CN117999179A - 电力推进系统 - Google Patents

Abstract

一种电动载具推进系统，包括形成为单个集成单元的电动马达和电池组。所述推进系统是独立的集成式电力推进系统。所述推进系统打破了所述电动马达和所述电池组必须被设计、建造和安装成单独系统的长久工程范式。

Description

电力推进系统

技术领域

本公开涉及一种电力推进系统，诸如用于电动飞行器的推力器。

背景技术

我们正处于从基于化学燃烧的载具推进系统(例如，汽车中使用的内燃发动机(ICE)；飞机中使用的喷气式发动机)到电池供电的电力系统的多年转折点的开始。

一个世纪以来，一直将一种总体工程范式应用于常规的化学燃烧系统：将燃料或动力源与牵引系统(即，引起载具的推进的系统)物理地分离，并且它们各自被设计、建造和安装为单独的系统。

·因此，汽车的汽油箱和汽车的ICE各自被设计、建造和安装为完全分离的系统。

·飞机的燃料箱和飞机的喷气式涡轮各自被设计、建造和安装为完全分离的系统。

·船的柴油箱和船的柴油ICE各自被设计、建造和安装为完全分离的系统。

另外，近年来，这种工程范式已经扩展并且也应用于电池供电的电动车辆(EV)：汽车的电池组和汽车的电动马达各自被设计、建造和安装为完全分离的系统。在所有情况下，一些物理互连件将燃料源或动力源接合到牵引系统，例如，在ICE和喷气式涡轮的情况下连接到ICE或喷气式涡轮的燃料管线；在EV的情况下将电池组连接到电动马达的高压传输母线。

在设计、建造和安装阶段这样将燃料或动力源与实际牵引系统分离具有工程意义：在设计阶段，需要不同的工程技能。在建造阶段，建造燃料箱的性质基本上不同于建造ICE或喷气式涡轮所涉及的复杂工程挑战。对于EV，电池组的建造过程与逆变器或马达的建造过程几乎没有共同之处。在安装阶段，因为燃料或动力源系统与牵引系统物理上不同且分离，所以在安装过程中没有依赖性或关联。

这还具有工程安全意义；汽车的汽油箱位于汽车的与发动机相反的端部处；飞机的喷气燃料箱位于机翼中，从而在起飞时减小机翼应力并且将喷气燃料箱与驾驶舱和任何乘客区隔开。在EV汽车中，电池通常置于底盘中，以降低重心、提高操控性，并且还因为可以使用结构板来保护乘客舱使其免受电池组影响。

发明内容

在权利要求中阐述了本发明的各方面。

一种电动载具推进系统包括形成为单个集成单元的电动马达和电池组。所述推进系统是独立的集成式电力推进系统。所述推进系统打破了所述电动马达和所述电池组必须被设计、建造和安装成为单独系统的长久工程范式。

可以概况为：

一种电力推进系统，其包括组合成单个单元的电源和牵引系统，所述单个单元被配置成用于安装到载具中。所述电源可以包括电池，并且所述牵引系统可以包括电动马达。在附录1中列出了其他特征。

术语“载具”包括飞行器、飞行载具、空中出租车、无人机、陆地载具(汽车、货车、大客车、卡车、载重汽车、自卸车、拖拉机、挖掘机、开凿机、土方工程机器等)、船以及潜水器。它还包括高性能载具。术语“牵引系统”是指为载具提供推进力的系统。

本发明的实现方式例示了向模块化和部件重用的转变。例如，在Arrival EV系统中(参见PCT/GB2021/051519，其内容以引用方式并入)，使用模块化来实现“一次设计，随处使用”方法，其中在广泛范围的不同载具类型中使用。因此，在示例EV系统中，存在模块化马达单元；这些马达被设计一次但在广泛范围的不同载具中使用(例如，相同的马达被用在汽车和货车中；在大客车中，相同的马达是成对的并且每个马达驱动后轮中的每一者的双输入齿轮箱)。示例EV系统包括电池模块：需要任何数量的“一次设计，随处使用”以给出需要的范围。

本发明的实现方式以打破将电池保持为与它们所供电的马达分开的系统的载具设计范式的方式应用模块化“一次设计，随处使用”工程方法；相反，在示例系统中，电动马达和电池组被设计、建造和安装成为单个集成式模块化单元。

在载具是飞行器、飞行载具、空中出租车、无人机或船的情况下，牵引系统可以是“推力器”系统：推力器系统通过使质量在一个方向上移动或加速来产生推进；在飞行器等的情况下，推力器系统将典型地包括一个或多个螺旋桨。

