充电控制系统、包括其的飞行器及通过其控制充电的方法与流程

本发明总体上涉及交通工具比如飞行器上的电池的领域。具体地，本发明涉及用于对至少一个飞行器电池的充电进行控制的系统和方法，并且更确切地，涉及用于至少基于来自电池的至少一个参数的信息以及关于飞行器的任务剖面的信息来对飞行器电池的充电进行控制的系统和方法。

背景技术：

1、应当观察到的是，用于下文中所描述的交通工具的至少一个电池的充电控制系统适用于飞行器，例如适用于电驱动飞行器或混合动力飞行器，而且还可以适用于其他类型的交通工具。

2、主要出于经济和生态的原因，电能越来越频繁地用作交通工具所用的能源。这种能源可以储存在交通工具的适当隔室中所安装的一个或更多个电动电池——在下文中被称为“电池”——中。这些电池的目的是向交通工具的各种系统、比如推进系统、控制命令系统和电气设备供应电力，以用于其操作。

3、所有飞行器都包括电气系统，并且在绝大多数情况下，主电气系统包括一个或更多个电池。例如，在飞行前期间使用电池为电气系统供电，并且使辅助动力单元(apu)和/或发动机起动。一旦被起动，apu或发动机驱动发电机，该发电机然后为电路供电并为电池再充电。

4、目前用于飞行器的电池、比如锂离子(li-ion)电池和镍镉(nicd)电池包括充电限制装置，该充电限制装置允许在达到特定电压以上停止充电，但是在充电期间不进行电流控制。

技术实现思路

1、本发明提供了根据权利要求1的充电控制系统、根据权利要求9的飞行器以及根据权利要求10的用于对至少一个电池的充电进行控制的方法。从属权利要求公开了本发明的特定实施方式。

2、为了解决对飞行器电池充电控制的需要，本发明提出了一种用于对飞行器电池的充电进行控制的充电控制系统以及一种用于根据飞行阶段对飞行器电池的充电进行控制的方法。

3、在第一发明方面中，本发明提供了一种用于对飞行器的至少一个电池的充电进行控制的充电控制系统，该系统包括：

4、-至少一个电池控制单元，至少一个电池控制单元配置为监测至少一个电池的至少一个参数；

5、-控制器，该控制器与至少一个电池控制单元进行数据通信，并且配置为至少接收与飞行器的任务剖面相关的数据；

6、其中：

7、至少一个电池控制单元和控制器配置为连接至飞行器的电力网络；

8、至少一个电池控制单元还配置为基于至少一个电池的至少一个参数来确定多个充电设定点，每个充电设定点包括至少与至少一个电池可以接收到以进行充电的电流目标相关的数据；

9、控制器配置为接收来自至少一个电池控制单元的充电设定点以及至少一个电池的至少一个参数，并且至少基于充电设定点、至少一个电池的至少一个参数以及与飞行器的任务剖面相关的数据来确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点；并且

10、至少一个电池控制单元还配置为根据由控制器选择的充电设定点向至少一个电池供应来自飞行器的电力网络的电力。

11、本充电控制系统适合于安装在飞行器上，目的是对飞行器的至少一个电池的充电进行控制。该系统包括至少一个电池控制单元和控制器。充电控制系统对一个或更多个电池的充电进行控制，从某种意义上说，其确定电池是否必须充电以及如何充电。术语“电池”还可以意指多个单池电池或电池架。

12、电池控制单元配置为监测电池的至少一个参数。电池的至少一个参数代表电池的功能和/或物理状态。电池的至少一个参数可以选自：充电状态、健康状态、温度、电力状态、电池单池的不平衡状态、故障状态、电压、容量或其任何组合。

13、电池控制单元还配置为基于所监测到的电池的至少一个参数来确定多个充电设定点。充电设定点是电池应当被充电的最大电流的指示，并且包括至少与电池可以接收到以进行充电的电流目标相关的数据。本控制充电系统能够根据所述电池的至少一个参数从多个不同的充电设定点来确定每个电池的适当的充电设定点。每个充电设定点对应于一充电模式，并且被理解为限定如何对电池进行充电(如果需要)的至少一个参数，并且该参数可以通过级别或范围来区分，使得可以考虑多个充电模式。充电模式的示例可以是快速充电速率、最佳充电速率和慢速充电速率。最佳充电速率将理解为在各自特定情况下使电池寿命最优化的充电速率。因此，电池控制单元确定针对充电模式的充电设定点，使得每个充电设定点对应于一充电模式。

