CN116096635A - 对氢驱动混合电动动力总成进行多模块控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了用于氢驱动混合电动动力总成的系统和方法和相关水‑电‑气‑热管理系统(HEATMS)。

Description

对氢驱动混合电动动力总成进行多模块控制的系统和方法
相关申请交叉引用
本非临时专利申请在此要求2020年8月21日提交的标题为“对氢驱动混合电动动力总成进行多模块控制的系统和方法”的美国临时专利申请号63/068,853的权益和优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
可以使用燃料源来操作交通工具。燃料源可以具有对应于每单位质量燃料储存或可提取的能量的量的特定能量。可以将燃料源提供给多种交通工具，以使这些交通工具能够产生能量并将功率输送到推进系统以进行移动和运输。
概述
本技术实施例提供了对氢驱动混合电动动力总成(hydrogen-powered hybridelectric powertrain)进行多模块控制的系统和方法，其克服了现有技术的缺陷并提供了额外的益处。本技术的一个方面提供了一种用于优化具有氢驱动混合电动动力总成的空中交通工具的操作的方法。该方法包括向一个或多个燃料电池堆提供氢燃料，将第一空气量引导到由氢燃料提供功率的一个或多个燃料电池堆，并产生至少供由氢驱动混合电动动力总成的电动马达使用的第一电功率输出，并使用所产生的电功率操作电动马达，其中，将所产生的电功率提供给电动马达而不通过或被存储在电池中。
该方法还包括预测电动马达操作期间动力总成的电功率需求的一个或多个变化，并控制流向一个或多个燃料电池堆的空气流量以至少部分地基于动力总成的电功率需求的一个或多个预测变化将第二空气量引导到一个或多个燃料电池堆，其中第一空气量不同于提供给一个或多个燃料电池堆的第二空气量。在预测的电功率需求发生之前向一个或多个燃料电池堆提供第二空气量，以便在动力总成的预测电功率需求发生时或之前由一个或多个燃料电池堆产生第二电功率输出，其中第二电功率输出不同于第一电功率输出，从而减少将电功率输送到动力总成的电动马达的瞬态周期。
可以部分地通过控制将空气流引导到一个或多个燃料电池堆的一个或多个压缩机(compressor)的机械功率来控制空气流量。压缩机至少部分地由外围电功率单元提供功率。一次向燃料电池堆提供第二空气量，使得在预测的电功率输出需求发生之前，燃料电池提供足够的电功率以满足预测的电功率需求。燃料电池堆和电动马达可以耦合到散热器，以消散至少由燃料电池堆和电动马达产生的热量，并且其中燃料电池堆在产生产生的电功率时产生排放水(exhaust water)。可以将排放水施加到散热器进行蒸发冷却，以消散至少由燃料电池堆和电动马达产生的热量。
该方法可以包括使用(1)空中交通工具上的一个或多个传感器和(2)来自一个或多个其它飞行器的数据和自动观测结果中的至少一项来检测飞行器操作环境中的第一组大气状况，该第一组大气状况表明在所述环境中释放一个或多个燃料电池堆产生的排放水时空中交通工具的凝结尾迹形成(contrail formation)会发生。临时储存空中交通工具上的排放水，以当空中交通工具在第一组大气状况下在环境中航行时阻止凝结尾迹形成。可以在不太可能引起空中交通工具的凝结尾迹形成的环境中检测第二组大气状况，当空中交通工具在环境中航行而不形成凝结尾迹时，储存的排放水从空中交通工具释放到环境中。
本技术的实施例提供了一种用于氢驱动交通工具的热管理氢驱动混合电动动力总成系统。该系统包括一个或多个燃料电池堆，该一个或多个燃料电池堆包括多个氢燃料电池，该多个氢燃料电池被配置为处理氢燃料以产生电，第一热能，和排放水。一个或多个主电功率单元接收由一个或多个燃料电池堆产生的电，其中将电从一个或多个燃料电池堆提供给一个或多个主电功率单元而不通过或被存储在电池中，并且其中一个或多个主电功率单元产生第二热能。一个或多个散热器被配置为接收第一和第二热量并对其进行热消散，以及一个或多个泵被配置为将冷却剂传输给一个或多个散热器。一个或多个燃料电池堆被配置为将热能传输给一个或多个散热器，以及主电功率单元被配置为将热能传输给一个或多个散热器并从一个或多个燃料电池堆接收电功率。涡轮机从一个或多个燃料电池堆接收第一机械功率，第二压缩机从涡轮机接收机械功率并将第一压缩空气引导到涡轮机和一个或多个燃料电池堆，第一压缩机向第二压缩机提供第二压缩空气，以及配水系统接收一个或多个燃料电池堆产生的排放水并将排放水引导到排放出口。
该系统还可以包括减速器，该减速器耦合到主电功率单元并且被配置为将热能传输给泵并从主电功率单元接收机械功率，以及外围电功率单元，该外围电功率单元将热能传输给一个或多个泵，其中第一压缩机从外围电功率单元接收功率。该系统可以包括向第一压缩机提供电功率的外围电功率单元，以及接收从燃料电池堆产生的电功率并将电功率传输给外围电功率单元的电池，其中电池不向主电功率单元提供电功率。燃料电池堆产生的排放水的至少一部分可以通过涡轮机，并且涡轮机被配置为将排放水引导到配水系统。配水系统可以有喷杆，该喷杆形成排放出口并被配置为将排放水引导到散热器上。
该系统在至少一个实施例中包括氢驱动动力总成和被配置为控制和管理由氢驱动动力总成产生的热能的水-电-气-热(hydro-electro-aero-thermal)管理系统(HEATMS)。HEATMS被配置为在主电功率单元操作期间预测氢驱动动力总成的电功率需求的一个或多个变化。HEATMS控制流向一个或多个燃料电池堆的空气质量流率的量，以至少部分地基于动力总成的电功率需求的一个或多个预测变化将空气量引导到一个或多个燃料电池堆。在预测电功率需求发生之前向一个或多个燃料电池堆提供空气量，以在动力总成的预测电功率需求发生时或之前由一个或多个燃料电池堆产生电功率输出，其中电功率输出的时间被设置以减少将电功率输送到主电功率单元的瞬态周期。
本文描述的技术的一个方面是一种用于优化具有氢驱动混合电动动力总成的空中交通工具的操作的方法，该方法包括：预测位于空中交通工具上的一个或多个氢燃料电池堆的电功率输出中的一个或多个变化或需求；以及至少部分地基于对电功率输出的一个或多个预测变化或需求来控制一个或多个燃料电池堆的入口处的空气质量流率的最佳量，从而减少动力总成输送电功率输出的瞬态周期或滞后时间。
在一些实施例中，燃料电池堆的空气质量流率的最佳量部分地通过控制一个或多个空气压缩机的机械功率来控制。在一些实施例中，一个或多个压缩机由电池和外围电功率单元提供功率。在一些实施例中，在电功率输出的一个或多个变化或需求发生之前控制空气质量流率的最佳量。在一些实施例中，电功率输出中的一个或多个变化或需求至少部分地基于以下一项或多项来预测：来自空中交通工具飞行员的一个或多个输入；空中交通工具的当前，上一个，或下一个位置；包含多个空间坐标的飞行路径；或大气天气状况。
本文提供的另一方面是一种用于防止或控制空中交通工具的凝结尾迹形成的方法，该方法包括：使用(1)空中交通工具上的一个或多个传感器和(2)来自一个或多个其它飞行器的数据和自动观测结果中的至少一项，来检测在导致或可能引起空中交通工具的凝结尾迹形成的第一环境中的第一组大气状况；以及收集和储存由空中交通工具上的一个或多个燃料电池堆产生的水以在该大气状况存在时减少或消除水的释放，从而当空中交通工具在第一环境中航行时避免凝结尾迹形成。
在一些实施例中，该方法还包括使用(1)空中交通工具上的一个或多个传感器和(2)来自一个或多个其它飞行器的数据和自动观测结果中的至少一项，来检测在不会或不太可能引起空中交通工具的凝结尾迹形成的第二环境中的第二组大气状况，并当空中交通工具在第二环境中航行时将储存的水从空中交通工具释放到第二环境中。
本文提供的另一方面是一种空中交通工具的除冰方法，该方法包括：将一个或多个燃料电池堆产生的热量循环到空中交通工具的一个或多个部分，并使用循环的热量来防止在空中交通工具的一个或多个部分处结冰。所述一个或多个部分可包括空中交通工具的机翼或主体。循环的热量可用于当空中交通工具在地面上时防止在空中交通工具的一个或多个部分上结冰。循环的热量可用于当空中交通工具飞行时防止在空中交通工具的一个或多个部分上结冰。
本文提供的另一方面是一种用于氢驱动交通工具的动力总成和热管理系统。该系统包括氢驱动混合电动动力总成和相关的水-电-气-热管理系统(HEATMS)。该系统可以包括一个或多个散热器；一个或多个泵，其被配置为将冷却流体传输给一个或多个散热器；一个或多个燃料电池堆，其被配置为将热能传输给一个或多个散热器；主电功率单元，其被配置为将热能传输给一个或多个散热器并从一个或多个燃料电池堆接收电功率；减速器，其被配置为从主电功率单元接收机械功率并将热能传输给一个或多个泵；外围电功率单元，其被配置为将功率传输给第一压缩机，并将热能传输给一个或多个泵；涡轮机，其被配置为从一个或多个燃料电池堆接收机械功率(例如，流体功率)；第二压缩机，其被配置为从涡轮机接收机械功率，并从第一压缩机接收流体；以及螺旋桨，其被配置为从减速器接收机械功率。
在一些实施例中，第一压缩机被配置为从入口接收流体。外围电功率单元可以被配置为向外围飞行器组件提供机械功率。该系统具有电池，其被配置为从一个或多个燃料电池堆接收电功率并将电功率传输给外围电功率单元。在一些实施例中，该系统具有配水系统，其接收从燃料电池堆产生的水并将水分配到散热器或其它热交换器上或进入散热器或其它热交换器以便去除热量。该系统可以包括阀门系统和流体存储单元，该流体存储单元被配置为接收和临时存储从涡轮机和燃料电池堆输出的流体。在一些实施例中，流体存储被配置为选择性地将流体传输到排放口或用于分配到散热器。在一些实施例中，该系统还包括除冰系统，其被配置为从涡轮机接收流体。在一些实施例中，除冰系统被配置为选择性地将流体传输到排放口。在一些实施例中，涡轮机被配置为进一步将流体传输到排放口。在一些实施例中，减速器包括变速箱，同步带(timing belt)，电磁螺旋桨离合器，或其任意组合。
在一些实施例中，主电功率单元具有大于约1,600kW的峰值功率，并且在一些实施例中具有大约1,600kW-1,955kW的操作范围。在一些实施例中，外围功率单元具有大于约400kW的峰值功率，并且在一些实施例中具有大约400kW-489kW的操作范围。在一些实施例中，一个或多个燃料电池堆具有大于约3kW/kg的比功率，并且在一些实施例中具有大约3kW/kg-3.67kW/kg的操作范围。在一些实施例中，该系统被配置为从一个或多个燃料电池堆中拒绝至少约2,000kW。在一些实施例中，该系统被配置为从主电功率单元或外围电功率单元拒绝至少约300kW。在一些实施例中，流体是水，空气，或其任意组合。在一些实施例中，冷却流体是水，冷却剂，油，或其任意组合。