在载具是汽车、大客车或其他陆地载具的情况下，牵引系统将包括移动载具的车轮或履带的一个或多个牵引马达和驱动轴。

附图说明

参考附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1至图2提供了自供电推力器的横截面示意图，其中图1标识了自供电推力器的一些整体部件，图2从侧面示出了横截面；

图3提供了自供电推力器的透视图；并且

图4至图5提供了DEP飞行器的示意图，其中图4从侧面示出了横截面，并且图5从上方示出了横截面。

具体实施方式

分布式电力推进(DEP)系统

本发明的示例是推进系统，该推进系统将电动马达与电池组进行组合，从而将它们一起包装成单个完全集成的单元(其可以被称为自供电推进系统)。这种布置在实施分布式电力推进(DEP)的飞行器中特别有价值。

关于DEP的简要说明：电动飞机将彻底改变航空旅行和航空货运；分布式电力推进(DEP)系统是可持续载具设计的关键趋势(参见：A Review of Distributed ElectricPropulsion Concepts for Air Vehicle Technology[用于空中载具技术的分布式电力推进构思综述]，AIAA/IEEE电动飞行器技术研讨会，俄亥俄州辛辛那提)。但即使是最先进的DEP飞行器也采用集中式电池组的常规设计范式，典型地在飞机的机身中：电池组因此被设计、建造和安装成与驱动飞行器螺旋桨的电动马达完全分开的系统；电池组经由延伸穿过飞行器的电力传输线连接到马达。

但本发明的实施方式将电动马达与电池组进行组合，从而将它们一起包装成单个完全集成的单元(我们称之为自供电推力器)。并且这样做会使DEP系统真正地“分布”，即，去中心化分布的原理不应适用于电动马达和螺旋桨，还适用于电池。

这使DEP载具设计的过程更简单：更容易在模拟时对改变模块化独立的集成式电力推进系统的数量的性能结果进行建模，因为性能(例如，升降性能)随着集成的组合式电池和马达单元的数量增加而线性地扩展；因此具有升降能力X且具有Y个自供电推进系统的无人机可以简单地通过将自供电推进系统的数量增加至5Y而被重新设计为具有升降能力5X的无人机。对于常规的非DEP架构，这种简单的线性关系是不可能的。在一个极端情况下，DEP飞行器可能仅包括组合了电池组和马达单元的单个自供电推力器以用于垂直起飞和降落，并且可能包括组合了电池组和马达单元的另一自供电推力器以用于正常飞行。或者，需要50X升降能力的DEP飞行器可以具有50个或那些自供电推力器的阵列以用于垂直起飞和降落。

自供电推进系统还使DEP载具更安全，因为整个载具不是用单个电池组，因而没有中心故障点。每个独立的自供电推力器可以被容纳在耐火壳体(例如，CMC或陶瓷基复合材料)内，使得如果一个推进系统经历热失控或简单地着火，则或不会扩散到其他推进系统；同样地，没有单个故障点。载具可能较轻，因为不需要重的高压布线；这在载具是飞行器或其他类型的飞行载具的情况下特别有价值，其中使重量最小化是非常重要的。

除了DEP飞行器外，同样的优点还适用于其他电动载具；实际上，这种方法很可能在电力需求极端或EV是高性能陆地载具的情况下最有用：例如，在重型推土设备中，其中逐步地添加其他独立的集成电池组和牵引马达模块以增加动力的能力可能是有用的。但即使对于常规汽车、货车和卡车，特别是在固态电池能以合理的成本商业制造的情况下，动力重量比显著更大且固态电池的热失控风险显著降低可以使完全集成的组合式电池组和马达单元成为特别有吸引力的事物。即使今天，对于常规的锂离子电池，使用各自驱动车轮的完全集成的组合式电池组和马达单元的EV汽车、货车、卡车或大客车是对将单个大型电池组放在底盘中的长久滑板方法的可行替代方案：一个关键优点是简化载具生产过程，每个完全集成的组合式电池组和马达单元将例如附接到结构车轮拱，并且然后不需要单独的电池组安装过程。另外，通过将重电池定位成与从动轮直接相邻，显著增强了在冰雪中的抓持。

对于船或实际上潜水器，也适用同样的优点：由于电动船或潜水器需要用于马达、逆变器和相关控制电子器件的完全防水壳体，因此特别有用的是使用完全集成的组合式可再充电的电池组和马达单元，这是因为整个集成单元本身便可以被设计为具有防水外壳并且然后通过防水联接来驱动螺旋桨。

现在将描述实施本发明的电力飞行器推进系统；描述了通过将电源(例如，电池)以及电动马达和螺旋桨全部包括在单个集成单元中来自供电的推力器。

自供电推力器是模块化的并且被配置为载具(例如，飞行器)的由多个自供电推力器组成的分布式电力推进(DEP)系统；自供电推力器的数量可以基于载具的设计规格(诸如尺寸和/或重量和/或要求的牵引力和/或要求的升降能力)而增加或减少：自供电推力器有助于DEP飞行器设计的可扩展性。

