CN105228902A - 用于电存储系统的飞行中燃料补给装置和配备有这种装置的飞行器 - Google Patents

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布鲁诺·雷尚
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Abstract

本发明的主题是一种用于给承载在电驱动式飞行器(10)上的电池(6)再充电的系统，其特征在于，该系统包括充电飞行器(1)、用于将充电飞行器临时电连接至电驱动式飞行器的装置(2、3a、3b、4)、以及电驱动式飞行器中的荷电调节装置(5)。

Description

用于电存储系统的飞行中燃料补给装置和配备有这种装置的飞行器
技术领域
本发明涉及一种包括机载电存储系统的电推进式飞行器的飞行中燃料补给装置、一种配备有这种装置的飞行器、以及一种用于给电推进式飞行器的电池再充电的方法。该装置提供了充电飞行器、可能要被再充电的飞行器以及适当的连接装置。
背景技术
自锂基电池在市场上推出，已越来越多地出现使用以电化学方式储存在电池中的电能操作的飞机或直升机的展示机。
显然，所涉及的电动马达的功率是非常大的，因此需要非常大的机载电能的输入。
问题是，在短期内甚至中期内，电池技术均不能使电动飞行器达到与其使用天然气或煤油的对应物相近的耐久性水平。
为了增大这种飞行器的活动半径，美国公司FlightoftheCentury提出了生产以电推进的母船型飞行器，该母船型飞行器连续飞行并且能够容置对与母船配套并给母船供以动力的电池进行支持的无人机形式的飞行装置。
一旦电量释放，无人机即与母船分离并飞向再充电站点，同时另一个无人机代替该无人机以使飞行继续。
由该公司所设想的另一个解决方案为提出一种设置有可被分开以及抛弃的多个零件形式的电池组的飞行器，这种飞行器通过逐步地减少飞行器的重量来增大支承航空器的活动半径。
其他研究集中在基于激光或微波的远程能量传输技术。
飞行中燃料补给在以热推进的飞行器的领域中是已知的：一个飞行器将用作燃料补给器，并且另一个飞行器将被补给燃料。燃料补给器通常为具有可供遇到该燃料补给器的飞行器使用的最大量的燃料的大容量飞行器。该燃料补给器在其后方拖曳有飞行中燃料补给装置，该飞行中燃料补给装置可采取下述两种不同形式：或者为将通过充电飞行器控制的刚性套管，或者为挠性管的端部处的篮状件，其中，待补给燃料的飞行器将经由燃料补给套管被补给燃料。该篮状件形式的飞行中燃料补给装置为法国空军保留的系统。
发明内容
本发明针对确定的任务类型设想了经由飞行中再充电过程来增大电推进式航空器的电力储备。该操作在同一飞行中可重复进行多次。
本发明特别地在不增大机载电池的重量以及在不产生用于抛弃或系泊额外的运载器的复杂结构的情况下使得可能延长飞行器的任务时间。
为此，本发明提出了一种用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其特征在于，该系统包括充电飞行器、用于将充电飞行器临时电连接至电推进式飞行器的装置、以及电推进式飞行器中的荷电调节装置。
有利地，充电飞行器和临时连接装置除了供应和传输电池再充电电流之外还适于给电推进式飞行器的发动机或多个发动机供应并传输电源电流。
机载电池优选地包括快速充电电池，所述快速充电电池为由再充电系统进行再充电的对象。
临时连接装置优选地被设计成抵抗湍流，同时适于在紧急情况下以及在燃料补给结束时安全地断开。
临时连接装置有利地包括两个互补的插入式连接器并且包括用于连接所述两个插入式连接器的电磁装置，其中，一个插入式连接器由充电飞行器的挠性缆线或套管所支承，另一个插入式连接器由电推进式飞行器的接合装置所支承。
荷电调节装置有利地包括用于使机载电池的电池组和电池单元上的荷电平衡的电路。
根据第一实施方式，充电飞行器配备有适于给电推进式飞行器的推进电池再充电的电能产生系统。
根据有利实施方式，荷电调节装置为用于控制电池的如下装置：所述装置在充电期间监控电池单元的电流、电压和温度，适于在电池单元过电压、过度充电的情况下或者在温度过高的情况下决定与充电器断开或者警告飞行员这样做，并且适于与燃料补给飞行器的充电器连通以便自身控制电池充电电流。
电能产生系统可以包括联接至发电机的热力发动机和/或燃料电池。
根据替代性或补充实施方式，电能产生系统包括电池或具有多个源的混合系统。
根据特定实施方式，充电飞行器为无人机。
电推进式飞行器还可以包括例如作为备用系统的用于通过煤油或氢产生电能的机载系统。
根据特定的有利实施方式，充电飞行器、用于将充电飞行器连接至电推进式飞行器的临时电连接装置、以及电推进式飞行器中的荷电调节装置适于同时给所有的机载电池组再充电。