本文提供的另一方面是用计算机程序编码的非暂时性计算机可读存储介质，其包括由处理器执行的指令，以创建水-电-气-热管理系统(HEATMS)应用，该应用包括：第一模块，其被配置为接收传感器数据；第二模块，其被配置为基于传感器数据确定：外围电功率输出；主电功率输出；电池功率输出；泵功率，泵流体流速，或两者。
在一些实施例中，感测数据包括周围环境空气温度，周围环境空气压力，飞行器速度，飞行器高度，飞行器全球定位系统(GPS)或其它全球导航卫星系统(GNSS)的位置，外围电功率单元输出电压，外围电功率单元输出电流，空气入口流率，空气入口温度，空气入口压力，空气/水出口流率，空气/水出口温度，空气/水出口压力，氢入口流率，氢入口温度，氢入口压力，减速器温度，压缩机入口流率，压缩机入口温度，压缩机入口压力，压缩机出口流率，压缩机出口温度，压缩机出口压力，涡轮机入口流率，涡轮机入口温度，涡轮机入口压力，涡轮机出口流率，涡轮机出口温度，涡轮机出口压力，螺旋桨转速，散热器冷却流体入口温度，散热器冷却流体出口温度，飞行员控制，或其任意组合。在一些实施例中，第二模块被配置为使用机器学习算法从传感器数据确定外围电功率输出，主电功率输出，电池功率输出，泵功率，泵流体流率，或其任意组合。在一些实施例中，机器学习算法被配置为基于感测数据确定预测的飞行事件，并且其中第二模块被配置为基于预测的飞行事件确定外围电功率输出，主电功率输出，电池功率输出，泵功率，泵流体流率，或其任意组合。在一些实施例中，预测的飞行事件是起飞事件，巡航事件，爬升事件，下降事件，着陆事件，或其任意组合。
附图说明
本技术的新颖特征在所附权利要求中被具体阐述。通过参考以下阐明说明性实施例(其中利用了本技术的原理)的详细描述以及附图(本文也称“图”(“Figure”和“FIG.”))，将更好地理解本技术的特征和优势”。
图1示意性地示出了根据本技术的一些实施例的具有氢驱动混合电动动力总成的飞行器。
图2示出了根据一些实施例的示例性氢驱动混合电动动力总成及其相关的水-电-气-热管理系统(HEATMS)的第一示意图。
图3示出了根据一些实施例的示例性燃料电池出口涡轮机的图像。
图4A是根据本技术实施例的燃料电池动力总成架构的示意图。
图4B是图4A的燃料电池动力总成架构的每堆的电压-功率图。
图4C是本技术至少一个实施例的启动序列的电压-时间图和序列表。
图4D是根据本技术至少一个实施例的燃料电池动力总成架构的电路示意图。
图4E是根据本技术另一实施例的燃料电池动力总成架构的电路示意图。
图5示出了根据一些实施例的第一示例性电功率单元和旋转减速器的图像。
图6示出了根据一些实施例的第二示例性电功率单元和旋转减速器的图像。
图7示出了根据一些实施例的第三示例性电功率单元和旋转减速器的图像。
图8示出了根据一些实施例的包括示例性氢驱动混合电动动力总成及其相关的水-电-气-热管理系统(HEATMS)的飞行器的图像。
图9是根据一些实施例的HEATMS应用的示意性流程图。
图10是根据一些实施例的使用机器学习的HEATMS应用的预测模块的示意性流程图。
图11示出了预测飞行事件的示意图。
图12示意性地示出了被编程或被配置以实现本文提供的方法的计算机系统。
具体实施方式
虽然本文已经显示和描述了本技术的多种实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，这些实施例仅以示例的方式被提供。根据本技术，在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化，改变，和替换。应当理解，可以采用本文描述的本技术实施例的多种替代方案。
用于优化具有氢驱动混合电动动力总成的空中交通工具的操作的方法
本文提供的一个方面是用于优化具有氢驱动混合电动动力总成的空中交通工具的操作的方法。该方法包括预测位于空中交通工具上的一个或多个燃料电池堆的电功率输出的一个或多个变化或需求；以及至少部分地基于电功率输出的一个或多个预测变化或需求来控制一个或多个燃料电池堆入口处的空气质量流率的最佳量，从而减少动力总成输送电功率输出的瞬态周期或滞后时间。
氢驱动混合电动动力总成
本技术的方面提供一种用于空中交通工具或其它交通工具的氢驱动动力总成和热管理系统。该系统采用内部燃料源，如氢燃料，以产生能量和推进功率，并使空中交通工具内支持的或外围的系统能够运行。氢驱动动力总成系统包括将氢燃料转换为电的动力总成。这种能量转换组件包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括多个氢燃料电池，其将氢燃料转换为电。主电推进单元，如无刷永磁马达，将电从主电推进单元转换为机械功率。主电推进单元连接到机械减速器和螺旋桨。该系统还具有用于调节周围环境空气的第一压缩机，为第一压缩机提供功率的外围电功率单元，进一步调节周围环境空气的第二压缩机，为第二压缩机提供功率的涡轮机，将冷却流体传输到一个或多个散热器的泵，从系统中去除热量的一个或多个散热器，以及存储电能以为外围电功率单元或空中交通工具的其他电气组件提供功率的电池。但是，电池不为电动马达或其他主电推进单元提供功率。为了提供这种动力总成的稳定和安全操作，每个组件的状况，输入，和输出都受到调控，以确保高效和安全的能量传递和存储，以及热量和/或流体的分布和拒绝。因此，本文提供的是水-电-气-热管理系统(HEATMS)，其被耦合到动力总成并被配置为至少部分地通过调整和优化其中每个组件的操作参数来控制动力总成，以实现安全和连续的操作。
图1是根据本技术实施例的具有一个或多个热管理动力总成系统1000的飞行器10的示意图，该系统包括氢驱动混合电动动力总成1002和相关的水-电-气-热管理系统(HEATMS)1004。在所示实施例中，飞行器10具有两个热管理动力总成系统1000，然而其它飞行器或其它交通工具可以包括一个或两个以上根据本技术的热管理动力总成系统。如图2所示，所示实施例的动力总成系统1000包括一个或多个散热器2102，泵2101，配水系统2120，燃料电池堆2103，主电功率单元2114，减速器2115，电池2109，外围电功率单元2110，外围飞行器组件2111，涡轮机2104，第二压缩机2108，第一压缩机2112，螺旋桨2116，流体入口2113，除冰系统(2105)，和流体排放口2107。
图示的动力总成1002可以包括燃料电池堆2103，主电功率单元2114(例如，电动的无刷马达)，减速器2115，螺旋桨2116，外围电功率单元2110，和电池2109。在动力总成1002和飞行器10的其它组件的操作期间，HEATMS 1004与动力总成1002协同运作来帮助进行热管理和控制(图1)。HEATMS 1004可以包括一个或多个散热器2102，泵2101，配水系统2120，第一压缩机2112，第二压缩机2108，涡轮机2104，和流体排放口2107。应当理解的是，其它实施例的热管理动力总成系统1000可以包括其它组件，并且动力总成1002的一些组件可以与系统的热管理结合使用。而且，HEATMS 1004的组件可以在动力总成1002中使用或与动力总成1002一起使用来为飞行器10(图1或其它交通工具)产生功率。HEATMS 1004耦合到一个或多个控制器，这些控制器与HEATMS 1004，动力总成1002，或两者的组件通信和/或至少部分地控制这些组件。
在一些实施例中，泵2101将冷却流体传输通过或经过系统的其它产热组件并传输到一个或多个散热器2102。因此，冷却流体的作用是将热量从系统1000中的组件带走到散热器2102，以便有效地对热量进行热消散。例如，燃料电池堆2103将热能传输到一个或多个散热器2102。在一个实施例中，燃料电池堆2103连接到含有流向和/或通过散热器的水-乙二醇(water-ethylene glycol)冷却剂或其它冷却剂的闭合冷却回路。主电功率单元2114将热能传输到一个或多个散热器2102。在一个实施例中，主电功率单元2114连接到含有流向和/或通过散热器的油或其它冷却剂的另一闭合冷却回路。在一些实施例中，燃料电池堆2103和主电功率单元2114可以连接到不同的冷却回路或者可以连接到同一冷却回路。
如图2所示，主电功率单元2114从燃料电池堆2103接收电功率。减速器2115将热能传输到一个或多个散热器2102。减速器2115从主电功率单元2114接收机械功率。减速器2115包括变速箱，同步带，电磁螺旋桨离合器，或其任意组合。从主电功率单元2114传输到减速器2115的机械功率的量由HEATMS 1004确定。
外围电功率单元2110将热能传输到一个或多个散热器2102。电池2109从燃料电池堆2103接收电功率并将电功率传输给外围电功率单元2110。电池2109能够基于飞行器状况和/或飞行员控制使系统1000的电气组件做出更快响应。电池2109不向主电功率单元2114提供功率，因此电池2109可以相对较小，轻便，并且被配置为在操作中向外围电功率单元2110提供足够的功率。从电池2109传输给外围电功率单元2110的电功率的量由HEATMS1004确定。在一些实施例中，电池2019是可充电的锂基电池，其可产生大约10-30kWh且重量大约为50kg。
涡轮机2104从燃料电池堆2103接收流体，例如加热的空气和排放水。在一些实施例中，第二压缩机2108是涡轮机驱动的压缩机，其从涡轮机2104接收机械功率。第一压缩机2112将流体(例如空气)传输到第二压缩机2108。图示实施例的第一压缩机2112是马达驱动的压缩机，其从外围电功率单元2110接收机械功率。从外围电功率单元2110传输到第一压缩机2112的机械功率的量由HEATMS 1004确定。螺旋桨2116从减速器2115接收机械功率。一个或多个散热器2102接收的热能的量由HEATMS 1004确定和管理。一个或多个散热器2102接收的热能的流率也由HEATMS 1004确定和管理。