为了确保载具符合监管标准，仔细地选择载具部件的位置。当安装部件时，对部件的接近通常受限制，同时准许接近以使得可以安全地进行维护。

图1至图3提供了推力器10的示意图。推力器10由第一工件101和第二工件102形成。第一工件101包括包围电源部件(110、120、130)(这些包括电池组)的基本圆柱形壳体100，以及推力组件160(例如，马达和螺旋桨)，因此通过保持电源部件与推力组件分离来增强安全性。电源部件包括例如一个或多个电源(110a、110b)、一个或多个逆变器(120a、120b)和管理系统130。推力组件160由通过一个或多个驱动轴连接到一个或多个推力部件(140a、140b)的一个或多个马达(150a、150b)形成。

推力器10被配置为用作载具的模块化部件，包括用于独立地产生高水平推力的所有整体特征。图2示出了具有推力组件160的推力器10，该推力组件包括两个马达(150a、150b)，每个马达向包括螺旋桨叶片的螺旋桨组件(140a、140b)提供推力器。推力组件160在图3中被示出为包括鼻锥160，该鼻锥被配置为减少来自马达的空气阻力。

电源110包括多个电池组(110a、110b)，每个电池组由多个电芯形成。第一工件101包括电源的电池组(110a、110b)，其中图3示出了包括多个电池组的示例。当安装时，第二工件102将电池组(110a、110b)例如串联连接。通过将多个电池(110a、110b)串联连接来实现高压。通过只有在推力器10完全安装在载具中后才将低压电源(110a、110b)串联连接来增强安全性。在该示例中，通过在两个工件(101、102)中提供推力器10来增强安全性，但作为替代方案，可以将推力器配置在单个工件中，其中使用开关来建立电源之间的串联连接。

图1至图2中的箭头示出了推力器10的部件之间的能量传递。在步骤S1中，将直流电从一个或多个电源(110a、110b)传递到一个或多个逆变器(120a、120b)。在步骤S2中，将交流电从一个或多个逆变器(120a、120b)传递到一个或多个马达(150a、150b)。在步骤S3中，将机械能从马达(150a、150b)传递到推力部件(140a、140b)。在步骤S4中，每个推力部件(140a、140b)迫使流体(即，空气)在与载具的运动方向相反的方向上流动。因此，存储在电池(110a、110b)中的电能被转换为载具的机械能。

图1至图3示出了推力器10的示例，该推力器包括集成了电力部件(110、120、130)的管道，并且因此，该示例示出了自供电推力器的特征。壳体100被配置为包围推力组件160以用作管道。提供管道通过减少螺旋桨叶尖损失来增加效率，通过限制对移动零件的接近来增强安全性，并且通过吸收声音而有助于符合噪声限制。推力器10不一定包括管道，整体部件的其他布置是可能的。

壳体100包括外壁103和内壁104，以在被配置成包围整体电力部件的壳体100内限定整体空隙。壳体100的一个或多个部分例如由已经被设计为具有一个或多个选择的属性(例如，耐火、强度轮廓)的一种或多种复合材料形成。壳体100包括多个防火间隔部。外壁用作防火间隔部103，从而将推力器10与载具的其余部分热隔离。壳体100包括整体防火间隔部，该整体防火间隔部将电力部件(110、120、130)中的每一者热隔离。因此，壳体100被配置为将火容纳在推力器10内，从而防止火在推力器的部件之间蔓延，并且还防止火蔓延到载具的其余部分。

推力器10是自冷式的，其包括位于一个或多个电力部件(110、120、130)之间的壁104以及冷却剂通道180。壁被定位成保护电力部件免受由壁104接收的冲击力影响。壁104具有强度轮廓，该强度轮廓被选择为在推力组件140的螺旋桨叶片在使用期间脱落的情况下保护电力部件免受碰撞。壁104包括被配置成耗散冲击力的材料层。壳体104的一个或多个部分被配置成与一个或多个电力部件(110、120、130)热连通，使得在正常使用期间，来自电力部件(110、120、130)的热能被传输到冷却剂通道180。将电力部件作为推力器的一部分进行放置通过减少电池组(110a、110b)与马达(150a、150b)之间的电连接内的电阻损耗来提高效率。

