CN116280223A - 具有可换电电池包的电动垂直起降飞机 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机，包括：机翼(200)，所述机翼(200)沿所述电动垂直起降飞机的左右方向延伸；电机臂(300)，所述电机臂(300)连接于所述机翼(200)，所述电机臂(300)用于安装电机和螺旋桨；以及电池包(400)，所述电池包(400)能够拆卸地连接于所述电机臂(300)和/或所述机翼(200)的下侧，所述电池包(400)为圆柱状，所述电池包(400)沿所述电动垂直起降飞机的前后方向延伸，所述电池包(400)是外露的。

Description

具有可换电电池包的电动垂直起降飞机

技术领域

本申请属于航空飞行器领域，特别涉及一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机。

背景技术

电动垂直起降(eVTOL-Electric Vertical Takeoff and Landing)飞机吸引了包括航空航天、汽车、运输、政府、军方以及学术界的广泛关注。电动垂直起降飞机可以应用于城市客运、区域客运、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等多种场景。

当前电动垂直起降飞机的主要挑战之一是电池技术。电动垂直起降飞机的航程、载重能力、控制裕度等关键性能指标是动力电池性能要求的来源。飞机需要完成垂直起降和长距离巡航，需要比能量和比功率都高的动力电池。目前电动垂直起降飞机使用的电池包括锂离子电池、锂硫电池和磷酸锂电池，这些电池不足以提供远程高功率飞行的电力。在电池技术短期内很难有本质提升的前提下，优化电池系统是提升飞机性能的重要工作之一。

现有电动垂直起降飞机将电池包安装到飞机的内部，可能的安装位置包括机身、机翼、电机臂等结构的内部。这样一来电池包与机身结构必须进行整体设计。同时，必须综合考虑重量、气动、结构布局等问题，在电池包和飞机结构之间进行平衡。

当前电池的能量密度水平导致电池是飞机上重量最大的设备，实现五百公里航程的电池包重量在几百公斤左右，满足机械环境和诱发环境的电池会大幅增加飞机的重量。电池无论安装在机体内的任何位置，都会显著影响该位置的其他部件的布置和结构，增加系统的复杂度。

在电池发生故障及热失控的情况下，在机身内安装电池还会对机身结构、机身内的其他设备和机上人员构成威胁，必须额外的进行防护及隔离设计。

电池的储电量较大，充电时间长，机身内的电池充电时间是限制飞机快速周转运行的最主要因素。虽然近年来新能源行业集中攻关快速充电技术，但是采用快充对电池进行补电会导致电池的快速温升，还需要额外配备冷却系统，使飞机额外增加了重量。综上所述，现有电池安装方式及补电方式，难以支撑飞机的快速周转运营。

发明内容

本申请旨在提出一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机，以解决或缓解现有电动垂直起降飞机的电池安装方式存在的问题。

本申请的实施方式提出一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机，包括：

机翼，所述机翼沿所述电动垂直起降飞机的左右方向延伸；

电机臂，所述电机臂连接于所述机翼，所述电机臂用于安装电机和螺旋桨；以及

电池包，所述电池包能够拆卸地连接于所述电机臂和/或所述机翼的下侧，所述电池包为圆柱状，所述电池包沿所述电动垂直起降飞机的前后方向延伸，所述电池包是外露的。

在至少一个可能的实施方式中，所述电动垂直起降飞机设置有多个所述电池包，多个所述电池包对称地设置于所述电动垂直起降飞机的左右两侧。

在至少一个可能的实施方式中，所述电池包包括蒙皮和加强框，所述蒙皮环绕所述加强框形成圆筒状，所述蒙皮的内部设置有电气附件盒，所述电气附件盒用于容纳电气附件，所述电气附件盒的横截面面积小于或等于所述蒙皮的横截面面积。