在一些实施例中，第一压缩机2112从入口2113接收空气或其它流体。在一些实施例中，外围电功率单元21向一个或多个外围飞行器组件2111提供机械功率。系统1000还包括排放流体子系统2106，其接收流体，例如从燃料电池堆2103流出并流经涡轮机2104的加热的排放水。流体子系统2106可以耦合到HEATMS 1004，并且可用于选择性地将排放水或其他流体传输到散热器2102和/或排放口2107。系统1000还包括除冰系统2105，其从涡轮机2104接收流体，例如加热的空气和/或水。除冰系统2105可以选择性地将流体传输到排放口2107。HEATMS 1004被配置为控制和确定流体子系统2106接收的，传输的，或两者的流体的量，除冰系统2105接收的，传输的，或两者的流体的量和时间，以及排放口2107释放的流体的量。在一些实施例中，涡轮机2104还向流体子系统2106的排放口2107传输流体。在所示实施例中，流体是加热的水和/或空气。在其它实施例中，流体可以是水，空气，冷却剂，油，或其任意组合。
在一些实施例中，主电功率单元2114可以是2021年5月12日提交的题为“储存，运输，和使用氢的系统和方法”的美国专利申请号17/318,993中描述的类型的电动马达，其通过引用整体并入本文。主电功率单元2114的峰值功率大于约800kW，900kW，1,000kW，1,100kW，1,200kW，1,300kW，1,400kW，1,500kW，1,600kW，1,700kW，1,800kW，1,900kW，2,000kW，2,500kW，或3,000kW。在一些实施例中，主电功率单元2114是无刷永磁马达，其功率范围大约为500kW-1,600kW。在一些实施例中，外围功率单元2110的峰值功率大于约100kW，150kW，200kW，250kW，300kW，350kW，400kW，500kW，600kW，700kW，或800kW。在一些实施例中，燃料电池堆2103具有大于约1kW/kg，1.5kW/kg，2kW/kg，2.5kW/kg，3kW/kg，3.5kW/kg，4kW/kg，4.5kW/kg，5kW/kg，5.5kW/kg，或6kW/kg的比功率。在一些实施例中，系统1000从燃料电池中拒绝至少约1,000kW，1,250kW，1,500kW，1,750kW，2,000kW，2,500kW，3,000kW，或4,000kW的热功率。在一些实施例中，系统1000从电功率单元中拒绝至少约100kW，150kW，200kW，250kW，300kW，350kW，400kW，450kW，500kW，550kW，或600kW的热功率。在所示实施例中，飞行器10是氢驱动双马达支线飞行器，其中动力总成1002提供至少2MW的总功率输出(即，每个电动马达1MW的总功率输出)。
在一些实施例中，涡轮机2104从燃料电池堆2103接收功率。第一压缩机2112从外围功率单元2110接收功率。外围功率单元2110从燃料电池堆2103接收功率并将功率传输给外围飞行器组件2111和第一压缩机2112。燃料电池堆2103，主电功率单元2114，旋转减速器2115，和外围功率单元2110与一个或多个散热器2102流体连通。流体连通可以包括水，冷却剂，油，或其任意组合的传递。在一些实施例中，由外围功率单元2110，旋转减速器2115，涡轮机2104，第一压缩机2112，第二压缩机2108，或其任意组合传输的功率至少部分地以热功率，机械功率，和/或电功率的形式存在。外围功率单元2110接收的功率可以向外围飞行器组件2111提供功率。功率可以通过流体导管，旋转轴耦合件，线性耦合件，或其任意组合在热管理动力总成系统1000内传递。
再次参考图2，飞行器的系统1000在至少一个实施例中的操作包括向燃料电池堆2103中的多个氢燃料电池提供气相或液相氢燃料。在所示实施例中，每个主电功率单元2114(例如，电动的无刷马达)可操作地耦合到多个燃料电池堆2103，以便接收足够的电功率用于该马达和其它飞行器系统的操作。每个燃料电池堆2103处理氢燃料并产生提供给马达或其它主电功率单元2114的电功率。
在处理氢燃料时，燃料电池堆2103中的反应产生排放水以及热量。例如，在至少一个实施例中，在燃料电池中处理每1kg氢，燃料电池堆2103就产生大约9kg纯排放水。排放水通常在高温下(例如在65℃和85℃的范围内)雾化，这通常接近飞行器巡航高度的水沸腾温度。排放水可以通过涡轮机2104引导，然后通过流体子系统2106的流体管线引导到配水系统2120，该配水系统2120包括一个或多个喷杆2121，该一个或多个喷杆2121可以在散热器2102的前面或附近具有雾化喷嘴。排放水通过雾化喷嘴喷到散热器2102表面，排放水在该表面上蒸发，从而在散热器2102处提供蒸发冷却。除了使用加热的排放水进行蒸发冷却外，散热器2102还接收在闭合冷却剂回路系统中流动的冷却剂(例如水乙二醇，油，或其他冷却剂)流。如上所述，多个闭合冷却剂回路用于将动力总成系统1000中产生的热量带到一个或多个散热器2102进行热消散。
在一些实施例中，在大约2.5小时的使用中，燃料电池堆2103输出大约1,800kg加压和过饱和空气和排放水混合物，其向第二压缩机2108提供约160kWh的能量。从燃料电池堆2103和涡轮机2014接收加热的排放水的流体子系统2106包括与HEATMS 1004耦合以控制水管线中的流体流的阀门。因此，当状况使得排放水不应被喷到散热器2102上时，可以将排放水引导到流体子系统2106的流体储罐2050中用于临时储存水。在一些实施例中，燃料电池堆2103产生的热能的一部分经由通过散热器2102循环的冷却剂(例如，水-乙二醇等)散发。
在一些实施例中，燃料电池堆2103产生约1,780kW的热能，而电功率单元2114产生约250kW的热能。组合的热能通过由15kW泵2101通过散热器2102循环的约2000L的冷却剂散发。在一些实施例中，系统1000还包括氢管道，流体子系统2106的水管道，泄水孔，储水罐2050，加湿器，散热器，或其任意组合。在一些实施例中，氢管道，水管道，泄水孔，储水器，加湿器，散热器，或其任意组合将热量，冷却剂，水，或其任意组合传输到泵。在一些实施例中，根据图2，氢管道，水管道，泄水孔，储水器，加湿器，散热器，净化系统，或其任意组合从泵2101接收热量，冷却剂，水，或其任意组合。在一些实施例中，外围飞行器组件2111从外围电功率单元2110接收电功率。外围飞行器组件2111可以包括，例如，除冰系统，液压泵，航空电子系统，厨房，空调系统，或其任意组合。
现在参考图3，当第一压缩机2112正在运行时，例如在启动期间或在飞行器正在移动时，第一压缩机通过空气入口2113接收空气流并压缩空气。第一压缩机2112向第二压缩机2108提供压缩后的空气流，其从涡轮机2104和/或燃料电池堆2103接收功率。在一些实施例中，第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者包括涡轮增压器。第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者包括电动压缩机，机械压缩机，或两者。第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者在约10,000英尺的高度具有在约1,500g/s至约5,000g/s范围内的质量流。
第一和第二压缩机2112和2108将气流驱动到燃料电池堆2103与燃料一起进行处理，以产生电。此外，第一和第二压缩机2112和2108有源地被控制，并且被配置为通过在所选择的时间向燃料电池堆2103驱动更高的空气质量流率来有效地预载和驱动或临时超驱动相关的燃料电池堆2103，从而确保对即时状况或配置的功率需要实现非常快速的瞬态或实时响应。在一些实施例中，向燃料电池堆2103提供氢的氢燃料系统可以包括加压氢的再循环流，以便即时获得氢，例如当第一和第二压缩机2112和2108驱动过量的空气到燃料电池堆以获得额外的功率输出能力时。
图示实施例的第二压缩机2108耦合到补充储存容器，例如一个或多个加压罐2214，其保存所选择体积的压缩空气或其它运作流体。在一些实施例中，加压罐2214被配置为在海平面处以约2巴的压力容纳大约4kg空气。其它实施例可以使用具有不同体积和/或压力的更大或更小的罐。加压罐2214耦合到燃料电池堆2103，并被配置为向燃料电池堆2103按需提供空气流。例如，在电动马达2114和燃料电池堆2103启动时，来自储罐2214的压缩空气被提供给燃料电池堆2103中的燃料电池，以便在第一和第二空气压缩机2112和2108被激活时即时通入空气流。来自罐2214的压缩空气也可以在可能需要或希望即时通入空气的其它状况下被提供给燃料电池堆2103。
如上所述，燃料电池堆2103被配置为将电提供给系统的小型电池2109，其耦合到外围电功率单元2110，但不耦合到电动马达2114。因此，小型电池2109在短时间内为飞行器的外围组件提供临时功率源，以便在燃料电池堆2103被激活时提供所需的初始电功率水平。例如，在马达和系统启动期间，小型电池2019可用于初始地为所选择的飞行器组件或系统提供功率，并且来自一个或多个加压罐2214的压缩空气可用于即时向燃料电池堆2103通入空气流。当燃料电池堆2103运行时，它还将电提供给外围电功率单元2110，其耦合到第一压缩机2112并为第一压缩机2112提供功率。一旦燃料电池堆2103以及第一和第二压缩机2112和2108被激活并操作，一个或多个罐2214可以被重新填充和/或再加压，并且小型电池2109可以被充电以供后续使用。在一些实施例中，外围电功率单元2110可以与第一压缩机2112集成。
在一些实施例中，每个燃料电池堆2103设有热触发器或熔断器2130，以在达到热阈值时关闭相关的燃料电池堆。这种配置可以避免氢驱动燃料电池堆2103的过热和热失控。在所示实施例中，热熔断器2130可以是无源的，故障安全的热熔断器，使得流向燃料电池堆2103的氢流在燃料电池堆达到阈值温度时被终止。在其他实施例中，监测燃料电池堆2103的输入和/或输出温度，以便激活热熔断器2130并在达到阈值温度时自动关闭燃料电池堆2103。其它实施例可以利用其它控制系统来安全操作氢驱动燃料电池堆2103和相关电动马达或其它动力装置。
本技术的压缩机驱动的燃料电池堆的架构提供了一种配置，其中燃料电池堆2103是对主电功率单元2114和动力总成1002的相关组件的主要功率源，而无需中间电池。第一和第二压缩机2112和2108被控制并可激活以根据对一个或多个预测功率需要的预期而预加载燃料电池堆2103。因此，该配置避免了对沉重电池的需要以及对沉重DC-DC转换器的需要，从而降低了燃料电池堆系统的复杂性，成本，和重量。例如，在一个实施例中，其中飞行器10(图1)是双马达支线飞行器，消除传统的DC-DC转换器减轻了大约800kg以上的重量。此外，本技术还被配置为预期和预测功率需要和相关的时间，并且系统激活第一和/或第二压缩机2112和2108，以在需快速瞬变的飞行阶段(进近(approach)和着陆)之前和期间预加载燃料电池堆2103。仔细控制基于实际和预测的功率需要的压缩机2112和2108的操作，从而压缩机不会连续或过度预加载燃料电池，这将显着降低燃料电池系统的效率。动力总成系统1000的架构使得它消除了沉重的主电池和DC-DC转换器，并且该系统仅利用小型外围电池2109在燃料电池系统启动期间临时向燃料电池外设提供功率。这种小型外设启动电池2109也只需要小型的轻的DC-DC转换器来控制电池的充电/放电速率，和匹配动力总成高压总线上的电压。
