CN116080912A - 改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其具有复合翼式结构并且包括多个电机臂，所述电机臂内设置有电池包，所述电池包包括一个或多个基板、一个或多个电芯组、电气盒、电池管理系统，所述电池管理系统包括多个电池测量单元和电池控制单元，所述多个电池测量单元设置在所述电芯组的所述飞行器的宽度方向上的一侧，所述多个电池测量单元连接到所述电池控制单元，所述电芯组设置在所述基板上，所述电气盒和所述电池控制单元连接到所述电芯组并设置于所述电芯组的所述电机臂轴向上的一端，所述电芯组包括层叠设置的多个电芯，所述电机臂和所述电芯组之间设置有间隙以形成沿所述电机臂的轴向延伸的冷却风道。
Description
技术领域
本申请涉及航空器设计技术领域，且特别涉及一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器。
背景技术
电动垂直起降飞行器(eVTOL：Electric Vertical Takeoff and Landing)的设计开发吸引了包括航空航天企业、汽车行业、运输行业、政府、军方以及学术界的广泛关注。电动垂直起降飞行器未来潜在的应用场景涉及城市客运、区域客运、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等。电动垂直起降飞行器设计的主要难题之一是电池技术。目前在电动垂直起降飞行器上使用的电池大多为锂离子电池、锂硫电池和磷酸锂电池。优化电池系统是提升电动垂直起降飞行器性能的重难点之一。
电动垂直起降飞行器能够完成垂直起降和巡航飞行，需要比能量和比功率较高的动力电池。电动垂直起降飞行器的动力电池本身的性能直接影响航程、载重能力、控制裕度等关键性能指标。近些年高速发展的锂离子电池是动力电池发展的里程碑，其相对于传统的蓄电池具有高比能、高功率的特性，促进了电动汽车、电动飞行器等领域的高速发展。电池包在飞行器上的安装空间设计、安装位置、安装形式等一系列结构特征决定了电池能否满足飞行器的使用要求。通常电动垂直起降飞行器的电池包安装在机身、机翼等空间较为充裕的位置，但是这种安装结构牺牲了有效的装载空间和设备布置空间。同时锂离子电池存在自发热和安全性等问题，例如电池包在某些故障条件下会释放出危险的液体和气体，其安装在舱内也存在散热不良和潜在的安全隐患。并且锂离子电池如果距离电机等高功率负载较远，则需要大量的高压电缆穿越机身进行供电，也增加了飞机重量和结构复杂度。如果将电池包设置于电机臂，则需要对电池包的结构做出相适应的设计，而当前缺少在电机臂处设置的电池包结构的成熟设计。
专利CN207902757U公开了一种飞行器电池安装结构和飞行器。该飞行器电池安装结构包括设置有电池安装区的机身底板、设置于机身底板的第一凹槽以及设置于电池安装区四周的多个水平固定部。其中每个水平固定部通过第一凹槽与机身底板滑动连接，使每个水平固定部可与安装在电池安装区的电池的侧面贴合。
上述实用新型专利提供的飞行器电池安装结构，将电池安装区设置于机身部，减少了机身的有效装载空间，并且位于机身部的电池也存在较大的安全隐患。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，该电动垂直起降飞行器将电池包设置于电机臂内，并对电池包结构进行针对性改进，可以有效利用电机臂的内部空间，利用飞行时的冷却气流对电池包进行散热，降低电池包的维修更换难度。
本申请的实施方式提供一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其具有复合翼式结构并且包括多个电机臂，所述电机臂内设置有电池包，
所述电池包包括一个或多个基板、一个或多个电芯组、电气盒、电池管理系统，
所述电池管理系统包括多个电池测量单元和电池控制单元，
所述多个电池测量单元设置在所述电芯组的所述飞行器的宽度方向上的一侧，所述多个电池测量单元连接到所述电池控制单元，
所述电芯组设置在所述基板上，所述电气盒和所述电池控制单元连接到所述电芯组并设置于所述电芯组的所述电机臂轴向上的一端，
所述电芯组包括层叠设置的多个电芯，
所述电机臂和所述电芯组之间设置有间隙以形成沿所述电机臂的轴向延伸的冷却风道，以便冷却气流通过对所述电芯组进行散热。
在至少一个可能的实施方式中，所述电机臂的上部具有可拆卸的蒙皮，使所述电机臂的上下部分能够分离，以便于装卸维修所述电池包。
在至少一个可能的实施方式中，所述电池包还包括多个端板和多个拉杆，
所述端板设置在所述电芯组的两端，
所述多个拉杆的两端连接到所述电芯组两端的所述端板，以固定所述多个电芯。
在至少一个可能的实施方式中，所述基板包括支撑所述电芯组的基板本体和从所述基板本体分别向所述飞行器的宽度方向两侧突出的多个基板突出部，所述基板突出部与所述电机臂连接。
在至少一个可能的实施方式中，相邻的所述电芯之间设置有导热片，以增强所述电芯的散热性能，
所述导热片延伸至所述冷却风道。
在至少一个可能的实施方式中，所述电芯为软包电芯或者硬壳电芯。
在至少一个可能的实施方式中，相邻的所述电芯之间设置有防火棉，以提升所述电池包的安全性。
在至少一个可能的实施方式中，所述电机臂设置有一个或多个安装维护口，至少一个所述安装维护口邻近所述电气盒和所述电池管理系统。