在至少一个可能的实施方式中，在所述电池包的轴向上，所述蒙皮的端部设置有整流罩。

在至少一个可能的实施方式中，所述整流罩包括前整流罩和后整流罩，所述前整流罩和所述后整流罩分别设置于所述蒙皮的前后两端。

在至少一个可能的实施方式中，所述蒙皮设置有维修口，所述维修口覆盖有维修口盖。

在至少一个可能的实施方式中，所述电池包包括电芯，所述电芯连接有手动维护开关，所述维修口对准所述手动维护开关。

在至少一个可能的实施方式中，所述电池包包括电气接口，所述电气接口通过快拆电气插接件连接于所述电机臂和/或所述机翼。

在至少一个可能的实施方式中，所述电池包能够拆卸地连接于所述电机臂的下侧，所述电机臂连接有多个吊耳，多个吊杆螺栓将所述电池包连接于所述多个吊耳。

在至少一个可能的实施方式中，所述电机臂和所述电池包通过定位销进行定位，所述定位销沿所述电动垂直起降飞机的高度方向延伸。

通过采用上述技术方案，本申请可以获得以下有益效果中的至少一个。

(1)降低了电池包和机身结构设计的难度。

电池包位于电机臂或机翼的外部，电池包不会占用电机臂或其他机身机构的内部空间，使电机臂的截面尺寸可以较小，也无需对机身结构进行额外的加强，电池包的设计与电机臂结构的设计解耦，降低了机身结构和电池包的设计复杂度和难度。

(2)提升飞机的安全性。

由于电池包远离飞机上重要的飞行功能结构，在电池包发生故障及热失控时，不会直接威胁飞行功能结构，提升了飞行的安全性。

(3)提升飞机的运行效率。

电池包更换方便、快速，可以在很短的时间内更换电池包，相比于充电补能的方式，大大的节省了时间，提升了飞机的运行效率。

(4)维修维护便利。

可以将电池包拆解离机后再进行详细地检查维护，使电池包周围的空间开敞，方便对电池包进行检查、维修、维护，维修维护更高效，程度更彻底。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施方式的电动垂直起降飞机的结构示意图。

图2示出了根据本申请的实施方式的电动垂直起降飞机的结构示意图。

图3示出了根据本申请的实施方式的电动垂直起降飞机的局部放大图。

图4示出了根据本申请的实施方式的电动垂直起降飞机的局部放大图。

图5和图6示出了根据本申请的实施方式的电动垂直起降飞机的电池包的内部结构示意图。

附图标记说明

100 机舱

200 机翼

300电机臂301吊耳302吊杆螺栓303定位销

400电池包

1蒙皮11上壳12下壳13维修口14接缝

2电芯21电池管理单元22电池控制单元23电气附件盒

3 加强框

4 整流罩

5电气接口51正极插座52负极插座53低压通讯插座

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

如图1至图6所示，本申请的实施方式提出一种具有可换电电池包的电动垂直起降(eVTOL-Electric Vertical Takeoff and Landing)飞机，其包括机舱100、机翼200、电机臂300和电池包400。

机翼200连接于机舱100并且从机舱100沿飞机的左右方向延伸、电机臂300连接于机翼200，电机臂300可以沿飞机的前后方向延伸，电机臂300用于安装驱动桨叶的电机。电池包400可以连接于电机臂300和/或机翼200，电池包400可以为圆柱状，电池包400可以沿飞机的前后方向延伸。在该实施方式中，电池包400能够拆卸地连接于电机臂300的下侧，或者说电机臂300的下方吊装电池包400，电池包40是外露的。吊装的电池包400不会占用电机臂的内部空间，使电机臂300的截面尺寸可以较小，也无需对机身结构进行额外的加强。电机臂300通常安装电机、螺旋桨、控制器，并贯穿大量电气线缆，如果电池包安装在电机臂的内部将导致电机臂设计难度会大幅增加。本申请使得电池包400的设计与电机臂300结构的设计解耦，降低了机身结构和电池包400的设计复杂度和难度。

可以理解，这里的电池包40是外露的是指电池包40不设置于机身/机舱、机翼、电机臂的内部，而是设置于机身/机舱、机翼、电机臂的外部。电池包的电芯仍可以是被覆盖和保护的。

电池包400可以设置有多个，多个(例如4个)电池包400可以对称地设置于飞机的左右两侧，使飞机容易维持平衡。

如图3至图6所示，电池包400包括蒙皮1、电芯2、加强框3、整流罩4和电气接口5。

蒙皮1可以环绕加强框3形成圆筒形，加强框3可以为环形，多个电芯2可以连接于加强框3。图3中示出了部分的加强框3，加强框3还可以包括沿电池包400的轴向延伸的部分。在其他可能的实施方式中，蒙皮1可以为流线形，从而进一步降低风阻。