根据替代性或补充实施方式，充电飞行器本身为电推进的。
本发明还涉及一种用于借助于根据前述权利要求中的任一项所述的系统给电推进式飞行器的电池再充电的方法，其中：
-电推进式飞行器或其飞行员检测其电池的低荷电状态并联系最近的充电飞行器；
-电推进式飞行器或其飞行员确保对燃料补给区域中的改道地形进行充分了解并对到达燃料补给区域中的改道地形的飞行时间进行计算，并且还检查燃料补给时剩余的电力储备；
-电推进式飞行器接近充电飞行器，该充电飞行器向电推进式飞行器释放电缆，充电飞行器配备有与电推进式飞行器的装置兼容的临时电连接装置；
-在电推进式飞行器与充电飞行器之间建立了电连接；
-电推进式飞行器激活其机载电池的再充电过程；
-在电池的再充电结束时，电推进式飞行器命令断开及释放电连接装置。
附图说明
通过参照附图来阅读本发明的非限制的示例性实施方式的以下描述，本发明的其他特征及优点将变得明显，附图如下：
图1中描绘了通过充电飞行器给电推进式飞行器的电池再充电的步骤的示意图；
图2中描绘了本发明的上下文中的临时连接装置的第一示例性实施方式的截面图；
图3中描绘了图2的装置的立体图；
图4中描绘了临时连接装置的第二示例的正视图。
具体实施方式
本发明提出了一种用于给在飞行中可被再充电的电推进式飞行器10中的机载电池6再充电的系统。
图1中示意性地描绘的该系统包括充电飞行器1、用于将充电飞行器临时电连接至在飞行中可被再充电的电推进式飞行器的装置2、3a、3b、4、以及电推进式飞行器中的荷电调节装置5。
临时电连接装置根据示例包括由充电飞行器——在此为反推力式飞行器——拖曳的挠性电缆缆线2、该缆线的端部处的第一连接器元件3a、设置在电池待再充电的飞行器10的套管4的端部处的第二连接器元件3b。
电缆可以是沿着充电飞行器的逆风方向放置的挠性缆线，并且电缆如在用煤油进行燃料补给的现有技术中一样可以包括使电缆稳固的篮状件，该篮状件形成用于第二连接器元件3b的导向锥体，该第二连接器元件3b设置在其电池待再充电的电推进式飞行器10的套管4的端部处。
电缆还可以用由充电飞行器中的操作器控制的套管来代替。
临时连接装置包括在图2和图3中进行更具体地详细描述的两个互补的插入式连接器3a、3b。
如图2中所示，临时电连接装置被设计成承受湍流，同时适于在紧急情况下且在燃料补给结束时安全地断开。
为此，互补的插入式连接器3a、3b在此包括用于联接两个插入式连接器的电磁装置，该电磁装置包括通过金属丝351连接至飞行器中的控制装置的电磁体35。
根据示例，互补的插入式连接器包括自定心的锥形联接轮廓36、37和端部连接的同轴环形触头31a、31b、31c。
在充电飞行器侧上，触头通过电导体311a、311b、311c连接至充电装置。
在待再充电的飞行器侧上，触头通过导体312a、312b、312c连接至荷电平衡装置5并且在可能的情况下连接至飞行器的发动机或多个发动机的电源电路。
在此，触头31a可以是共同地向电池再充电且向发动机或多个发动机供应电力的群集触头，触头31b为电池充电触头，并且触头31c为在充电期间向飞行器的电动发动机供应电力的触头。
还可以考虑四个触头，两个触头用于电池的再充电，两个触头用于在再充电期间向发动机供应电力。
连接必须对湍流具有稳固性、确保安全锁定和燃料补给之后的安全解锁、并且允许在再充电期间的紧急情况下快速地断开联接。在此，这通过电磁联接装置变得可能。
将触头支承件中的一个触头支承件安装在由弹簧38悬挂的板上在此确保了触头彼此支承。
电推进式飞行器的再充电插入式连接器3b在此设置在臂4上，但是也可以设置在飞行器的机头上。
图3描绘了具有锥形联接部36的位于缆线侧的插入式连接器3a和具有锥形联接部37的位于电推进式飞行器侧的插入式连接器3b，锥形联接部36、37面向彼此。
为了同时给所有机载电池组再充电，用于使电池组和电池单元上的荷电平衡的电路5为电推进式飞行器中的机载电路。
图4示出了适于补给燃料的替代性插入式连接器100，该插入式连接器从周缘至中心同心地包括磁性环形装置101、正环形触头102(可以设想具有250V电压)、环形绝缘衬底103、环形接地轨104、环形绝缘衬底105、以及燃料补给器与电池充电管理系统之间的中央数据传输触头。
充电飞行器和临时连接装置除了给电推进式飞行器的机载电池6供应并传输再充电电流之外，还适于给电推进式飞行器的发动机或多个发动机7供应并传输电源电流。如上所见，这可以通过一个或更多个额外的触头来完成。
荷电调节装置5包括用于使机载电池的电池组和电池单元61上的荷电平衡的电路。尽管这增大了可再充电的电推进式飞行器中的机载重量，但这使得有可能简化临时连接的布线。