14、另一方面，控制器与至少一个电池控制单元进行数据通信，以用于接收由电池控制单元确定的充电设定点以及还由电池控制单元提供的与电池的至少一个参数有关的数据。另外，控制器被提供有来自飞行器系统的与飞行器的任务剖面相关的数据。飞行器的任务剖面限定了飞行器任务期间出现不同事件和环境时的阶段。具体地，“任务”是特定于行业的术语，其用于飞行器行程的细节，比如行进距离或飞行范围、运行时间、乘客数目、发光段数目、行李、客舱尺寸等。也就是说，任务剖面由飞行距离、高度、乘客、有效载荷、位置、任务如何变化、飞行时间、路线上的具体天气状况以及其他来限定。简单的任务剖面包括以下阶段：滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆和停止。

15、基于与飞行器的任务剖面、充电设定点以及电池的至少一个参数相关的数据，控制器配置为确定是否对电池进行充电以及根据哪个充电设定点。也就是说，基于飞行、飞行器和电池状况，控制器决定是否对电池进行充电，并且如果是这样的话，则选择由电池控制单元已经确定的充电设定点中的一个充电设定点，即选择在哪个充电模式(例如快速、最佳和慢速)下对电池进行充电。

16、电池控制单元和控制器两者配置为连接至飞行器的电力网络。与飞行器的电力网络的这种连接允许电池控制单元和控制器两者的操作。另外，控制器配置为接收与飞行器的电力网络上的瞬时可用电力有关的信息。控制器还可以考虑关于电力网络中的瞬时可用电力的这个信息，以确定是否对电池进行充电以及根据哪个充电设定点。

17、控制器配置为指示飞行器的电力网络向每个电池供应电力以进行充电，使得电池控制单元对供应至电池的电力进行控制，从而满足已经确定的充电设定点。控制器和电池控制单元与电力网络的连接还允许控制器将命令发送至飞行器的电力网络的汇流条，以通过电池控制单元对电池进行充电。此外，基于来自控制器的指令通过电力网络提供所确定的对电池进行充电的电流目标(必要的电力)，这些指令向电池控制单元指示充电设定点，该充电设定点包括应当对电池进行充电的电流目标。具体地，当控制器确定充电设定点——电池根据该充电设定点进行充电——时，控制器通知电池控制单元，发送所确定的充电设定点，以便使电池控制单元对电池的充电进行控制，从而确保由控制器确定的这种充电设定点将被实现。

18、在实施方式中，电池控制单元包括转换器和电池监测系统。电池监测系统负责监测电池参数并确定充电设定点，而转换器负责将来自飞行器的电力网络的电力转换为足够的电力以对电池进行充电。转换器可以是将直流电从一个电压电平转换为另一电压电平的dc/dc类型(例如，降压转换器)，或者是将交流电转换为直流电的ac/dc类型。因此，转换器通常通过对来自飞行器的电力网络的电力进行转换以供应至电池来对电池的充电进行控制。

19、飞行器设置有电气系统，该电气系统是由产生、传输、分配、利用和储存电能的各部件组成的独立网络。此外，电力经由被称为汇流条或母线的公共点供应至飞行器中的各种通电部件。因此，电力分配系统基于一个或更多个母线和一电力网络。

20、充电设定点配置为根据需要随时更新。例如，在电池特性发生变化即电压过高/过低、温度过高、意外的电池单池故障等的情况下，电池控制单元相应地更新充电设定点并通知控制器。另外，控制器还配置为在命令模式下将所确定的充电设定点传送至飞行器电气系统，使得飞行器电气系统根据所确定的充电设定点通过飞行器的电力网络来分配电力以对电池进行充电。

21、本充电控制系统有利地允许对飞行器中的电池的充电进行实时的精确控制。另外，该系统的配置允许对电池充电进行管理，以增强可操作性并优化电池的寿命。此外，该系统允许给定的电池设计在具有不同温度范围的不同区域中的安装灵活性，从而仅修改对每个特定电池所允许的充电类型的确定。

22、现有飞行器电池中的电流的控制不是基于诸如电池可操作性需求以及根据实时参数优化寿命之类的因素来执行的。这可能导致在低温下对电池施加潜在的应力，并且由于在电池温度下以过高的电流对电池进行充电而导致该电池的寿命减少，或者导致在其他操作情况下在需要电池进行操作时对电池充电太慢。本发明的充电控制系统避免了这些缺点。

23、在特定实施方式中，控制器配置为按照预先确定算法来确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点，该预先确定算法考虑了与飞行器的任务剖面相关的数据、充电设定点以及至少一个电池的至少一个参数。

24、在特定实施方式中，每个充电设定点对应于给定的电池充电速率。根据该实施方式，用于限定电池的充电设定点的参数是充电速率。特别地，充电设定点包括一组不同的充电速率，使得电池必须根据飞行器的需要(至少根据任务剖面)和电池的至少一个参数以预先设定的充电速率范围进行充电。