如下面更详细地讨论的，第二压缩机2108耦合到HEATMS 1004并且能够被控制以在所选择的体积和所选择的时间向燃料电池堆2103提供空气流，这取决于当前的或预期的向电功率单元2114的功率输出的需要。在图示实施例中，与双马达飞行器10一起使用，每个电动马达耦合到多个燃料电池堆2103。例如，每个电动马达耦合到大约10到14个氢驱动燃料电池堆2103。第二压缩机2108被控制以便当电动马达2114要求更多功率时，第二压缩机2108可由HEATMS 1004控制以增加流向相关燃料电池堆2103的空气流。有源地控制从第二压缩机2108到燃料电池堆2103的空气流的流率和体积以平衡燃料电池效率，氢燃料使用，功率输出，和热管理系统，从而实现来自相关的电动马达2114的所需功率输出，而不会使燃料电池堆2103过驱动和过热一段过长的时间。
图4A是根据本技术实施例的燃料电池动力总成架构2250的示意图。在所示实施例中，燃料电池堆2103和动力总成负载2252，例如主电功率单元2114，第一压缩机2112，小型双向DC-DC转换器2254，冷却剂泵2101等(图2)，都直接连接到主高压总线(“HV-总线”)2256。从燃料电池堆2103提供给主电功率单元2114的电压输出不受DC-DC转换器2254调控。小型启动电池2109通过DC-DC转换器2254耦合到HV-总线2256。因此，提供给小型启动电池2109的电压和从小型启动电池2109提供给HV-总线2256的电压受DC-DC转换器2254调控。
在所示实施例中，启动电池2109用于临时为动力总成负载2252提供功率，至少直到燃料电池堆完成启动过程，如下面所述。双向DC-DC转换器2254通过匹配HV-总线电压来控制电池的充电和放电速率。一旦燃料电池系统已经启动并正在产生功率，启动电池2109就可以被重新充电。在所示实施例中，HV-总线2256直接连接到燃料电池堆2103和负载2252。与负载2252对应的组件也直接连接到HV-总线2256，而无需大型中间DC-DC转换器。这些负载2252的最大额定电压可小于燃料电池堆2103的最大电压输出，例如在系统启动期间。因此，选择性地控制从燃料电池堆2103接收的电压，以便不超过组件可以接受的电压。
图4B是燃料电池动力总成架构2250的每堆燃料电池堆的电压-功率图。曲线2258示出响应于从连接到HV-总线2256的组件消耗的功率的燃料电池堆电压。在一些实施例中，如图中的虚线2260所示，可被连接到HV-总线2256的负载2252接受的最大电压水平可以小于燃料电池堆2103输出的最大电压，特别是在启动时和在其它负载2252从HV-总线2256消耗足够量的功率之前。例如，在所示实施例中，在启动时在其它负载2252在总线上消耗大约0kW的情况下由燃料电池堆2103产生的在HV-总线2256上的电压大约为974伏。然而，其他负载2252的最大额定电压大约为750伏。当其他负载2252被激活并且负载2252从HV-总线2256消耗功率时，电压水平降低，使得当功率消耗等于或高于30kW时，电压等于或低于750伏。因此，需要控制HV-总线2256的电压，特别是在启动时，至少直到HV-总线2256的功率消耗下降到或低于负载2252可以接受的最大电压水平(例如，大约750伏)。这由曲线中表示HV-总线电压的实线2261示出，其在所示实施例中不超过750伏。因此，保护负载2252(例如主电功率单元2214，第一压缩机2112，泵2101，小型DC-DC转换器2254等(图2))在燃料电池堆启动期间不会接收过大的电压。
本技术提供了一种启动序列，其允许燃料电池堆2103和连接到HV-总线2256的主组件(即负载2252)在不超过其各自最大额定电压的情况下上电。图4C是根据本技术至少一个实施例的启动序列的电压-时间图和序列表。启动程序(startup procedure)的步骤1-6在图4C中被标识，并且HV-总线2256上的相应电压由曲线2263示出。本实施例中，在启动的步骤1中，燃料电池堆2103暂时与HV-总线2256断开连接或脱离，将氢燃料提供给燃料电池堆2103，并且启动电池2109通过小型DC-DC转换器2254向HV-总线提供功率，从而为泵2101和HV-总线上的其它负载2252提供功率。在步骤2-3，启动电池2109向第一空气压缩机2112和HV-总线2256上的其它负载2252提供功率。所示实施例的燃料电池堆2103被激活并开始在可能超过连接到HV-总线2256的部分或全部负载2252的额定电压的电压下产生电。在步骤2，当负载2252消耗掉来自HV-总线2256的电压到足够的水平时，被激活的燃料电池堆2103连接到HV-总线2256，并且总线上的堆电压上升到最大受控堆电压，其仍然低于总线上其它负载2252的最大额定电压。在所示实施例中，最大额定电压为750伏，但在其它实施例中最大额定电压可以大于或小于750伏。
在步骤3-6，燃料电池堆2103可以在所选择的电压(例如，750伏)下向HV-总线2256提供受调控的全功率，以向总线上的所有负载2252提供功率。此外，在步骤5-6，启动电池2109不再提供功率，并且双向DC-DC转换器2254被切换以便对电池2109进行再充电以用于下一个启动序列。HV-总线2256上的电压受到密切监测，如果总线上的电压超过总线上组件的最大额定电压，则可以调整总线上的电压，组件可以与总线断开连接，或者燃料电池堆甚至可以断开连接或降低功率输出来适当地保持系统的电气平衡，以实现安全和一致的操作。
在另一实施例中，燃料电池动力总成架构可以被配置为控制HV-总线2256上的电压。例如，HV-总线2256可以包括与燃料电池堆串联或并联的一个或多个电阻负载2103，以便电阻负载可以被连通或断开以帮助控制HV-总线的电压水平。图4D是根据本技术的至少一个实施例的燃料电池动力总成架构2250的电路示意图。在这个实施例中，HV-总线2256的电路具有与燃料电池堆2103和负载2252串联布置的一个或多个电阻2262，从而有效地在燃料电池堆2103和可接受电压水平比燃料电池堆2103输出的最大电压水平低的其它负载2252(例如主电功率单元2114，空气压缩机2112，冷却剂泵2101，DC-DC转换器2254等)之间提供分压器。HV-总线电路还包括开关2264，其可以闭合和打开，以在总线操作期间与电阻2262连通和断开。在启动程序期间，当燃料电池堆2103被激活并且提供给HV-总线2256的电压超过所选择的水平(例如，超过750伏)时，开关2264闭合以与电阻2262连通并降低总线上的电压。当其它负载2252从HV-总线2256消耗足够的电压时，开关2264可以被打开以与HV-总线2256中的电阻2262断开。电阻2262的这种断开将发生在上面结合图4C讨论的序列的大约步骤2处，并且序列的其余步骤3-6将保持不变。
图4E是根据本技术另一实施例的燃料电池动力总成架构2250的电路示意图。在这个实施例中，HV-总线2256具有与燃料电池堆2103和总线上的其它负载2252并联布置的一个或多个电阻2266。开关2268的位置被设置使得在闭合或打开开关时与电阻器2266连通和断开。这种并联配置可以允许使用一个或多个专用电阻2262，以潜在地降低启动序列的复杂性。在启动程序期间，一旦从其它负载2252消耗的功率充分地消耗掉HV-总线2256上的电压，开关2268被打开以与电阻2262断开。电阻2262的这种断开将发生在上面结合图4C讨论的启动序列的步骤2-3中，并且序列的其余步骤3-6将保持不变。
图4D和4E的电路图是仅两个实施例的示例，用于在启动期间控制HV-总线2256上的电压以避免使用大型和沉重的DC-DC转换器来调控从燃料电池堆2103到总线的电压输出。其它实施例可以使用其它电路配置来管理动力总成系统中其他负载2252可以连接到的HV-总线2256的电压或在其上的电压。
图5-7示出了示例性旋转减速器2104和主电功率单元2114。在一些实施例中，旋转减速器2104从主电功率单元2114接收功率并将功率传输到螺旋桨2109。在一些实施例中，旋转减速器2104包括齿轮箱，同步带，电磁离合器，或其任意组合。
在一些实施例中，根据图5，旋转减速器2104为行星齿轮箱2401。行星齿轮箱2401的使用减轻了氢驱动混合电动动力总成的重量和尺寸。使用行星齿轮箱2401可以增加氢驱动混合电动动力总成的刚度，并且可以提供简化的齿轮减速级。行星齿轮箱2401包括高接触齿轮，集成制动器，或两者，以减轻螺旋桨2109在停机时的磨损。使用行星齿轮箱2401提供了具有更少机械应力的更低齿轮减速。在一些实施例中，当旋转减速器2104包括行星齿轮箱2401时，电功率单元的输出轴和螺旋桨2109的旋转是永久耦合的。
在一些实施例中，根据图6，旋转减速器2104包括同步带2501。使用同步带2501可以消除冷却要求。使用同步带还可以降低旋转减速器2104的复杂性，成本，或两者。当螺旋桨轴2502处发生速度降低和扭矩增加的时候，使用同步带2501可以减少重量和应力。在一些实施例中，当旋转减速器2104包括同步带时，电功率单元的输出轴和螺旋桨轴2502的旋转是永久耦合的。
在一些实施例中，根据图7，氢驱动混合电动动力总成1002的旋转减速器2104包括同步带2501和电磁螺旋桨离合器2503。在一些实施例中，当旋转减速器2104包括同步带2501和电磁螺旋桨离合器2503时，电功率单元的输出轴和螺旋桨轴2502的旋转在使用过程中是可解耦的。在一些实施例中，带有同步带2501和电磁螺旋桨离合器2503的旋转减速器2104的配置可以消除或减少冷却要求。在一些实施例中，这种配置还可以降低复杂性，成本，或两者。这种配置还可以当螺旋桨轴2502处发生速度降低和扭矩增加时减少重量和应力。在一些实施例中，这种配置还可以吸收来自马达的瞬态输出，并使故障马达与驱动轴去耦，以消除或减少寄生阻力，同时保持净功率接近约50％。在一些实施例中，动力总成1002不包括旋转减速器2104，其中主电功率单元2114以足够降低的速度提供旋转能量。