荷电调节装置例如为BMS(电池管理系统)型的，其为用于控制电池的可以设想电池荷电调节装置中的更多功能性的装置。
通常，BMS为在充电期间监控电池单元的电流、电压和温度的所谓的智能装置。
BMS可以在电池单元过电压、过度充电的情况下或者在温度过高的情况下决定与充电器断开或者警告飞行员这样做。
BMS还使与燃料补给飞行器的充电器通信成为可能，以便BMS本身控制电池充电电流。这可以借助于计算机总线(例如CAN总线)或借助于模拟控制来完成。该计算机总线或模拟控制最终包括构成电池组的电池单元之间的有源或无源平衡装置。
理想地，充电飞行器1、用于将充电飞行器临时电连接至电推进式飞行器的装置2、3a、3b、4、以及电推进式飞行器中的荷电调节装置5适于同时给所有的机载电池组再充电。
为了给他或她的航空器的电池再充电，在电推进式飞行器的飞行期间，飞行员决定连接至充电飞行器，充电飞行器可以快速地给电推进式飞行器的电池再充电。
基于目前的电池，对具有2×10kW的发动机、2×30kW电池(250V×120A)的再充电、3C的充电速率的飞行器进行估计，80％再充电的再充电时间估计为约15分钟。
如上所见，充电飞行器在再充电阶段期间还可以给电推进式飞行器的发动机供应电力。
该电力供应特别地可以通过专用缆线和触头31b来提供，以传送必需的电流并输送必需的电压。
充电飞行器可以是配备有电能产生系统100的飞行器，该电能产生系统100可以是联接至发电机的热力发动机、燃料电池单元、电池或者具有多个源的混合系统。
充电飞行器还可以是配备有相同类型的能量产生系统的无人机。该无人机可以具有可用于产生电力的更大的空间和重量。
充电飞行器本身可以是电推进式飞行器。
当在常规的煤油燃料补给的情况下时，必须提前确定并了解燃料补给区域，并且因此，在再充电不管出于什么原因而出现故障的情况下，通过下述至少三个因素来考虑安全性：
-在再充电时剩余的电力储备；
-再充电高度；
-对再充电区域中的改道地形的充分了解以及对到达再充电区域中的改道地形的飞行时间的计算。
本发明的系统需要为此目的受过训练的两个飞行员或者适于该任务的自动驾驶功能。
而且，本发明的系统在快速再充电电池的背景下设计，然而快速再充电电池与慢速再充电电池相比确实具有较小的能量密度，这意味着由此可影响飞行器的重量预算。
快速充电电池可以应对具有诸如起飞和爬升之类的高电力需求的阶段。一旦再充电，则这些电池在再充电之后可以使飞行继续。
然而，可以结合具有高能量密度的电池，但是在这种情况下，针对强消耗的起飞和飞行开始阶段缓慢再充电，而使快速再充电电池用于其余的飞行。
再充电步骤然后将在相比应对起飞的电池不得不供应较少的能量的快速再充电电池上进行。
本发明可以根据待被执行的任务使电池的选择最优化。
本发明的实施被分解成多个步骤：
-待再充电的飞行器10检测其电池的低荷电状态并联系最近的充电飞行器1；
-待再充电的飞行器10确保对燃料补给区域中的改道地形的充分了解以及对到达再充电区域中的改道地形的飞行时间的计算。待再充电的飞行器10也检查在燃料补给时剩余的电力储备；
-待再充电的飞行器10接近充电飞行器1，该充电飞行器1向待再充电的飞行器10释放电缆2，该电缆2配备用于并且与待再充电的飞行器10的电磁锁3b的电连接兼容；
-待再充电的飞行器10激活机载电池6的再充电过程；
-在电池6再充电结束时，再充电飞行器10略微地减速。施加至缆线2的产生的机械张力然后可以通过产生比插入式连接器3a与3b之间的电磁引力更大的力来断开电连接器3a、3b。
本发明的电推进式飞行器还可包括可以通过煤油产生电能的机载系统(例如涡轮发电机)或联接至可以通过氢产生电能的发电机的小的热力发动机，例如燃料电池单元。该系统可以提高飞行器的电力储备或在电池完全放电的情况下提供备用电力，但是该系统增加了机载重量并增加了推进系统的复杂性。
目前，电池容量在2C至4C的再充电速率下为约200Wh/kg，但是可能考虑能够设计一种具有1000Wh/kg的电池和10C的再充电速率的区间飞行器，该区间飞行器针对2MW的发动机功率和1.6MWh的电池容量在10％的储备的情况下将提供一个小时的飞行时间以及6至7分钟的再充电时间。
还可能设想使用在超导温度下操作的缆线和发动机。
本发明适用于所有类型的电推进式飞行器、飞机、直升机、无人机。本发明特别地使得可能提出具有合理尺寸、能够处理中等距离任务、甚至长距离的任务的无人机，但是在这种情况下，所述无人机由与充电飞行器连接的机载自动系统操纵，该充电飞行器本身可以是自动的。

Claims (16)

1.一种用于给电推进式飞行器(10)中的机载电池(6)再充电的系统，其特征在于，所述系统包括充电飞行器(1)、用于将所述充电飞行器临时电连接至所述电推进式飞行器的装置(2、3a、3b、4)、以及所述电推进式飞行器中的荷电调节装置(5)。