推力器10被设计为承受热失控，其中壁104被布置成在一个或多个电力部件(110、120、130)的温度超过阈值的情况下被牺牲。在超过阈值温度的紧急情况期间，壳体100被配置为增加电力部件的对流冷却，使得它们的热能被耗散到冷却剂通道180。壁104的牺牲允许火被引导通过冷却剂通道180并且远离载具的其余部分。因此，电力部件(110、120、130)的温度降低，并且可以保持控制火，直到其熄灭。

支撑结构提供电力部件(110、120、130)与推力组件160之间的物理连接、电子连接和数据连接。推力器的支撑结构使一个或多个马达(150a、150b)相对于电源(110a、110b)保持在适当位置。支撑结构包括一个或多个电缆，该一个或多个电缆被配置为提供电源110与马达150之间的电连接。支撑结构包括被配置为将电力从逆变器120传递到马达150的电力电缆。支撑结构包括被配置为将传感器数据从马达传递到BMS130的数据电缆。在运行中，推力器10被配置为使用整体传感器来监测器本身的状况。

推力器10包括被配置为监测推力器的状况的管理系统130，以及被配置为与载具通信的通信系统130。在使用中，管理系统130从多个传感器接收数据。由管理系统130对得到的传感器数据进行分析，并且由通信系统130将关于推力器10的状况的报告提供给载具。载具使用关于推力器中的每一者的状况的报告来确定如何使用推力器。在正常操作期间，管理系统130执行通信系统130已经从载具接收到的指令。推力器被配置成例如在紧急情况下或在与载具的通信不可用的情况下以自主模式操作。选择推力器10的自主操作的程度以确保符合监管标准。

一个或多个马达(150a、150b)被布置为与一个或多个推力部件(140a、140b)同轴，这因其机械联接简单而提高了效率。每个推力部件140(例如，螺旋桨/叶轮)被配置为绕其对应的马达150、在与马达150相同的平面中旋转，这减小高度轮廓，从而减小对垂直于旋转轴线的载具的运动的拖曳。因此，可以选择推力器10的规格(例如，其高度)以考虑到其他载具部件，诸如安装在载具中的其他推力器。

推力器10包括驱动轴，该驱动轴被配置为将机械能从一个或多个马达(150a、150b)传输到一个或多个推力部件(140a、140b)，驱动轴包括穿过马达(150a、150b)的一个或多个冷却剂通道。向每个马达150提供多个整体冷却通道提高了它们的冷却速率。推力部件(140a、140b)被配置为从外部环境取得推进剂和冷却剂，这意味着载具不必携载推进剂和冷却剂，这将有利于载具的重量。同样的流体用作推进剂和冷却剂两者，该流体在载具是飞行器的情况下典型地是空气(或在载具是船或潜水器的情况下是水)，具体取决于推力器10的应用。

图2至图3示出了包括两个反向旋转螺旋桨(140a、140b)的推力部件的示例。两个螺旋桨绕共同旋转轴线旋转。通过使两个螺旋桨在相反方向上以相同的角速度旋转来平衡推力器10所经历的扭矩。通过使螺旋桨以不同的速度旋转来选择扭矩，其中通过增加螺旋桨中的一者的旋转速度同时减小另一螺旋桨的旋转速度来维持推力。

推力器10的很多部件被设计用于到最终位置的安装路径，其中安装路径经过优化以用于机器人操控、安装或组装。对机器人进行校准以遵循将部件移动到适当位置的例程并且使用专门的工具来执行生产技术。这种生产技术由推力部件(140a、140b)说明，该推力部件被配置为当推力器10已经部分地或完全地组装时，在该推力部件已经安装在推力器10中之后进行平衡。以自动化过程平衡每个推力部件140的可能方式是使用加速度计和相机来测量推力部件140的旋转，以确定应在哪里向推力部件140增加重量。在推力部件140已经安装在推力器10中之后对该推力部件进行平衡提供了容纳公差的组装过程。

电力部件(110、120、130)中的每一者包括物理连接器(111、121、131)，该物理连接器用于提供对壳体100的附接。图3将物理连接器(111、121、131)示出为凸形挤出件，该凸形挤出件被配置为通过嵌入设置在壳体100的上表面中的对应孔中来将电力部件(110、120、130)保持在适当位置。

推力器的一个或多个紧固件(190a、190b)将推力器可释放地附接到载具的对应紧固件，这简化了载具的维修，因为可以容易地维修或替换推力器。第二工件102在推力器100的每个紧固件190a可释放地附接到载具的对应紧固件的同时建立电池组(110a、110b)之间的串联连接。第二工件102包括致动器，该致动器被配置为将多个紧固件190a从缩回位置移动到展开位置，因此有助于推力器10的安装和移除。作为可释放紧固件的示例，推力器通过螺母和螺栓附接到载具，其中推力器10包括被配置成接收螺栓的螺栓孔190b。第二工件102包括多个连接器191，该多个连接器被布置为与第一工件101形成物理连接、电子连接和数据连接。推力器10不限于具有图3所示的紧固件，该图将紧固件190a示出为第二工件102的凸形构件，该凸形构件被配置为在致动时通过穿过壳体100的外壁103中的孔而物理地连接到第一工件101并且然后由载具机身的空隙接收。因此，本公开提供了推力器的简单且容易的附接机构，但其他替代方案是可用的，诸如被配置为插入并扭转到适当位置的推力器或被配置为作为载具的一部分固定在适当位置的推力器。