在一些实施例中，根据图2，由第一压缩机2112接收的周围环境和舱室的空气被压缩并提供给第二压缩机2108和飞行器的舱室空调单元2202。在一些实施例中，舱室空调单元2202接收热能和/或将热能传输给散热器2102。被第一压缩机2112压缩的空气被第二压缩机2108进一步压缩，其进一步从涡轮机2104接收机械能。由第二压缩机2108压缩的空气通过加湿器传输到燃料电池堆2103。加湿器与散热器2102交换热能和冷却剂，并通过闭合回路管道向冷却剂泵2101提供冷却剂(例如，水-乙二醇，或其组合)，其中在管道中流动的冷却剂从冷却剂泵接收热能。
燃料电池堆2103从氢管道2208接收氢，并接收经由冷却剂泵2101泵送的冷却剂以将热能带到散热器2102。燃料电池堆2103向冷却剂泵2101，外围功率单元2110，和主电功率单元14提供电能。在一些实施例中，外围功率单元2110与冷却剂泵2101交换油或其它冷却剂，并向一个或多个散热器2102提供热能。外围功率单元2110可以向第一压缩机2112和外围飞行器组件2111(例如液压泵，航空电子设备，除冰系统，和厨房)提供机械能。在一些实施例中，电功率单元2114在与冷却剂泵相关的冷却剂回路中交换油或其它冷却剂，向散热器2102提供热能，并向齿轮箱2212提供机械功率。齿轮箱2212与冷却剂泵2101交换油或其他冷却剂，向冷却剂泵2101提供热能，并向螺旋桨2116提供机械功率。
计算机水-电-气-热管理系统(HEATMS)
在使用飞行器10(图1)和其动力总成系统1000期间，系统组件通常在不同的使用阶段要求不同量的可使用功率。例如，飞行器的组件在启动，滑行，起飞，爬升，巡航，飞行内机动或改装，下降，着陆，和停机期间通常需要不同级别的可获得功率。本技术的实施例被配置为通过用HEATMS 1004监测和控制热管理动力总成系统1000来控制该系统，以及时准确和一致地提供所需的功率水平。可以使用非暂时性计算机可读存储介质通过一个或多个计算机系统(例如控制器2302(图2))来监视和控制HEATMS 1004，该非暂时性计算机可读存储介质被编码有计算机程序，该计算机程序包括指令，该指令由处理器执行来创建，操作，或运行HEATMS应用2300。在一些实施例中，如图8所示，HEATMS应用2300可以包括第一传感器数据模块2304，该第一传感器数据模块2304从传感器2306接收传感器数据，该传感器2306可以在飞行器10上(图1)和/或在飞行器外部或远处。第二功率控制模块2308耦合到第一模块2304，以接收传感器数据并基于传感器数据确定外围电功率输出；主电功率输出；电池功率输出，泵功率，泵流体流率，或前述的任意组合。
在一些实施例中，传感器数据模块2304耦合到多个传感器2306(例如压电，光学，无线电，或其它传感器)和/或飞行器的组件，并且接收到的感测数据包括，例如，周围环境空气温度，周围环境空气压力，飞行器速度，飞行器高度，飞行器GNSS位置，外围电功率单元输出电压，外围电功率单元输出电流，空气入口流率，空气入口温度，空气入口压力，空气/水出口流率，空气/水出口温度，空气/水出口压力，氢入口流率，氢入口温度，氢入口压力，减速器温度，压缩机入口流率，压缩机入口温度，压缩机入口压力，压缩机出口流率，压缩机出口温度，压缩机出口压力，涡轮机入口流率，涡轮机入口温度，涡轮机入口压力，涡轮机出口流率，涡轮机出口温度，涡轮机出口压力，螺旋桨转速，散热器冷却流体入口温度，散热器冷却流体出口温度，飞行管理系统(FMS)飞行路径，飞行管理系统(FMS)状态，或其任意组合。在一些实施例中，模块从传感器数据中确定外围电功率输出，主电功率输出，电池功率输出，泵功率，泵流体流率，飞行员控制，或其任意组合，其可包括通过一个或多个机器学习算法的传感器数据。
在一些实施例中，根据图9，HEATMS应用2300可以具有耦合到第一传感器数据模块2304和功率控制模块2308的预测模块2310，其中预测模块2310被配置为基于感测数据确定预测的飞行事件。在一些实施例中，HEATMS应用2300的预测模块2310通过机器学习算法从感测数据确定一个或多个预测的飞行事件。例如，如图10所示，预测模块2310可以被配置为在2320处从传感器数据模块接收感测数据，并将感测数据提供给2322处的训练数据集和2324处的测试数据集。在2326处将训练数据集提供给机器学习算法进行分析，其在2328处提供评估结果。测试数据集也被提供给机器学习算法，以便在2328处进行评估。然后，机器学习算法在2320处输出模型，其也在2332处接收产出数据，并且模型在2334处输出一个或多个预测的飞行事件。该预测输出可由HEATMS应用2300用于控制动力总成组件。例如，HEATMS应用2300可以基于预测的飞行事件确定外围电功率输出，主电功率输出，电池功率输出，泵功率，泵流体流率，或其任意组合。在一些实施例中，预测的飞行事件是启动事件，滑行事件，起飞事件，巡航事件，爬升事件，下降事件，着陆事件，停机事件，或其任意组合。
根据图11，HEATMS应用2300基于感测数据预测滑行事件3001，起飞事件3002，巡航事件3003，爬升事件3004，下降事件3005，着陆事件3006，和停止事件3007。除了对事件进行预测之外，HEATMS应用2300还基于从传感器感测的数据预测当前功耗，相关飞行器组件或系统的预期功率需要，和/或与当前或预测事件相关的功率需要的时间。在一些实施例中，一旦预测到起飞事件3002，HEATMS应用2300开始预期起飞程序3010，该预期起飞程序3010增加流向燃料电池堆2103的空气流速。在一些实施例中，一旦预测到爬升事件3004，HEATMS应用2300开始预期爬升程序3020，该预期爬升程序3020增加流向燃料电池堆2103的空气流速。在一些实施例中，一旦预测到着陆事件3006，HEATMS应用2300开始预期着陆程序3030，该预期着陆程序3030增加流向燃料电池堆的空气流速。HEATMS应用2300还可以使用可以影响功率需要和功率使用的其他感测到的系统或组件数据和/或环境数据，操作数据等，以便定义预期程序的特定序列或方面。在一些实施例中，程序包括一个或多个外围电功率输出，主电功率输出，电池功率输出，泵功率，或泵流体流率。
在一些实施例中，HEATMS应用2300基于即时功率需要和/或基于应用预测的预期功率需要增加进入燃料电池堆2103的流体流率以增加其电功率输出。在一些实施例中，为了增加流向燃料电池堆2103的流体流率，HEATMS应用2300增加了传输到第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者的机械功率。在一些实施例中，第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者基于电池2109，外围电功率单元2110，或两者提供的功率量接收增加的功率。在一些实施例中，HEATMS应用2300增加由电池2109，外围电功率单元2110，或两者提供的功率量，以增加传输到第一压缩机2112，第二压缩机2108，或两者的机械功率，从而以足够快的速率增加进入燃料电池堆2103的流体流率，以减少电功率输出的任何滞后。
HEATMS应用2300可以预期所需的燃料电池堆的电功率输出的增加并控制传输到第一压缩机2112，电池2109，外围电功率单元2110，或其任意组合的机械功率，以减少电功率输出滞后。当燃料电池堆2103的电功率输出恒定或预测为恒定时，它向电池2109充电。
在一些实施例中，通过涡轮机2104，燃料电池堆2103，或两者的排放水或其它流体可以被释放到大气中，例如通过将排放水喷到散热器2102上进行蒸发冷却，如上所述。或者，排放水或其它排放流体可以通过流体子系统2106的排放口2107被释放(图2)。然而，在某些大气状况下，这种排放水会形成凝结尾迹，这被认为导致全球变暖，因此想要防止凝结尾迹。因此，HEATMS应用2300可以被配置为确定飞行器将操作的当前和/或预期的环境，操作，和/或大气状况，并在应用至少部分地基于预期的环境，操作，和/或大气状况确定凝结尾迹不会形成时将这种流体引导到排放口2107。当HEATMS应用2300至少部分地基于预期的环境，操作，和/或大气状况确定凝结尾迹可能形成时，应用被配置为向上面讨论的配水系统提供指令以激活阀门来阻止喷杆2121的排放水，并将排放流体引导到流体储存子系统2106的储罐2050进行临时存储，至少直到不再检测到凝结尾迹状况。在一些实施例中，一旦检测到无凝结尾迹形成的大气状况，HEATMS应用2300可以引导流体储存以将流体释放到排放口2107。HEATMS应用还被配置为优化排放水的使用，不仅可以避免凝结尾迹和除冰，还可以通过在冷却需求低时(例如下降期间)临时储存排放水来最大限度地提高冷却性能，使得储存的排放水可以在冷却需求高的事件中(例如起飞期间)补充实时产生的排放水。
在一些实施例中，由燃料电池堆2103，涡轮机2104，或两者传输的排放水和/或加热的空气或其它流体通常具有在约65℃和85℃范围内的温度。在一些实施例中，HEATMS应用2300确定飞行器预计或预期操作的流体温度和其它操作，环境，或大气状况，并且HEATMS应用2300可以将一些或部分加热的流体引导到喷杆2121和/或一个或多个所选择的外围飞行器系统或组件。例如，当HEATMS应用2300确定和/或预测飞行器将在可以导致机翼前缘或其他升力表面结冰的状况下操作，HEATMS应用2300可以激活控制器2302，以将加热的流体从燃料电池堆2103，涡轮机2104，或两者通过机翼前缘部分或其他升力表面的除冰系统，以便对表面除冰，或防止结冰，或两者。这种防结冰可以取代要求电能并增加传统飞行器系统重量的替代专用传统除冰组件。在一些实施例中，由燃料电池堆2103和涡轮机2104产生的一些或所有加热的排放水和加热的空气可以被引导到飞行器的不同部分或组件。例如，加热的排放水可以被引导到喷杆2121，其他加热的空气可以被捕获并被引导到飞行器除冰系统的一个或多个部分。
在一些实施例中，HEATMS应用2300可以被配置为基于例如马达转速，马达扭矩，输入电压，输入电流，系统温度，或其任意组合来改变传输给外围电功率单元的功率量。在一些实施例中，HEATMS应用可以被配置为基于马达转速，马达扭矩，输入电压，输入电流，系统温度，或其任何组合，以及飞行器动力总成和其它组件的当前和/或预测的操作状况和功率需要来改变传输给主电功率单元2114的功率量。
包含电-水-热管理系统的交通工具