2.根据权利要求1所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述充电飞行器和所述临时连接装置除了给所述电推进式飞行器的所述机载电池(6)供应并传输再充电电流之外，还适于给所述电推进式飞行器的发动机或多个发动机(7)供应并传输电源电流。
3.根据权利要求1或2所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述机载电池(6)包括快速充电电池，所述快速充电电池为由再充电系统进行再充电的对象。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述临时电连接装置(2、3a、3b、4)被设计成抵抗湍流，同时适于在紧急情况下以及在燃料补给结束时安全地断开。
5.根据权利要求4所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述临时连接装置包括两个互补的插入式连接器(3a、3b)和用于联接所述两个插入式连接器的电磁装置，其中一个插入式连接器由所述充电飞行器的挠性缆线或套管(2)支承，另一个插入式连接器由所述电推进式飞行器的接合装置(4)支承。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述荷电调节装置包括用于使所述机载电池的电池组和电池单元(61)上的荷电平衡的电路。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述荷电调节装置为用于控制所述电池的如下装置：所述装置在充电期间监控所述电池单元的电流、电压和温度，适于在所述电池单元过电压、过度充电的情况下或者在温度过高的情况下决定与充电器断开或者警告飞行员这样做，并且适于与燃料补给飞行器的充电器通信以便自身控制电池充电电流。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述充电飞行器配备有适于给所述电推进式飞行器的推进电池再充电的电能产生系统(100)。
9.根据权利要求8所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述电能产生系统(100)包括联接至发电机的热力发动机。
10.根据权利要求8或9所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述电能产生系统(100)包括燃料电池。
11.根据权利要求8、9或10所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述电能产生系统(100)包括电池或具有多个源的混合系统。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述充电飞行器(1)为无人机。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述电推进式飞行器还包括用于通过煤油或氢产生电能的机载系统。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述充电飞行器(1)、用于将所述充电飞行器连接至所述电推进式飞行器的所述临时电连接装置(2、3a、3b、4)、以及所述电推进式飞行器中的所述荷电调节装置(5)适于同时给所有的机载电池组再充电。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的用于给电推进式飞行器中的机载电池再充电的系统，其中，所述充电飞行器(1)本身为电推进式的。
16.一种用于借助于根据前述权利要求中的任一项所述的系统给电推进式飞行器的电池再充电的方法，其中：
-所述电推进式飞行器或其飞行员检测其电池的低荷电状态并联系最近的充电飞行器；
-所述电推进式飞行器或其飞行员确保对燃料补给区域中的改道地形进行充分了解并对到达所述燃料补给区域中的改道地形的飞行时间以及在燃料补给时剩余的电力储备进行计算；
-所述电推进式飞行器接近所述充电飞行器，所述充电飞行器向所述电推进式飞行器释放电缆，所述充电飞行器配备有与所述电推进式飞行器的装置兼容的临时电连接装置；
-在所述电推进式飞行器与所述充电飞行器之间建立了电连接；
-所述电推进式飞行器激活其机载电池的再充电过程；
-在所述电池的再充电结束时，所述电推进式飞行器命令断开及释放所述电连接装置。
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