地面冷却设备9可对液冷回路13内的冷却介质进行制冷或加热，来调节本实施例的动力电池系统的温度。
在本实施例中，电芯可根据机翼内部的空腔选取适合的形状(例如方形、软包、圆柱)；也可根据现有的电芯去调整机翼内部每个小空腔的大小，使用灵活方便；电芯可设置单层或多层，能充分利用机翼内部的空腔；电芯直接集成在机翼内，无需模组结构与电池包壳体结构，极大的提高电池系统成组效率，提高电池系统的能量密度；机翼前梁、机翼后梁与机翼结构肋将机翼内的空腔分隔为几个独立的小空腔，每个小空腔中有一个电芯组，当单个电芯发生热失控时，只会影响该独立的小空腔内的电芯组，可以有效控制电芯热失控时的热蔓延，泄压阀(或防爆阀)布置在后梁，快速导出热量，使动力电池系统安全性大幅提高；通过液冷回路使飞行器飞行过程中产生的热量可以直接传导到机翼或机身上，通过飞行过程中的对流散热，无需设置额外的制冷系统，减轻飞行器重量。本发明的动力电池系统无需额外的制冷系统，省却了压缩机的能量消耗，提高飞行器航程；且现有的电池系统相比，本发明实施例提供的动力电池系统的组件更少、复杂度降低、成本降低。
基于上述本申请所提供的一种电动飞行器的动力电池系统，本申请对应提供了一种电动飞行器的动力电池系统的工作方法，包括：
在飞行器起飞前，动力电池系统首先连接地面冷却设备，电池管理模块根据外部环境温度进行调温(如冬季加热、夏季制冷)，将动力电池系统的温度调节至电芯最佳工作温度区间(15℃-35℃)；
在飞行器起飞时，动力电池系统与地冷却设备断开；飞行器在飞行过程中，电池管理模块根据动力电池系统的放电工况可以计算得出电芯的产热量Q1，电池管理模块根据外界环境温度、飞行速度、换热面积可以计算得出冷却介质固定流速下的散热量Q2；当产热量Q1>散热量Q2时，调高泵转速，增加回路冷却介质流速，使产热量Q1＝散热量Q2，当产热量Q1<散热量Q2时，调低泵转速，降低回路流速，使产热量Q1＝散热量Q2。电芯产生的热量也可以由液冷回路带至机舱区域，实现驾驶舱温度的调节。
即飞行器起飞后，本实施例的动力电池系统继续工作电芯持续产生热量，电池管理模块主要体现在散热需求。电芯之间的液冷管路与布置在机翼下蒙皮内表面的液冷管路构成液冷回路，通过泵驱动液冷回路构成循环冷却系统。电池管理模块根据电芯的工作工况、飞行器的飞行速度和外界环境温度控制水泵转速，进而改变液冷回路中冷却介质的流速，使电芯工作在最佳温度范围。飞行器在飞行过程中，液冷回路内循环的冷却介质可使各个电芯的温度保持一致，维持稳定的功率输出能力，提高动力电池系统使用寿命。
在飞行器降落后，电池管理模块对动力电池系统进行充电，同时动力电池系统连接地面冷却设备，由地面冷却设备来调节动力电池系统的温度达到适合温度(例如25℃)。
本发明技术方案将电芯直接集成在飞行器的机翼上，通过机翼结构(机翼前梁、机翼后梁和机翼结构肋)来支撑电芯，去除模组与电池包壳体结构，降低重量；同时通过液冷回路依靠机翼散热，提高电池系统成组效率(由60％提高到90％)，在增加续航组件减少的同时减少能耗和减轻重量，节约成本。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机程序。在车载终端上加载和执行计算机程序时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个基站、车载终端、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个基站、车载终端、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是车载终端能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。本申请实施例中，车载终端可以包括前面所述的装置。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种电动飞行器的动力电池系统，其特征在于，包括：电池管理模块、电芯和机翼，所述机翼包括机翼上蒙皮和机翼下蒙皮，所述机翼上蒙皮和所述机翼下蒙皮组成一空腔，所述空腔内置机翼前梁和机翼后梁进行支撑，使所述空腔位置保持稳定；所述电芯布置在由所述机翼上蒙皮和所述机翼下蒙皮组成的所述空腔内；在所述机翼下蒙皮的内表面与所述电芯之间设有液冷回路，所述电池管理模块通过泵控制所述液冷回路中的冷却介质的循环速度；
在所述机翼前梁与所述机翼后梁之间设置有机翼结构肋，通过所述机翼结构肋、所述机翼前梁、所述机翼后梁将机翼内的所述空腔分为多个独立的小空腔，每个小空腔内设置多个电芯，且多个电芯通过串联或并联方式构成一个整体的电芯组；通过高压线缆将各个独立小空腔内的电芯组连接起来；
所述小空腔内的每个电芯之间设置导热片，所述导热片的一端与支撑板接触；每个电芯之间均布置液冷回路；所述电芯设置多层，每层电芯之间通过支撑板进行支撑和隔离，所述支撑板内部集成液冷回路，将所述支撑板作为液冷板使用；通过泵使液冷回路内的冷却介质循环，吸收电芯的热量，当冷却介质传导至机翼下蒙皮或机翼上蒙皮时，通过飞行过程中的对流散去电芯产生的热量，无需设置额外的制冷系统，减轻飞行器重量，省却了压缩机的能量消耗，提高飞行器航程；
飞行器在起飞前与降落后通过进水管路和回水管路将飞行器上的液冷回路连接至大型的地面冷却设备，地面冷却设备对液冷回路内的冷却介质进行制冷或加热，来调节动力电池系统的温度；
在飞行器起飞前，动力电池系统连接地面冷却设备，所述电池管理模块根据外部环境温度进行调温，将动力电池系统的温度调节至电芯最佳工作温度区间；
在飞行器起飞时，所述动力电池系统与所述地面冷却设备断开，在飞行过程中，动力电池系统继续工作电芯持续产生热量，电芯之间的液冷管路与布置在机翼下蒙皮内表面的液冷管路构成液冷回路，通过泵驱动液冷回路构成循环冷却系统；
所述电池管理模块根据所述动力电池系统的放电工况计算得出电芯的产热量，电池管理模块根据外界环境温度、飞行速度、换热面积计算得出冷却介质固定流速下的散热量；电池管理模块根据电芯的工作工况、飞行器的飞行速度和外界环境温度控制水泵转速，进而改变液冷回路中冷却介质的流速，使电芯工作在最佳温度范围，当产热量>散热量时，调高泵转速，增加回路冷却介质流速，使产热量＝散热量；当产热量<散热量时，调低泵转速，降低回路流速，使产热量＝散热量；飞行器在飞行过程中，液冷回路内循环的冷却介质使各个电芯的温度保持一致，维持稳定的功率输出能力，提高动力电池系统使用寿命；
在飞行器降落后，所述电池管理模块对所述动力电池系统进行充电，同时所述动力电池系统连接所述地面冷却设备，由所述地面冷却设备来调节动力电池系统的温度达到适合温度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电芯为软包电池或方形电池或圆柱形电芯。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，在每个小空腔的机翼前梁上集成正负极功率接口、低压通讯接口、液冷回路进口。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，在每个小空腔的机翼后梁上布置液冷回路出口和泄压阀和/或防爆阀。
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