根据图8，本文提供的另一方面是包括燃料电池堆2102，电功率单元2103，第一压缩机2108，第二压缩机2108，和外围功率单元2110的交通工具2700。在一些实施例中，交通工具2700还包括电动马达逆变器2701。在一些实施例中，交通工具2700还包括散热器2702。在一些实施例中，交通工具2700还包括辅助电池2703。在一些实施例中，交通工具2700是飞机。
一个或多个交通工具可包括例如飞机和/或飞行器。飞行器可以包括任何大小或类别的民用涡轮喷气飞行器，例如，宽体涡轮喷气飞行器，窄体涡轮喷气飞行器，支线涡轮喷气飞行器，和/或商用涡轮喷气飞行器。飞行器可以包括任何大小或类别的民用涡轮螺旋桨或活塞动力飞行器，例如支线涡轮螺旋桨和活塞动力飞行器，通勤涡轮螺旋桨和活塞动力飞行器，和/或任何其他类型的涡轮螺旋桨或活塞动力飞行器。飞行器可以包括任何大小或类别的军用涡轮喷气飞行器，或任何大小或类别的军用涡轮螺旋桨和活塞动力飞行器。飞行器可以包括被配置用于长途飞行，中途飞行，和/或短途飞行的飞行器。在一些例子中，飞行器可以包括例如商用飞机，例如大型客机，中型客机，轻型客机，客机涡轮螺旋桨飞行器，和/或货运飞机。在其他例子中，飞行器可包括私人喷气式飞行器，包括例如超轻型喷气式飞机，轻型商务喷气式飞机，中型商务喷气式飞机，重型商务喷气式飞机，或军用喷气式飞机。或者，飞行器可以包括私人单引擎飞机，双涡轮螺旋桨飞机，特技飞行飞机，或水陆两用飞机。在一些例子中，飞行器可以包括垂直起降(VTOL)飞行器。在其他例子中，飞行器可以包括一个或多个短程飞机(air taxis)。本公开的系统和方法可以被修改和/或适用于任何类型的飞行器或空中交通工具。
在一些实施例中，飞行器可以包括旋翼飞行器，例如直升机。旋翼飞行器可以是可包括多个旋翼的多旋翼飞行器。多个旋翼能够旋转以为旋翼飞行器生成升力。旋翼可以是推进单元，其可以使旋翼飞行器在空中自由移动。旋翼可以以相同的速率旋转和/或可以生成相同量的升力或推力。旋翼可以可选地以不同的速率旋转，这可以生成不同量的升力或推力和/或允许旋翼飞行器旋转。在一些情况下，一个，两个，三个，四个，五个，六个，七个，八个，九个，十个，或更多旋翼可以被提供在旋翼飞行器上。旋翼可以被布置成使得它们的旋转轴线彼此平行。在一些情况下，旋翼可具有相对于彼此成任何角度的旋转轴线，其可影响旋翼飞行器的运动。
飞行器可以是有人驾驶的(即，由飞行器上或飞行器内的乘客操作)。飞行器可以是无人驾驶的(即，由不在飞行器上或飞行器内的个人操作)。飞行器可以是自主的或半自主的。飞行器可以能够响应来自遥控器的命令。遥控器可以不也不需要被物理连接到飞行器，并且可以从远处无线地与飞行器通信。飞行器可以能够自主或半自主地运行。飞行器可以能够遵循一组预编程的指令。飞行器可以通过响应来自遥控器的一个或多个命令而半自主地操作，同时以其他方式自主地操作。例如，来自遥控器的一个或多个命令可以启动飞行器根据一个或多个参数的一系列自主或半自主动作。
在一些例子中，一个或多个交通工具2000可以包括陆上，地下，水下，水面，空中，或天基交通工具。一个或多个交通工具2000可以被配置为在任何合适的环境中移动，例如在空中(例如，固定翼飞行器，旋翼飞行器，或既没有固定翼也没有旋翼的飞行器(例如热气球或飞艇))，水中(例如轮船或潜艇)，地面(例如机动交通工具，例如汽车，卡车，公共汽车，面包车，摩托车，自行车，或火车)，地下(例如地铁)，太空(例如太空飞行器，卫星，或探测器)，或这些环境的任意组合。
一个或多个交通工具能够在环境内相对于六个自由轴(例如，三个平移自由轴和三个旋转自由轴)自由移动。替代地，一个或多个交通工具的运动可以相对于一个或多个自由轴线被约束，例如通过预定路径，轨迹，或方向。该运动可由任何合适的致动机制致动，例如发动机，马达，或如下所述的氢电推进系统。一个或多个交通工具的致动机制可以由任何合适的能源提供电力，例如氢，或任何可从氢获得的能源，例如电能。一个或多个交通工具可以经由推进系统自行推进，如本文其他地方所述。
在一些情况下，一个或多个交通工具可以是自行推进的，例如在空中，水上或水中，太空中，或地上或地下自行推进。自推进交通工具可以利用推进系统，例如包括一个或多个发动机，马达，轮子，轴，磁体，旋翼，螺旋桨，叶片，喷嘴，或其任何合适组合的推进系统。推进系统可用于使一个或多个交通工具能够从表面起飞，降落在表面上，保持其当前位置和/或方向(例如悬停)，改变方向，和/或改变位置。
推进系统可以包括一个或多个推进机制。一个或多个推进机制可以包括转子，螺旋桨，叶片，发动机，马达，轮子，轴，磁体，或喷嘴中的一个或多个。本文所述的交通工具可以具有一个或更多个，两个或更多个，三个或更多个，或四个或更多个推进机制。推进机制可能都是同一类型。或者，一个或多个推进机制可以是不同类型的推进机制。可以使用任何合适的方式将推进机制安装在交通工具上。推进机制可以被安装在交通工具的任何合适的部分上，例如顶部，底部，前部，后部，侧面，或其合适的组合。
在一些实施例中，推进机制可以使交通工具2000能够从表面垂直起飞或垂直降落在表面上而无需交通工具的任何水平运动(例如，无需沿着跑道行驶)。一个或多个交通工具的运动可以由任何合适的致动机制致动，例如发动机或马达。一个或多个交通工具的致动机制可以由任何合适的能源提供电力，例如使用一个或多个燃料电池生成的电能。交通工具可以经由推进系统被自行推进。一个或多个推进机制可以独立于其他推进机制而被控制。或者，推进机制可以被配置为被同时控制。
一个或多个交通工具可由用户远程控制或由一个或多个交通工具内或上的乘员本地控制。在一些实施例中，一个或多个交通工具可以是无人驾驶的可移动物体，例如UAV。无人驾驶的可移动物体，例如UAV，可以没有乘员在无人驾驶的可移动物体上。无人驾驶的可移动物体可由人或自主控制系统(例如，计算机控制系统)或其任何合适的组合来控制。无人驾驶可移动物体可以是自主或半自主机器人，例如被配置有人工智能的机器人。
一个或多个交通工具可以具有任何合适的大小和/或尺寸。在一些实施例中，一个或多个交通工具的大小和/或尺寸可以使人类乘员在交通工具内或交通工具上。或者，一个或多个交通工具的大小和/或尺寸可以小于能够使人类乘员在交通工具内或交通工具上的大小和/或尺寸。在一些情况下，一个或多个交通工具的最大尺寸(例如，长度，宽度，高度，直径，对角线)可为约1m，2m，3m，4m，5m，10m，20m，30m，40m，50m，或更大。在一些实施例中，一个或多个交通工具可以被配置为承载负载。负载可包括一个或多个乘客，货物，设备，仪器，燃料存储模块等。
图12示出了被编程或被配置以实现无碳运输的方法的计算机系统2001。该方法可以包括确定对氢燃料储存模块的需求，并协调将一个或多个氢燃料储存模块输送或运输到位于一个或多个交通工具加燃料站点处或附近的一个或多个氢燃料兼容交通工具。计算机系统2001可以是用户的电子设备或相对于电子设备位于远处的计算机系统。电子设备可以是移动电子设备。
计算机系统2001可以包括中央处理单元(CPU，本文也称为“处理器”和“计算机处理器”)2005，其可以是单核或多核处理器，或用于并行处理的多个处理器。一个或多个实施例的CPU 2005或计算机系统2001的其他部分还具有实时操作系统，该实时操作系统被配置为在定义的时间并按照顺序执行指令。计算机系统2001还包括存储器或存储位置2010(例如随机存取存储器，只读存储器，闪存)，电子存储单元2015(例如硬盘)，用于与一个或多个其他系统通信的通信接口2020(例如网络适配器)，和外围设备2025，例如高速缓存，其他存储器，数据存储器，和/或电子显示适配器。存储器2010，存储单元2015，接口2020，和外围设备2025通过诸如主板的通信总线(实线)与CPU 2005通信。存储单元2015可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。计算机系统2001可以在通信接口2020的帮助下被可操作地耦合到计算机网络(“网络”)2030。网络2030可以是因特网，内联网和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。网络2030在一些例子中是电信和/或数据网络。网络2030可以包括一个或多个计算机服务器，其可以实现分布式计算，例如云计算。网络2030，在一些例子中在计算机系统2001的帮助下，可以实现对等网络，这可以使被耦合到计算机系统2001的设备能够充当客户端或服务器。
CPU 2005可以执行一系列机器可读指令，这些指令可以被体现在程序或软件中。指令可以被存储在存储器位置，例如存储器2010。指令可以被引导至CPU 2005，其随后可以编程或以其他方式配置CPU 2005以实现本公开的方法。CPU 2005执行的操作示例可以包括提取，解码，执行，和写回。
CPU 2005可以是电路的一部分，例如集成电路。系统2001的一个或多个其他组件可以被包括在该电路中。在一些例子中，电路是专用集成电路(ASIC)。
存储单元2015可以存储文件，例如驱动器，库，和所保存的程序。存储单元2015可以存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。在一些例子中的计算机系统2001可以包括一个或多个位于计算机系统2001外部(例如，在通过内联网或因特网与计算机系统2001通信的远程服务器上)的附加数据存储单元。
计算机系统2001可以通过网络2030与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统2001可以与用户的远程计算机系统通信(例如，氢燃料兼容交通工具的操作员，用于运输一个或多个氢燃料存储模块的运输交通工具的操作员，氢生产设施的技术人员，管理氢燃料电池输送和分配的准时网络的实体等)。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如便携式PC)，无键盘电脑或平板电脑(例如
Figure BDA0004088896340000311
iPad，
Figure BDA0004088896340000312
Galaxy Tab)，电话，智能手机(例如
Figure BDA0004088896340000313
iPhone，Android使能设备，
Figure BDA0004088896340000321
)，或个人数字助理。用户可以经由网络2030访问计算机系统2001。