在至少一个可能的实施方式中，所述电机臂采用薄壁金属结构或者复合材料结构。
在至少一个可能的实施方式中，所述电芯底部涂抹导热胶，以将所述电芯固定至所述基板，并增强导热性能。
附图说明
图1为根据本申请的一个实施方式的电动垂直起降飞行器的结构示意图。
图2为根据本申请的一个实施方式的电机臂的内部结构透视图。
图3为根据本申请的一个实施方式的电池包的结构示意图。
图4为图3示出的电池包的局部放大图。
图5为根据本申请的一个实施方式的冷却风道的示意图。
附图标记说明
100 电机臂
200 电池包
210 基板
211 基板突出部
220 电芯组
221 电芯
231 端板
232 拉杆
240 电气盒
250 电池管理系统
251 电池测量单元
252 电池控制单元
260 导热片
270 隔热棉
280 冷却风道
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
可以理解，下面所称的连接包括结构上的直接连接，也包括通过电线、电缆等的电连接等。
本申请的实施方式提供一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器(下面有时简称为“飞行器”)，如图1所示，飞行器可以为复合翼式结构，其可以包括多个电机臂100。示例性的，图1中的飞行器共包括10个电机臂，其中两侧的固定翼上各设置4个电机臂，尾翼处设置2个电机臂。可以理解，飞行器的电机臂100的数量与位置不受限制，可以根据实际需要设置。
多个电机臂100可以沿着飞行器的前后方向延伸，即电机臂100的轴向与飞行器的前后方向一致。
如图1、图2、图3所示，电机臂100内可以设置有电池包200，用于向相应的电机系统提供电能。电池包200可以包括基板210、电芯组220，电芯组220设置在基板210上。可以理解，电池包200可以包括多层基板210以及设置其上的电芯组220(示例性的，图2中的电池包200设置有2层基板210)。如图4所示，电芯组220可以包括层叠的多个电芯221。可以理解，电芯组220中电芯221的数量没有特别限制，可以依照实际需要设置。
优选的，电芯221可以选用软包电芯或者硬壳电芯。
基板210可以与电机臂100的轴向平行地延伸，基板210可以在与飞行器的上下方向垂直的平面内延伸。多个基板210可以在飞行器的上下方向上叠置，相邻的两个基板210之间可以隔着一个电芯组220。基板210和电芯组220的数量可以一致，各基板210上侧设置一个电芯组220。
优选的，基板210可以选用铝合金等导热能力强的金属材料，以提升导热能力。在一些工作条件下，基板210还可以使用包含热管的相变导热结构，以大幅提升导热效率，辅助电芯组220散热。
优选的，电机臂100可以选用薄壁金属结构，以便增加自然散热，将热量传导至外界。在寒冷环境中使用时，电机臂100也可以使用复合材料制成，以增加热阻，降低电芯组220的降温速度，维持电池包200在适宜的工作温度。
优选的，基板210上可以形成多个基板突出部211，基板突出部211可以从基板210的基板本体(即，支撑电芯组220的部分)向飞行器的宽度方向两侧伸出。一个基板210的多个基板突出部211可以在飞行器的前后方向上分散布置。用于将基板210安装固定于电机臂100内。可以理解，基板突出部211可以与电机臂100的内部结构连接，并使用螺栓紧固。
优选的，电机臂100上可以设置有安装维护口，安装维护口可以邻近电池包200内较易损坏/出现故障的电气盒240、电池管理系统250等结构，以便于对电机臂内的电池包200(尤其是电池包200的易损件)进行检查、维修和装卸。可以理解，电机臂100上可以设置多个安装维护口，分别用于对电池包200的不同结构进行检修装卸。安装维护口的设计可以综合考虑结构剩余强度、便利性等要求，并使用较少的紧固件或者采用快拆锁等结构以满足快速维护要求、提升维护效率。
优选的，电机臂100的上部可以具有可拆卸的蒙皮，使电机臂100的上下部分可以拆卸分离，蒙皮可以通过螺钉连接到电机臂100。以便于安装拆卸电池包200，或者对电池包200进行大范围维修检查等。例如，便于基板突出部211与电机臂100的螺栓连接。
优选的，电芯221的底部可以涂抹导热胶，将电芯221固定至基板210，并能够将电芯221的热量传递至基板210以增强导热性能。
进一步的，如图2、图3和图4所示，电池包200还可以包括多个端板231和多个拉杆232。端板231设置在电芯组220的两端，拉杆232的两端连接到两侧的端板231。该结构能够对多个电芯221形成沿电机臂100轴向的约束，并使电芯221之间具有一定的压紧力。电芯221可以为矩形(包括正方形和长方形)形状，其厚度方向与电机臂100的轴向一致。可以理解，导热胶可以配合端板231及拉杆232对电池包200形成较好的约束，使其在电机臂100内受到的约束牢固可靠。使用端板231和拉杆232约束电芯组220，能够尽可能的减小对电芯组220的遮挡，减小约束结构对电芯组220散热能力的影响。
如图2、图3所示，电池包200还可以包括电气盒240，电气盒240可以包括电流传感器、主正继电器、主负继电器、预充继电器、预充电阻等电子器件。可以理解，电气盒240中可以包括的电子器件不限于此。电气盒240连接到电芯组220，示例性的，电气盒240设置于电芯组220的一端。可以理解，电气盒240设置于电芯组220的一端可以较好的适配于电机臂100内的电池包安装空间。