图4至图5示出了载具20，该载具安装有多个推力器10以提供分布式电力推进系统。此类载具典型地充当组队(fleet)的成员。对于所示的示例，载具的机身200包括与推力器10安装在一起的群组(210、220)。机身包括被配置为在推力器10的操作期间打开并且在推力器10不操作时关闭的盖(230、240)。

推力器10被配置成安装在不同类型的载具中，包括飞行器、船只和陆地载具。推力器10有助于载具设计的可扩展性和灵活性，从而充当由具有多种形状(例如，翼型形状、混合翼)的载具容纳的模块化部件。载具20的属性决定了为所安装的推力器选择的属性，诸如它们的高度、直径、强度轮廓等。盖(230、240)是任选的，其被设置成在打开位置与关闭位置之间移动，以在推力器不使用时覆盖推力器。盖充当百叶窗(230、240)，使得通过在推力器不使用时维持机身的边界层来限制拖曳力。盖(230、240)的使用不是必需的，因为作为替代方案，可以通过启动推力器的推力部件来维持边界层。

当向载具20安装推力器10时，安装第一工件101且然后安装第二工件102。在已经安装了电源110之后，安装推力器的装备部件102。当从载具移除推力器时，在移除推力器的电源110之前先移除装备部件102。增强了电安全性，因为在装备部件未安装时，各个电池组(110a、110b)保持电隔离。例如，载具被配置为使得推力器10可以从下方安装或移除。使用位于第二工件102的基部中的致动器来执行推力器的安装或移除，致动器被配置为在展开位置与缩回位置之间移动连接器191。附接和拆卸推力器的简单性意味着它们可以容易被替换，这降低了载具的维护成本。

权利要求的范围不限于已经描述的示例，如将理解，很多变化和修改是可能的。本文描述的任选特征中的任一者可以容易与其他特征中的任一者组合。以下主要特征列表形成说明书的一部分。

附录1—主要特征

先前已经看到，如由权利要求定义的本发明涉及一种电力推进系统，该电力推进系统包括组合成单个单元的电源和牵引系统，该单个单元被配置成用于安装到载具中。我们可以认为该推进系统是“自供电”的，因为它是自身包括整体电源的推进系统，所有这些都被容纳在单个单元中。

在载具是飞行器的情况下，电源将典型地包括电池，并且牵引系统便可以是电动马达和螺旋桨。因此，在这种情况下，推进系统包括全都在单个单元中的电动马达和螺旋桨两者，并且还包括为马达供电的电池。通常，电池将与牵引系统物理地分离并且通过电力电缆来提供电力，即，电池、电动马达和螺旋桨并未全部组合到单个单元中。但是如先前已经看到，将电源与牵引系统一起集成到单个单元中具有很多优点。

以下是任选或附加的主要特征；应注意，这些主要特征中的任一者或多者可以与任一个或多个其他主要特征组合。

1.自供电推进系统是模块化且可扩展的单个单元推进系统部件：

·常规方法是具有分别容纳的若干单独的独立部件(电池；逆变器；马达；螺旋桨；结构)，这些部件用可能既沉重又昂贵的电力/通信电缆等接合在一起。

·自供电推进系统是单个单元牵引或推力部件，其容纳独立地产生高水平的推力或牵引所需的所有子系统(电池、逆变器、马达、BMS、推进器/螺旋桨、装备环)。

·每个自供电推进系统是模块化的独立单元。任何数量的自供电推进系统可以彼此组合使用，例如，可以在单个电动载具上使用2个、3个、4个……或甚至16个、20个、40个、60个、80个、100个等自供电推进系统。这使载具设计者能够向上扩展并设计他们想要的任何电动载具。

·独立的模块化单元也有可能以这种方式用于空中、海上和陆地应用。

·自供电推进系统方法的主要优点在于它是可扩展且灵活的，使得可以针对任何尺寸或类型的载具创建不同水平的推力/电力。

·自供电推进系统方法的另一主要特征在于推力/电力功能在载具上去中心化。这意味着电动载具将具有在载具上的若干推力单元，该载具可以依赖于这些推力单元。因为自供电推进系统是模块化且可扩展的，所以可以具有这些系统的较大阵列；自供电推力器阵列可以形成混合翼的机身的重要部分(仅以示例的方式，大混合翼的航空载具可能有例如60至100个自供电推力器的阵列)。