本文描述的方法可以通过被存储在计算机系统2001的电子存储位置上(例如在存储器2010或电子存储单元2015上)的机器(例如，计算机处理器)的可执行代码的方式来实现。机器可执行代码或机器可读代码可以以软件的形式被提供。在使用过程中，代码可以由处理器2005被执行。在一些例子中，代码可以被从存储单元2015中获得并被存储在存储器2010上以供处理器2005随时访问。在一些情况下，电子存储单元2015可以被排除，并且机器可执行指令被存储在存储器2010中。
代码可以被预编译和配置以与具有适于执行代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行期间被编译。代码可以以一种编程语言被提供，该语言可以被选择以使代码能够以预编译或编译后的方式执行。
本文提供的系统和方法的各方面，例如计算机系统2001，可以在编程中被体现。该技术的多个方面可以被认为是“产品”或“制造品”，通常以机器(或处理器)可执行代码和/或在一种类型的机器可读介质中承载或体现的关联数据的形式。机器可执行代码可以被存储在电子存储单元上，例如存储器(例如，只读存储器，随机存取存储器，闪存)或硬盘。“存储”类型的介质可以包括计算机，处理器等的任何或所有有形存储器，或其相关联模块，例如多种半导体存储器，磁带驱动器，磁盘驱动器等，它们可以提供随时用于软件编程的非暂时性存储。有时可能会通过因特网或多种其他电信网络传送全部或部分软件。这样的通信例如可以使得能够将软件从一台计算机或处理器加载到另一台计算机或处理器中，例如从管理服务器或主计算机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，可以携带软件元件的另一种类型的介质包括光波，电波，和电磁波，它们可以跨本地设备之间的物理接口，通过有线和光陆线网络，以及通过多种空中链路被传输。承载这种波的物理元件，例如有线或无线链路，光链路等，也可以被认为是携带软件的介质。如本文所用，除非被限于非暂时性，有形“存储”介质，诸如计算机或机器“可读介质”之类的术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码的机器可读介质可以采用多种形式，包括但不限于有形存储介质，载波介质，或物理传输介质。可以使用非易失性存储介质，包括例如光盘或磁盘，或任何计算机中的任何存储设备等，来实现图中所示的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，例如这种计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括计算机系统内总线的电线。载波传输介质可以采用电信号或电磁信号，或声波或光波的形式，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘，软磁盘，硬盘，磁带，任何其他磁性介质，CD-ROM，DVD或DVD-ROM，任何其他光学介质，穿孔卡纸磁带，任何其他带有孔图案的物理存储介质，RAM，ROM，PROM和EPROM，FLASH-EPROM，任何其他存储芯片或盒式磁带，传输数据或指令的载波，传输此类载波的电缆或链路，或计算机可以从中读取程序代码和/或数据的任何其他介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可以涉及承载一个或多个指令的一个或多个序列到处理器以供执行。
计算机系统2001可以包括电子显示器2035或与电子显示器2035通信，电子显示器2035包括用户界面(UI)2040，用于提供例如用于监测一个或多个氢燃料存储模块的运输或使用的门户。该门户可以通过应用程序编程接口(API)被提供。用户或实体还可以经由UI与门户中的多种元素进行交互。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。
数据库
在一些实施例中，本文公开的平台，系统，介质，和方法包括一个或多个数据库，或其使用。鉴于本文提供的公开，本领域技术人员将认识到许多数据库适用于存储和获得飞行数据，天气数据，轨迹数据，性能曲线，或任何其他航空信息。在多种实施例中，适合的数据库以非限制性示例的方式包括关系数据库，非关系数据库，面向对象数据库，对象数据库，实体关系模型数据库，关联数据库，和XML数据库。其他非限制示例包括SQL，PostgreSQL，MySQL，Oracle，DB2，和Sybase。在一些实施例中，数据库是基于因特网的。在进一步的实施例中，数据库是基于网络的。在更进一步的实施例中，数据库是基于云计算的。在特定实施例中，数据库是分布式数据库。在其它实施例中，数据库基于一个或多个本地计算机存储设备。
机器学习
在一些实施例中，机器学习算法被用来帮助确定向热管理动力总成系统1000的组件提供多少热量，水，冷却剂，油，或其任意组合。在一些实施例中，机器学习算法被用来帮助确定以何种速度或齿轮比运行热管理动力总成系统1000的组件。在一些实施例中，机器学习算法采用高度，速度，外部温度，内部温度，或其任意组合来确定热管理动力总成系统1000的最佳操作参数。在一些实施例中，机器学习算法用于优化动力总成1002和/或HEATMS1004的性能。
在一些实施例中，本文中的机器学习算法是基于在测试热管理动力总成系统1000或其组件时收集的数据，一种或多种形式的标签，包括但不限于人工注释标签和半监督标签，远程监督(distant supervision)，回归建模，或其任意组合进行教导的。人工注释标签可以由手动启发式提供。半监督标签可以使用聚类来确定。半监督标签可以使用XGBoost，神经网络，或两者。
远程监督方法可以创建以小型手动注释训练集为种子的大型训练集。远程监督方法可以包括正-无标记(positive-unlabeled)学习，训练集为“正”类。远程监督方法可以采用逻辑回归模型，递归神经网络，或两者。递归神经网络对于自然语言处理(NLP)机器学习是有益的。
机器学习算法的示例可以包括支持向量机(SVM)，朴素贝叶斯分类，随机森林，神经网络，深度学习，或其它监督学习算法或用于分类和回归的无监督学习算法。可以使用一个或多个训练数据集训练机器学习算法。
在一些实施例中，机器学习算法利用回归建模，其中预测变量和因变量之间的关系被确定和加权。
在一些实施例中，机器学习算法用于选择目录图像并推荐项目范围。多元线性回归模型算法的非限制示例如下所示：概率＝A0+A1(X1)+A2(X2)+A3(X3)+A4(X4)+A5(X5)+A6(X6)+A7(X7)...其中Ai(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,…)是在回归建模过程中发现的“权重”或系数；以及Xi(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,...)是从用户收集的数据。模型中可以包含任意数量的Ai和Xi变量。在一些实施例中，使用编程语言“R”运行模型。
在一些实施例中，训练包括多个步骤。第一步中，通过将概率权重分配给预测变量来构建初始模型。第二步中，使用初始模型“推荐”性能特征。第一步，第二步，和第三步中的至少一个可以连续或以设定的间隔重复一次或多次。
术语和定义
除非另有定义，本文中使用的所有技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员所普遍理解的含义相同的含义。
本文所用的术语“实时”通常是指第一事件或动作相对于第二事件或动作的发生而同时发生或基本上同时发生。实时动作或事件可以在小于以下一项或多项的响应时间内执行：十秒，五秒，一秒，十分之一秒，百分之一秒，一毫秒，或相对于至少另一个事件或动作更短。实时动作可以由一个或多个计算机处理器执行。
每当术语“至少”，“大于”，或“大于或等于”出现在一系列两个或更多数值中的第一个数值之前时，术语“至少”，“大于”，或“大于或等于”应用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1，2，或3相当于大于或等于1，大于或等于2，或大于或等于3。
每当术语“不超过”，“小于”，或“小于或等于”出现在一系列两个或更多数值中的第一个数值之前，术语“不超过”，“小于”，或“小于或等于”应用于该系列数值中的每个数值。例如，小于或等于3，2，或1相当于小于或等于3，小于或等于2，或小于或等于1。
如本文所用，除非上下文另有明确规定，单数形式“一(a)”，“一(an)”，和“所述(the)”包括复数的提及。除非另有说明，否则本文对“或”的任何提及均旨在包含“和/或”。
如本文所用，术语“约”在一些情况下是指大约是所述量的量。
如本文所用，术语“约”是指接近所述量10％，5％，或1％的量，包括其中的增量。
如本文所用，提及百分比的术语“约”是指大于或小于所述百分比10％，5％，或1％的量，包括其中的增量。
如本文所用，短语“至少一个”，“一个或多个”，和“和/或”是开放式表达，其在操作中既是合取的又是析取的。例如，表达式“A，B，和C中的至少一个”，“A，B，或C中的至少一个”，“A，B，和C中的一个或多个”，“A，B，或C中的一个或多个”，和“A，B，和/或C”中的每一个表示单独A，单独B，单独C，A和B，A和C，B和C，或A，B，和C。
虽然本文已经显示和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显然的是，这些实施例仅以示例的方式被提供。并非旨在将本发明由说明书内提供的具体示例的限制。尽管已经参考前述说明书描述了本发明，但是本文的实施例的描述和图示不意味着以限制意义来解释。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化，改变，和替换。此外，应当理解，本发明的所有方面并不限于本文所述的取决于多种条件和变量的具体描述，配置，或相对比例。应当理解，在实施本发明时可以采用本文描述的本发明实施例的多种替代方案。因此，考虑本发明还应涵盖任何此类替代，修改，变化，或等同物。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并且这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构由此被覆盖。

Claims (23)

1.一种用于优化具有氢驱动混合电动动力总成的空中交通工具的操作的方法，所述方法包括：
向一个或多个燃料电池堆提供氢燃料；
将第一空气量引导到由所述氢燃料提供功率的所述一个或多个燃料电池堆，并产生至少供所述氢驱动混合电动动力总成的电动马达使用的第一电功率输出；
