[发明专利]用于连接到共享电源的分布式电负载的方法和系统

说明书

本申请涉及用于连接到共享电源的分布式电负载的方法和系统。用于针对使用多个电机利用分布式推进的电动垂直起飞和着陆飞机(eVTOL)设计处理电系统和电源故障的方法最小化了执行紧急着陆程序所需的电源能量。“环形拓扑结构”概念中的电负载和电源的互连考虑了电负载和电源的组合，以减少对电源的丢失的影响，以及如果任何负载变得不可用则更好地利用剩余电源的剩余能量。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月11日提交的美国临时申请No.62/729,790的优先权，该临时申请通过引用结合在此。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

无。

技术领域

本文的技术涉及用于电动垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞行器的连接布置，该飞行器将电池视为唯一的推进动力源并且电动机作为连接到这些能源的负载。本技术还涉及一种方法和系统，其考虑负载和电能源的组合，以便减少对能量源丢失的影响，以及如果任何负载变得不可用，更好地利用能量源的剩余能量。

背景技术

垂直飞行的概念已知数百年。莱昂纳多达芬奇在他的一本笔记本中画了一架垂直起飞和着陆(VTOL)飞机。无处不在的直升机(一种VTOL)用于许多应用，包括人员运输、货物运输、观测、交通安全、救援任务、医院空运和许多其他没有足够的水平空间用于跑道的情况。

最近，人们对电动和/或混合动力垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞机产生了极大的兴趣。这种电动飞机使用电动机和电池代替内燃机，因此由于降低的燃料和维护成本而具有噪音污染和排放、机械效率和运行费用较低的优点。

典型的e-VTOL使用机载电池和电动机用于推进。许多e-VTOL设计与传统直升机不同，因为可能使用多个电动机的配置而不是由内燃机驱动的单个旋翼进行分布式推进，从而创造了更好的安全方法。这与航空航天界通常采用的方法一致，即为关键系统提供冗余以提供足够的安全性和容错性。这种冗余通常仍然必须考虑到项目必须高效且不会过大。

尽管具有分布式推进，但是当一个或多个旋翼/电机发生故障时，许多e-VTOL多直升机配置不能保持稳定和可控。这对于用于携带重要有效载荷和/或人员的多直升机构成了安全、操作和认证挑战。

作为推进系统中的故障组合的一部分，在电池故障情况期间，e-VTOL应该保持稳定性、可控性以及使用剩余能量以确保安全着陆的能力。需要解决以下技术问题：

1.一个电池丢失，导致一个或多个电动机丢失；

2.发生(1)时电池系统的载重量(超重量)(dead(over)weight)；以及

3.在(1)发生时提供足够的剩余能量以执行紧急着陆。

根据现有技术，这种技术问题的一个显而易见的解决方案是使用两个(冗余)电池集或电池组来提供所需能量的两倍。在一种配置中，第一电池组用作第二电池组的备用(活动和待机)。在另一种配置中，电池集或电池组同时馈送两个不同的推进通道(图1)。在这两种情况下，提供所需能量的两倍会导致重量的巨大不利。

考虑到最小重量解决方案，即精确地使用所需的电池能量，另一种可能的解决方案是在如前所述操作的两个电池集之间划分总能量。当一个电池发生故障时，系统重新配置为需要剩余电池的正常放电率的两倍和正常可用能量的一半。这导致在执行能量着陆的剩余时间内受到很大的惩罚。

使电气系统和电源故障导致的一个电动机丢失最小化的另一种方法是为每个电动机提供专用电池(参见现有技术图2)。这种方法最大化了电池和电机的分配；每个电池/电机对独立于其他所有电池/电机对运行，因此一个电池/电机对的故障不会影响其他电池/电机对的操作。