·另一个主要优点是提高了电动载具的安全性和寿命，因为如果需要(例如，如果变得不安全或出现故障)，每个自供电推进系统单元可以容易地替换或丢弃，这提高了电动载具的整体寿命/使用。

2.自供电推进系统具有简单的模块化设计，并且它可以容易地与电动载具附接/拆卸：

·每个自供电推进系统具有安全且操控简单的标准整体设计。

·自供电推进系统具有简单的模块化设计(例如，电气接口可能非常简单：诸如仅有通信和微电流充电端口)

·自供电推进系统操控安全，因为装备环将低压电池模块彼此断开连接并且将高压电池组变换为几个低压电池模块。

·自供电推进系统与电动载具之间的机械连接和电连接具有容易操作的简约设计。这意味着非专业技术人员可以容易地替换、移除、添加完整的自供电推进系统。

·电动载具的整体安全性和寿命也有所改进，因为自供电推进系统可以容易地移除或替换。

·电池电力的来源并不重要；事实上，自供电推进系统可以使用常规的锂离子电芯；或软包电芯；或氢燃料电芯；或固态电芯等。

·有简单且容易的附接和拆卸机构：例如，插入自供电推进系统并进行扭转；装备环具有多个可缩回销。

3.自供电推进系统在发生火灾时不会引起整个载具的毁坏/废弃：

·对于任何电动载具，最大的火灾风险来自电池和/或电池单元/电池组过热。

·在常规的载具中，实际上这意味着载具的大部分都会燃烧，并且实际上整个载具都被牺牲(这既不方便又极其昂贵)。

·对于自供电推进系统，载具在发生火灾时的风险大大降低。首先，因为电池电力分布在整个载具上。其次，因为每个自供电单元的外壁由高度耐火材料组成，例如，即使在非常高的温度下也不容易燃烧的复合材料。因此，火灾可以被控制/限制到单个自供电推进系统。

·实际上这意味着如果自供电推进系统确实着火，只会损失或牺牲单个自供电推进系统，而不是整个载具。这是非常强大的特征，因为它允许载具继续运行而不是被牺牲或损失。

4.自供电推进系统可以作为独立的自主模块进行操作：

·每个自供电推进系统可以自主地操作，例如，如果变得不安全或出现故障，则向电动载具或主控制单元报警。

·自供电推进系统的潜在自主特征可以包括：向中心控制部和/或载具报告其自身的状态；递送自主电力；自供电推进系统不会自已关闭，除非出现严重错误；如果出现严重错误，则自供电推进系统将自动关机；在某些指定条件下，自供电推进系统与载具自主附接或拆卸。

5.自供电推进系统具有集成的“智能”软件特征：

·BMS可以用于监测各个电池电芯或电池组或电池软包的状态(例如，电压、电量、温度)。

·可以与例如电动载具或主控制单元或者其他自供电推进系统进行双向通信。

·认证/安全特征和过程、双向握手等。

·确保仅在载具上使用真正的自供电推进系统而不是伪造的自供电推进系统的安全特征，反之亦然。

·向电动载具报告性能。

·自供电推进系统自主地与其他自供电推进系统协商。

·自供电推进系统具有加密网络。

·自供电推进系统进行自初始化。

·每个自供电推进系统可以自主地确定其在载具中的物理位置；线束内部存在地址编码；当插入自供电推进系统时，它根据该地址而知道其所在的位置

6.自供电推进系统具有高度有效的设计，因为整体电力部件(电池、逆变器)被布置在管道中：

·自供电推进系统内可能有多个低压电池模块。每个低压电池模块彼此独立(没有装备环)。

·一旦自供电推进系统已经完全安装在载具中，这些低压电池模块才进行连接以提供高压。

·当载具是飞行器时，推进系统便形成在管道中：该管道可以是例如管状或圆柱形形状的。电力部件(例如，逆变器、BMS和低压电池模块中的一者或多者)可以针对该管道提供结构完整性。例如，可以通过逆变器和BMS提供主负荷承载路径，使得电池模块不受应力而同时有助于管道的强度。

·电力部件可以通过成为管道的一部分或位于该管道中来进行对流冷却。管道的高度还可以根据载具规格进行选择，这有助于在载具的运动期间减少空气阻力。

·管道通过减少螺旋桨叶尖损失来增强效率，通过限制对移动零件的接近来增强安全性，并且通过吸收声音来增强符合噪声限制。

7.自供电推进系统提高了电动载具的整体安全性：

·自供电推进系统可以包括位于系统的电力部件和内表面之间的牺牲壁。如果电力部件的温度超过阈值，则牺牲壁被丢弃，使得电力部件的对流冷却(尤其是在载具是飞行器的情况下)增加。