如图3所示，电池包200还可以包括电池管理系统250，电池管理系统可以包括多个电池测量单元251(BMU：battery measure unit)、电池控制单元252(BCU：battery controlunit)以及电器线缆等附件。电池测量单元251可以设置在电池包251的一个侧面，示例性的，图3中电池包200可以包括4个电池测量单元251。电池测量单元251能够采集电池包200的温度、电压等数据，并将其传输到电池控制单元252。电池控制单元252可以设置在电气盒240处，并且可以和多个电池测量单元251设置在同一侧面。电池控制单元252能够根据电池测量单元251输送的数据，对电池包200进行检测、控制和保护，并且实时监控电池包200的状态以保障其安全可靠的运行。可以理解，电池测量单元251的安装设置应靠近电芯组220，以尽量减小电池包200的空间(特别是飞行器宽度方向上的空间)。
进一步的，如图2、图5所示，沿电机臂100的轴向，电机臂100与电芯组220之间特别设置有间隙(大体呈棱柱形的电池包与圆柱形的电机臂内部空间之间的间隙)可以形成冷却风道280。在飞行器处于垂直起降与前飞状态时，冷却风道280的前部(以飞行器的前进方向为前向)可以接受升力螺旋桨和冲压空气产生的冷却气流，以对电池包200进行冷却降温散热。冷却后的气流可以从冷却风道的后部(包括后下部)排出电机臂100，可以理解，电机臂100的后部可以设置有排气口，以便于冷却气流排出。参见图4，相邻的电芯221之间可以设置有导热片260，能够将电芯221产生的热量高效导入冷却风道280以提升散热效率。导热片260可以延伸至冷却风道280，以便导热片与冷却气流充分接触，将电芯组220的热量排出。可以理解，导热片260伸入冷却风道280的面积，在保证与冷却气流充分接触的同时，也要避免对气流流动性造成较大影响。
可以理解，当飞行器未起飞时，可以通过地面装配的风冷设备与冷却风道280对接，以对停放或充电状态下的电池包200进行冷却。确保飞行器工作前电池包200处于较佳的温度状态。当环境温度过低时，也可以通过地面装配的的风热设备向冷却风道280内通入热风，使电池包200预热处于较佳的温度状态。
优选的，参见图4，相邻的电芯221之间还可以设置有防火棉270，防火棉270可以保证电芯221可以在充放电的过程中有一定的膨胀和收缩空间，合适厚度的防火棉270可以为电芯221在充放电过程中提供膨胀变形补偿，并保持电芯间的具有一定的预压应力，确保电芯221保持其电性能。同时可以在电芯过热时隔离电芯之间的热传递以避免损坏电芯组220，提升电池包200的安全性。例如，在单个电芯221发生热失控后，防火棉270可以避免热失控在电芯组220中蔓延。可以理解，在同时设置导热片260与防火棉270时，一个电芯221的一侧接触到导热片260，导热片260的另一侧与该侧相邻的电芯221之间设置防火棉270。换言之，每个电芯221均接触到一个导热片260以导出热量，相邻的两个电芯221之间均设置有防火棉270。多个电芯221及多个导热片260、多个防火棉270可以依照上述方式重叠布置。
可以理解，该改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器由于将电池包200设置于电机臂100内，电池包200距离电机控制器(MCU)距离较近。该设计可以减少连接电力供给端与用电端(例如电机臂上设置的螺旋翼)的高压电缆的长度，减少或避免高压线缆穿越机身的复杂设计，同时也能减少高压线缆的重量，减少电能在输送过程的损失。
可以理解，设置于多个电机臂100的电池包可以形成分布式供电。例如，电池包200的高压线缆可以具有两路出口和四个端子，能够向对应的电机控制器供电，同时也可以将高压电供向高压电总路。
下面简单说明本申请的上述实施方式的部分有益效果。
(1)本申请的实施方式提供的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器将电池包结构设置在电机臂处，形成分布式动力供电。在电机臂与电池包之间形成有冷却风道以利用飞行时的冷却气流替代飞行器常用的液冷系统。该设计可以有效降低结构重量，提高机翼的疲劳寿命。
(2)本申请的实施方式提供的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器的电池包远离机身，在电池包发生热失控等故障时，不会直接对机身的载人载物仓造成损害，提升飞行器的安全性。
(3)本申请的实施方式提供的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器相比传统的在机身处布置电池包的结构，可以避免占用机身内的载人载物空间。同时本申请的实施方式设计的电机臂及电池包结构更便于安装拆卸与日常维护保养。
可以理解，在本申请中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本申请排除了一个的情况。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。