为了使电池包400的截面尺寸较小，电芯2的截面尺寸自然也会较小。可以选择截面尺寸较小的电芯2，为了满足飞机上各部件的高压要求，多个电芯2可以采用串联的方式相连。

电芯2可以连接有手动维护开关(MSD)，手动维护开关(MSD)既可以作为维修保护开关，也可以起到短路保护作用。

蒙皮1包括上壳11和下壳12，上壳11和下壳12能够拆卸地连接，上壳11和下壳12分离后方便对电池包400的内部设备及附件进行维护。上壳11和下壳12之间两条接缝14形成的分离面可以沿水平方向延伸。

如图4所示，下壳12可以设置有维修口13，维修口13可以被维修口盖覆盖，通过打开维修口盖能够对电池包400的内部设备进行检查、维修及拆卸。

进一步的，维修口13可以对准手动维护开关(MSD)，从而可以通过打开维修口盖直接断开高压的手动维护开关(MSD)，从而对电池包400的后续操作是安全的。

如图5所示，上壳11被部分地剖除，蒙皮1的内部还设置有电气附件，电气附件可以包括继电器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、预充电阻，预充继电器、保险、电池管理单元21(BMU)、电池控制单元22(BCU)等。

如图6所示，蒙皮1的内部可以设置有电气附件盒23，电气附件盒用于容纳电气附件，电气附件盒的横截面面积小于或等于蒙皮1的横截面面积。部分的电气附件可以安装于电气附件盒内，例如电池管理单元21(BMU)、电池控制单元22(BCU)的电气附件可以不容纳于电气附件盒23，而是位于电芯2的侧面。

蒙皮1可以采用铝合金材料制成，铝合金可以满足承载的要求，并且对电池包400内部的电芯和其他电气附件进行包容与保护。蒙皮也可以采用复合材料制成，但是需要重点考虑热载荷及电磁环境的要求。

如图3和图4所示，在电池包400的轴向上，蒙皮1的端部设置有整流罩4，例如蒙皮1的前后两端分别设置有前整流罩41和后整流罩42，前整流罩41和后整流罩42均可以为锥状，这样可以减小电池包400受到的空气阻力。

电机臂300和电池包400通过能够拆卸的连接结构可以快速对接及锁紧，电池包400的电气接口5可以通过快拆电气插接件连接于电机臂300和/或机翼200，实现电池包400与飞机的机内系统的连接。快拆电气插接件可以使用现有技术的快拆电气插接件。

电机臂300可以连接有吊耳301，吊耳301可以设置有多个，吊杆螺栓302连接于吊耳301，吊杆螺栓302插入电池包400并穿出，螺母旋合于吊杆螺栓302使电池包400连接于电机臂300。这种连接方式可以使电池包400承受各个方向的载荷，满足飞机各种使用工况下连接强度、刚度要求，并且安装便利。

在其他可能的实施方式中，电池包400也可以使用其他连接方式能够拆卸地连接于电机臂300，例如电池包可以设置有与吊耳配合的吊耳配件，通过吊耳配件连接于吊耳使电池包400连接于电机臂300。

电机臂300可以设置有定位销孔，电池包400可以设置有定位销303，定位销303可以沿飞机的高度方向延伸，电机臂300和电池包400可以通过定位销303和定位销孔进行定位。

电气接口5可以包括正极插座51、负极插座52和低压通讯插座53。

正极插座51和负极插座52可以为高压电气接口，通过正极插座51和负极插座52为飞机供电。低压通讯插座53可以用来传递总线模拟信号和开关控制信号，实现电池管理系统与飞机管理控制系统的交互通信。

可以理解，虽然这里描述了一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机，其电池包可以从机翼或电机臂拆卸下来而后更换新的/充好电的电池包。然而，本申请的电动垂直起降飞机的使用方式不限于此，例如，可以在电池包电量下降后在不拆卸电池包的情况下为电池包充电。