·自供电推进系统还可以包括装备机构。自供电推进系统只有在其完全安装在载具中时才进行电装备。增强了电安全性，因为在装备机构未安装时，各个低压电池模块保持电隔离。

8.自供电推进系统被设计用于机器人制造：

·自供电推进系统被专门地设计和配置成用于机器人操控、安装和组装，例如，一些或所有零件、布线等被设计成用于机器人操控、安装和组装。

·组成自供电推进系统的单独零件和部件的数量被最小化和简化，以便实现自供电推进系统的更高效机器人制造。

·自供电推进系统可以(尽可能地)由挤出零件和部件组成以允许更容易的机器操控。

·自供电推进系统的手动组装也是可能的，但这可能会减少时间和成本效益。

推力器构思

在该部分中，概述了在一个实施例中实现的推力器构思中的一些。

1、一种推力器(10)，其配置成形成载具(20)的分布式电力推进系统的一部分，所述推力器(10)包括：

电源(110)，

推力部件(140)，以及

马达(150)，所述马达被布置为将从所述电源(110)接收的电能转换成被传输到所述推力部件(140)机械能。

2、根据构思1所述的推力器(10)，所述推力器还包括壳体(100)，所述壳体配置成安装有所述推力器(10)的一个或多个电力部件(110、120、130)。

3、根据构思2所述的推力器(10)，其中所述壳体(100、104)的一个或多个部分配置成与所述一个或多个电力部件(110、120、130)处于热连通。

4、根据构思2或构思3所述的推力器(10)，其中所述壳体(100)配置成包围所述推力部件(140)以充当管道。

5、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括壁(104)，所述壁位于一个或多个电力部件(110、120、130)与冷却剂通道(180)之间。

6、根据构思5所述的推力器(10)，其中所述壁(104)配置成在所述一个或多个电力部件(110、120、130)的温度超过阈值的情况下被牺牲。

7、根据构思5或构思6所述的推力器(10)，其中所述壁(104)配置成保护所述电力部件免受所述壁(104)受到的冲击力。

8、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括防火间隔部(103)，所述防火间隔部配置成将所述推力器(10)和所述载具(20)彼此热隔离。

9、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括防火间隔部，所述防火间隔部配置成将第一电力部件(110、120、130)和第二电力部件(110、120、130)彼此热隔离。

10、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括紧固件(190a、190b)，所述紧固件配置成可释放地附接到所述载具(20)的对应紧固件。

11、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括：第一工件(101)，所述第一工件包括所述电源的多个电池组(110a、110b)；以及第二工件(102)，所述第二工件配置成将所述电池组(110a、110b)串联连接。

12、根据构思11在从属于构思10时所述的推力器(10)，其中所述第二工件(102)配置成在所述推力器(100)的所述紧固件(190a)可释放地附接到所述载具(20)的对应紧固件的同时建立所述电池组(110a、110b)之间的所述串联连接。

13、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括：管理系统(130)，所述管理系统配置成监测所述推力器(10)的状态；以及通信系统(130)，所述通信系统配置成向所述载具(20)的控制系统报告所述推力器(10)的所述状态。

14、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，其中所述马达(150)与所述推力部件(140)同轴。

15、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，其中所述推力部件(140)配置成从外部环境取得推进剂和冷却剂。

16、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括驱动轴，所述驱动轴配置成将机械能从所述马达(150)传输到所述推力部件(140)，所述驱动轴包括穿过所述马达(150)的一个或多个冷却剂通道。

17、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，其中所述推力器(10)的多个部件被设计成用于到最终位置的安装路径，其中所述安装路径被优化成用于机器人操控、安装或组装。

18、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，其中所述推力部件(140a、140b)配置成当所述推力器(10)已经部分地或完全地组装时、在所述推力部件已经安装在所述推力器(10)中之后进行平衡。

19、根据前述任一项构思所述的推力器(10)，所述推力器还包括支撑结构，所述支撑结构配置成相对于所述电源(110)将所述马达(150)保持在适当位置，其中所述支撑结构包括一个或多个电缆，所述一个或多个电缆配置成提供所述电源(110)与所述马达(150)之间的电连接。

20、一种载具(20)，其包括分布式电力推进系统，所述分布式电力推进系统配置成安装有多个推力器(10)，每个推力器(10)是根据前述任一项构思的。

Claims (43)