使用所产生的电功率操作所述电动马达，其中将所产生的电功率提供给所述电动马达而不通过DC-DC转换器和/或被存储在电池中；
预测所述电动马达操作期间所述动力总成的电功率需求的一个或多个变化；
控制流向所述一个或多个燃料电池堆的空气流量以至少部分地基于所述动力总成的所述电功率需求的一个或多个预测变化将第二空气量引导到所述一个或多个燃料电池堆，其中所述第一空气量不同于提供给所述一个或多个燃料电池堆的所述第二空气量；和
在预测的电功率需求发生之前向所述一个或多个燃料电池堆提供第二空气量，以便在所述动力总成的预测电功率需求发生时或之前由所述一个或多个燃料电池堆产生第二电功率输出，其中所述第二电功率输出不同于所述第一电功率输出，从而减少将所述电功率输送到所述动力总成的所述电动马达的瞬态周期。
2.如权利要求1所述的方法，其中部分地通过控制将空气流引导到所述一个或多个燃料电池堆的一个或多个压缩机的机械功率来控制所述空气流量。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个压缩机至少部分地由外围电功率单元提供功率。
4.如权利要求1所述的方法，其中一次向所述一个或多个燃料电池堆提供第二空气量，使得在预测的电功率输出需求发生之前，所述一个或多个燃料电池堆提供足够的电功率以满足预测的电功率需求。
5.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于以下一项或多项预测所述动力总成的电功率需求的一个或多个变化：
来自所述空中交通工具的飞行员的一个或多个输入；
所述空中交通工具的当前，上一个，或下一个位置；
包含多个空间坐标的飞行路径；或
大气天气状况。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个燃料电池堆和所述电动马达耦合到一个或多个散热器，以消散至少由所述一个或多个燃料电池堆和所述电动马达产生的热量，并且其中所述一个或多个燃料电池堆在产生产生的电功率时产生排放水，所述方法还包括将所述排放水施加到所述一个或多个散热器进行蒸发冷却，以消散至少由所述一个或多个燃料电池堆和所述电动马达产生的热量。
7.如权利要求6所述的方法，其中将排放水施加到所述一个或多个散热器包括将所述排放水喷到所述一个或多个散热器上。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用(1)所述空中交通工具上的一个或多个传感器，和(2)来自一个或多个其他飞行器的数据和自动观测结果中的至少一项来检测飞行器操作环境中的第一组大气状况，该第一组大气状况表明在所述环境中释放一个或多个燃料电池堆产生的排放水时所述空中交通工具的凝结尾迹形成会发生；和
临时储存所述空中交通工具上的所述排放水，以当所述空中交通工具在第一组大气状况下在所述环境中航行时阻止所述凝结尾迹形成。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
在不太可能引起所述空中交通工具的所述凝结尾迹形成的所述环境中检测第二组大气状况；和
当所述空中交通工具在所述环境中航行而不形成凝结尾迹时，将储存的排放水从所述空中交通工具释放到所述环境中。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：
所述一个或多个燃料电池堆产生的到所述空中交通工具的一个或多个表面部分的被引导的热量；和
使用被引导的热量防止所述空中交通工具的一个或多个表面部分结冰。
11.一种用于氢驱动交通工具的热管理氢驱动混合电动动力总成系统，所述系统包括：
一个或多个燃料电池堆，该一个或多个燃料电池堆包括多个氢燃料电池，该多个氢燃料电池被配置为处理氢燃料以产生电，第一热能，和排放水；
一个或多个主电功率单元，该一个或多个主电功率单元接收所述一个或多个燃料电池堆产生的所述电，其中将所述电从所述一个或多个燃料电池堆提供给所述一个或多个主电功率单元而不通过DC-DC转换器和/或被存储在电池中，并且其中所述一个或多个主电功率单元产生第二热能；
一个或多个散热器，该一个或多个散热器被配置为接收所述第一和第二热量并对其进行热消散；
一个或多个泵，该一个或多个泵被配置为将冷却剂传输给所述一个或多个散热器；
一个或多个燃料电池堆，该一个或多个燃料电池堆被配置为将热能传输给所述一个或多个散热器；
主电功率单元，该主电功率单元被配置为将所述热能传输给所述一个或多个散热器并从所述一个或多个燃料电池堆接收电功率；
涡轮机，该涡轮机被配置为从所述一个或多个燃料电池堆接收第一机械功率；
第二压缩机，该第二压缩机被配置为从所述涡轮机接收所述机械功率并将第一压缩空气引导到所述涡轮机和所述一个或多个燃料电池堆；
第一压缩机，该第一压缩机被配置为向所述第二压缩机提供第二压缩空气；和
配水系统，该配水系统被配置为接收所述一个或多个燃料电池堆产生的所述排放水并将所述排放水引导到排放出口。
12.如权利要求11所述的系统，还包括1)减速器，该减速器耦合到所述主电功率单元并且被配置为将热能传输给所述一个或多个泵并从所述主电功率单元接收机械功率；和2)外围电功率单元，该外围电功率单元被配置为将所述热能传输给所述一个或多个泵，其中所述第一压缩机从所述外围电功率单元接收功率。
13.如权利要求11所述的系统，还包括被配置为向所述第一压缩机提供电功率的外围电功率单元，并且包括被配置为接收从所述一个或多个燃料电池堆产生的所述电功率并将所述电功率传输给所述外围电功率单元的电池，其中所述电池不向所述主电功率单元提供电功率。
14.如权利要求11所述的系统，其中由所述至少一个燃料电池堆产生的所述排放水的至少一部分通过所述涡轮机，并且所述涡轮机被配置为将所述排放水引导到所述配水系统。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述涡轮机被配置为进一步将流体传输到排放口。
16.如权利要求11所述的系统，还包括除冰系统，该除冰系统被配置为从所述涡轮机接收流体。
17.如权利要求11所述的系统，其中所述配水系统包括喷杆，该喷杆形成所述排放出口并被配置为将所述排放水引导到所述散热器上。
18.如权利要求11所述的系统，还包括氢驱动动力总成和被配置为控制和管理由所述氢驱动动力总成产生的热能的水-电-气-热管理系统(HEATMS)。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述HEATMS被配置为：
在所述主电功率单元操作期间预测所述氢驱动动力总成的电功率需求的一个或多个变化；
控制流向所述一个或多个燃料电池堆的空气质量流率的量，以至少部分地基于所述动力总成的所述电功率需求的一个或多个预测变化将空气量引导到所述一个或多个燃料电池堆；和
在所述预测电功率需求发生之前向所述一个或多个燃料电池堆提供所述空气量，以在所述动力总成的所述预测电功率需求发生时或之前由所述一个或多个燃料电池堆产生电功率输出，其中所述电功率输出的时间被设置以减少将所述电功率输送到所述主电功率单元的瞬态周期。
20.一种飞行器，该飞行器包括至少一个氢驱动动力装置，该至少一个氢驱动动力装置具有热管理混合电动动力总成系统，所述系统包括：
一个或多个燃料电池堆，该一个或多个燃料电池堆包括多个氢燃料电池，该多个氢燃料电池被配置为处理氢燃料以产生电，第一热能，和排放水；
一个或多个主电功率单元，该一个或多个主电功率单元接收所述一个或多个燃料电池堆产生的所述电，其中将所述电从所述一个或多个燃料电池堆提供给所述一个或多个主电功率单元而不通过DC-DC转换器和/或被存储在电池中，并且其中所述一个或多个主电功率单元产生第二热能；
一个或多个散热器，该一个或多个散热器被配置为接收所述第一和第二热量并对其进行热消散；
一个或多个泵，该一个或多个泵被配置为将冷却剂传输给所述一个或多个散热器；
一个或多个燃料电池堆，该一个或多个燃料电池堆被配置为将热能传输给所述一个或多个散热器；
主电功率单元，该主电功率单元被配置为将所述热能传输给所述一个或多个散热器并从所述一个或多个燃料电池堆接收电功率；
减速器，该减速器被配置为将所述热能传输给所述一个或多个泵并从所述主电功率单元接收机械功率；
外围电功率单元，该外围电功率单元被配置为将所述热能传输给所述一个或多个泵；
涡轮机，该涡轮机被配置为从所述一个或多个燃料电池堆接收第一机械功率；
第二压缩机，该第二压缩机被配置为从所述涡轮机接收所述机械功率并将第一压缩空气引导到所述涡轮机和所述一个或多个燃料电池堆；
第一压缩机，该第一压缩机被配置为向所述第二压缩机提供第二压缩空气；和
配水系统，该配水系统被配置为接收所述一个或多个燃料电池堆产生的所述排放水并将所述排放水引导到排放出口。
21.一种被编码有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质，该计算机程序包括指令，该指令可由处理器执行以创建水-电-气-热管理系统(HEATMS)应用，该应用包括：
第一模块，该第一模块被配置为接收传感器数据；
第二模块，该第二模块被配置为基于所述传感器数据确定：
外围电功率输出；
主电功率输出；
电池功率输出；和
泵功率，泵流体流率，或两者。
22.如权利要求20所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中所述感测数据包括周围环境空气温度，周围环境空气压力，飞行器速度，飞行器高度，飞行器GPS位置，外围电功率单元输出电压，外围电功率单元输出电流，空气入口流率，空气入口温度，空气入口压力，空气/水出口流率，空气/水出口温度，空气/水出口压力，氢入口流率，氢入口温度，氢入口压力，减速器温度，压缩机入口流率，压缩机入口温度，压缩机入口压力，压缩机出口流率，压缩机出口温度，压缩机出口压力，涡轮机入口流率，涡轮机入口温度，涡轮机入口压力，涡轮机出口流率，涡轮机出口温度，涡轮机出口压力，螺旋桨转速，散热器冷却流体入口温度，散热器冷却流体出口温度，飞行员控制，或其任意组合。
23.如权利要求24所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中所述第二模块被配置为使用机器学习算法从所述传感器数据确定所述外围电功率输出，所述主电功率输出，所述电池功率输出，所述泵功率，所述泵流体流率，或其任意组合。
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