下面描述本申请的具有可换电电池包的电动垂直起降飞机的部分有益效果。

(1)降低了电池包和机身结构设计的难度。

电池包位于电机臂的外部，电池包不会占用电机臂或其他机身机构的内部空间，使电机臂的截面尺寸可以较小，也无需对机身结构进行额外的加强，电池包的设计与电机臂结构的设计解耦，降低了机身结构和电池包的设计复杂度和难度。

(2)提升飞机的安全性。

由于电池包远离飞机上重要的飞行功能结构，在电池包发生故障及热失控时，不会直接威胁飞行功能结构，提升了飞行的安全性。

(3)提升飞机的运行效率。

电池包更换方便、快速，可以在很短的时间内更换电池包，相比于充电补能的方式，大大的节省了时间，提升了飞机的运行效率。

(4)维修维护便利。

可以将电池包拆解离机后再进行详细地检查维护，使电池包周围的空间开敞，方便对电池包进行检查、维修、维护，维修维护更高效，程度更彻底。

应当理解，上述实施方式、实施例或示例的至少部分方面或特征可以适当地组合。

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。

在本申请中，除非另有明确的说明或限定，“安装”、“装配”、“组装”、“相连”、“连接”、“联接”、“连结”、“抵接”、“连通”、“相通”、“导通”、“固定”、“紧固”等术语应做广义理解，例如，其可以是直接或间接的。例如，关于连接，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的说明或限定。例如，关于连通/导通等，可以是直接连通/导通，也可以是经由中间媒介间接连通/导通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的说明或限定，一个构件设置在/安装在/位于/容纳在/置于另一构件之中、之内、内部等可以是如下两种情形中的任一情形：该一个构件的一部分或大部分位于该另一个构件内；以及该一个构件被完全容纳在该另一个构件内。

虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。

Claims (10)

1.一种具有可换电电池包的电动垂直起降飞机，其特征在于，包括：

机翼(200)，所述机翼(200)沿所述电动垂直起降飞机的左右方向延伸；

电机臂(300)，所述电机臂(300)连接于所述机翼(200)，所述电机臂(300)用于安装电机和螺旋桨；以及

电池包(400)，所述电池包(400)能够拆卸地连接于所述电机臂(300)和/或所述机翼(200)的下侧，所述电池包(400)为圆柱状，所述电池包(400)沿所述电动垂直起降飞机的前后方向延伸，所述电池包(400)是外露的。

2.根据权利要求1所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电动垂直起降飞机设置有多个所述电池包(400)，多个所述电池包(400)对称地设置于所述电动垂直起降飞机的左右两侧。

3.根据权利要求1所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电池包(400)包括蒙皮(1)和加强框(3)，所述蒙皮(1)环绕所述加强框(3)形成圆筒状，所述蒙皮(1)的内部设置有电气附件盒(23)，所述电气附件盒(23)用于容纳电气附件，所述电气附件盒(23)的横截面面积小于或等于所述蒙皮(1)的横截面面积。

4.根据权利要求3所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，在所述电池包(400)的轴向上，所述蒙皮(1)的端部设置有整流罩(4)。

5.根据权利要求4所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述整流罩(4)包括前整流罩(41)和后整流罩(42)，所述前整流罩(41)和所述后整流罩(42)分别设置于所述蒙皮(1)的前后两端。

6.根据权利要求3所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述蒙皮(1)设置有维修口(13)，所述维修口(13)覆盖有维修口盖。

7.根据权利要求6所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电池包(400)包括电芯(2)，所述电芯(2)连接有手动维护开关，所述维修口(13)对准所述手动维护开关。

8.根据权利要求1所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电池包(400)包括电气接口(5)，所述电气接口(5)通过快拆电气插接件连接于所述电机臂(300)和/或所述机翼(200)。

9.根据权利要求1所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电池包(400)能够拆卸地连接于所述电机臂(300)的下侧，所述电机臂(300)连接有多个吊耳(301)，多个吊杆螺栓(302)将所述电池包(400)连接于所述多个吊耳(301)。

10.根据权利要求1所述的电动垂直起降飞机，其特征在于，所述电机臂(300)和所述电池包(400)通过定位销(303)进行定位，所述定位销(303)沿所述电动垂直起降飞机的高度方向延伸。

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