1.一种电力推进系统，其包括组合成单个单元的电源和牵引系统，所述单个单元被配置用于安装到载具中。

自供电单个单元

2.如权利要求1所述的推进系统，所述推进系统是自供电的，因为所述推进系统在所述单个单元中包括存储电能和将所述电能转换成推进力所需的所有子系统。

3.如权利要求1或2所述的推进系统，所述推进系统是自供电的，因为所述推进系统在所述单个单元中包括存储电能和在不需要来自所述单元外部的任何来源的电力的情况下将所述电能转换成推进力所需的所有子系统。

4.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统是自供电的，因为所述推进系统在所述单个单元中包括电池组、由所述电池组供电的电动马达以及由所述电动马达驱动的螺旋桨。

5.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统是自供电的，因为所述推进系统在所述单个单元中包括电池组、由所述电池组供电的电动马达以及由所述电动马达驱动的车轮或履带驱动轴。

6.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述单个单元是模块化的并且配置成作为完整单元而安装到载具和从所述载具移除。

7.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述单个单元是模块化的并且配置成使得多个这种单个单元能够安装在所述载具中。

8.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述单个单元是模块化的并且配置成使得能够安装多个这种单个单元以形成分布式电力推进(DEP)系统。

9.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述单个单元是模块化的并且配置成使得能够扩展数量的这种单个单元能够形成分布式电力推进(DEP)系统，其中这种单元的数量取决于所述载具的尺寸、和/或重量、和/或要求的牵引力、和/或要求的升降能力。

10.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中单元的壁由高度耐火材料组成。

11.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中单元的壁由牺牲材料组成，所述牺牲材料被设计成在所述单元中过热的情况下牺牲以增加所述单元的对流冷却。

12.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统是独立的，因为所述推进系统不需要来自所述单元外部的任何电源的电力。

集成的智能特征

13.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成自主地操作并且在所述推进系统变得不安全或出现故障的情况下向所述载具或所述载具中的主控制单元报警。

14.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成监测其自身的状态并向中心控制部和/或载具报告其自身的状态。

15.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成只有在出现严重错误的情况下才自动关机。

16.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统包括BMS(电池管理系统)，所述BMS配置成监测各个电池电芯或电池组或电池软包的状态(例如，电压、电量、温度)。

17.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成用于与以下项中的一者或多者进行双向通信：所述载具；主控制单元；其他推进系统。

18.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成具有认证或安全特征和过程以实现与以下项中的一者或多者的安全通信：所述载具；主控制单元；其他推进系统。

19.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成向所述载具报告性能数据。

20.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成与所述载具中的其他自供电推进系统自主协商。

21.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成自主地进行自初始化。

22.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成自主地确定其在所述载具中的物理位置。

23.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统配置成只有在所述推进系统完全安装在所述载具中时才自行电装备。

电源

24.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述电源包括电池。

25.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述电池是能够再充电电池，诸如锂离子电池。

26.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述电池是固态电池。

27.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述电源是燃料电芯，诸如氢燃料电芯。

牵引系统

28.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述牵引系统包括电动马达。

29.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中在所述载具是飞行器、飞行载具、空中出租车、无人机或船的情况下，所述牵引系统是推力器系统。

30.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中在所述载具是汽车、大客车或其他陆地载具的情况下，所述牵引系统包括移动所述载具的车轮或履带的一个或多个牵引马达。

推力器系统

31.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述推力器系统包括一个或多个螺旋桨。

32.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述推力器系统被包含在空气管道中。

33.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述管道是管状形状或圆柱形形状。

34.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述单元包括电力部件，诸如针对所述管道提供结构完整性的逆变器、所述BMS以及低压电池模块中的一者或多者。

35.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述电力部件通过成为所述管道的一部分或位于所述管道中来进行对流冷却。

载具

36.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述载具是以下项中的任一者：飞行器、飞行载具、空中出租车、无人机、陆地载具、汽车、货车、大客车、卡车、载重汽车、自卸车、拖拉机、挖掘机、开凿机、土方工程机器、船以及潜水器。

37.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述载具是具有配置成形成DEP的多个推进系统的飞行器。

38.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述载具是飞行器，并且通过关闭或部分关闭所述推进系统上方的盖来维持所述推进系统上方的边界层。

39.如前述任一项权利要求所述的推进系统，其中所述载具是飞行器，并且通过启动所述推进系统来维持所述推进系统上方的边界层。

机器人制造

40.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统被专门设计并配置成用于机器人操控、安装和组装。

41.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统包括被专门设计成用于机器人操控、安装和组装的部分。

42.如前述任一项权利要求所述的推进系统，所述推进系统由挤出部分和部件组成以允许更容易的机器操控。

43.一种载具，其包括如前述任一项权利要求所述的电力推进系统。