Claims (10)
1.一种改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其具有复合翼式结构并且包括多个电机臂(100)，其特征在于，所述电机臂(100)内设置有电池包(200)，
所述电池包(200)包括一个或多个基板(210)、一个或多个电芯组(220)、电气盒(240)、电池管理系统(250)，
所述电池管理系统(250)包括多个电池测量单元(251)和电池控制单元(252)，
所述多个电池测量单元(251)设置在所述电芯组(220)的所述飞行器的宽度方向上的一侧，所述多个电池测量单元(251)连接到所述电池控制单元(252)，
所述电芯组(220)设置在所述基板(210)上，所述电气盒(240)和所述电池控制单元(252)连接到所述电芯组(220)并设置于所述电芯组(220)的所述电机臂(100)轴向上的一端，
所述电芯组(220)包括层叠设置的多个电芯(221)，
所述电机臂(100)和所述电芯组(220)之间设置有间隙以形成沿所述电机臂的轴向延伸的冷却风道(280)，以便冷却气流通过对所述电芯组(220)进行散热。
2.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电机臂(100)的上部具有可拆卸的蒙皮，使所述电机臂(100)的上下部分能够分离，以便于装卸维修所述电池包(200)。
3.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电池包(200)还包括多个端板(231)和多个拉杆(232)，
所述端板(231)设置在所述电芯组(220)的两端，
所述多个拉杆(232)的两端连接到所述电芯组(220)两端的所述端板(231)，以固定所述多个电芯(221)。
4.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述基板(210)包括支撑所述电芯组(220)的基板本体和从所述基板本体分别向所述飞行器的宽度方向两侧突出的多个基板突出部(211)，所述基板突出部(211)与所述电机臂(100)连接。
5.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，相邻的所述电芯(221)之间设置有导热片(260)，以增强所述电芯(221)的散热性能，
所述导热片(260)延伸至所述冷却风道(280)。
6.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电芯(221)为软包电芯或者硬壳电芯。
7.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，相邻的所述电芯(221)之间设置有防火棉(270)，以提升所述电池包(200)的安全性。
8.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电机臂(100)设置有一个或多个安装维护口，至少一个所述安装维护口邻近所述电气盒(240)和所述电池管理系统(250)。
9.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电机臂(100)采用薄壁金属结构或者复合材料结构。
10.根据权利要求1所述的改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器，其特征在于，所述电芯(221)底部涂抹导热胶，以将所述电芯(221)固定至所述基板(210)，并增强导热性能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310035371.2A CN116080912A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310035371.2A CN116080912A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116080912A true CN116080912A (zh) | 2023-05-09 |
Family
ID=86202123
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310035371.2A Pending CN116080912A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 改进动力电池安装结构的电动垂直起降飞行器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116080912A (zh) |
-
2023
- 2023-01-10 CN CN202310035371.2A patent/CN116080912A/zh active Pending
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Legal Events
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