25、在更具体的实施方式中，充电设定点对应于三个电池充电速率，即快速、最佳速度和慢速，并且电池控制单元配置为确定与每个快速充电速率、最佳充电速率和慢速充电速率相对应的动态充电设定点。这三个充电速率代表了预定的速率范围。然而，本系统不限于这三种充电速率。在其他实施方式中，可以根据飞行器的操作场景来限定不同数目的充电设定点，并且/或者可以基于除充电速率之外的参数来限定充电设定点。

26、在特定实施方式中，控制器还配置为接收来自全体机组人员或来自机组成员以及/或者来自配置为对飞行器操作的至少一部分进行管理的计算机的输入数据。来自全体机组人员或来自机组成员以及/或者来自计算机的数据是从飞行器或从地面提供的请求使用电力来执行特定操作的输入指令。来自全体机组人员或来自机组成员或者来自计算机的数据的示例是关于计划的apu启动顺序的数据、与天气相关的操作决策以及空中交通管理影响等。控制器还考虑从全体机组人员或计算机接收的数据，以确定是否对电池进行充电以及根据哪个充电设定点。充电设定点的选择应当遵循根据包括全体机组人员请求的不同输入所计算的电池使用优先级来进行。

27、根据该实施方式，来自驾驶机组人员或来自远程控制团队或计算机的输入数据也在决策环中，以适应电池的充电。也就是说，操作输入也被采用作为控制器的用以决定飞行器中的每个电池的充电设定点的参数。有利地，与现有技术相比，该解决方案为电池寿命带来了附加值，并且不仅从电气角度关注发动机概况和电力优化，而且还提高了储存隔室的寿命。也就是说，电池在默认情况下不以其最大速率进行充电，这可能给电池单元施加应力。如果没有立即预期特定的操作需求，则电池可能非常缓慢地进行充电。甚至可能由于操作条件(即很短的飞行，并且根据飞行器配置)，并非所有的电池都被需要，因此可能仅考虑为一些电池进行充电。

28、在特定实施方式中，电池的至少一个参数选自：

29、-充电状态；

30、-健康状态；

31、-温度；

32、-电力状态；

33、-电池单池的不平衡状态；

34、-故障状态；

35、-电压；

36、-容量；

37、-基于以上参数中的多个参数计算出的参数。

38、优选地，电池控制单元监测的电池参数至少是充电状态、电力状态和故障状态。

39、电池的充电状态(soc)描述了可用电荷与可以在任何时刻储存于电池中的最大可能电荷的比率。充满电的电池的soc＝1或100％。

40、健康状态(soh)描述了给定时间下的最大电池容量与寿命开始时电池的额定容量的比率。新电池具有最大的soh，并且该值随着老化而与容量的减小一致地减小。

41、电池的温度描述了电池内部的温度。

42、电池的电力状态(sop)是电池在给定时刻能够提供的最大功率能力，即在给定时间能够从电池获得的功率。

43、不平衡电池是指电池单池在电池的内部没有均匀地进行充电或具有不同电压的情况。

44、电池故障可能发生在传感器或连接器中以及单池水平处、例如在一个或多个单池由于短路、断路、深度放电或热失控等而发生故障的情况下。

45、电池容量是由于电池中的电化学反应而产生的总电量，并且以安培小时(ah)表示。

46、在特定实施方式中，与飞行器的任务剖面相关的数据包括以下各项中的至少一者：

47、-当前飞行阶段；

48、-飞行计划；

49、-剩余巡航时间；

50、-以上各者中的任意者的组合。

51、优选地，控制器接收的与飞行器的任务剖面相关的数据至少包括当前飞行阶段、飞行计划和剩余巡航时间。

52、已知的飞行器的管理系统的飞行阶段是起飞前、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近和停止。这些飞行阶段中的一些飞行阶段发生在地面上，而其他飞行阶段发生在飞行中。当前飞行阶段是飞行器所在的飞行阶段。

53、飞行计划是由飞行员或飞行调度员在启程之前向当地空中导航服务提供商提交的文件，该文件指示飞行器的计划路线或飞行路径。

54、剩余巡航时间是移动至下降阶段的剩余飞行时间并且取决于飞行计划。

55、在实施方式中，控制器还配置为接收与至少一个飞行器参数相关的数据，以用于确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点。至少一个飞行器参数优选地选自：电气紧急情况、飞行器系统故障状态、电网状态、外部/内部电力可用性、负载管理系统输入、以上参数中的任意者的组合。更优选地，控制器配置为：接收与至少一个飞行器参数相关的数据以及与任务剖面相关的数据，并且至少基于充电设定点、至少一个电池的至少一个参数、至少一个飞行器参数以及与飞行器的任务剖面相关的数据来确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点。优选地，与任务剖面相关的数据至少包括当前飞行阶段、飞行计划和剩余巡航时间，并且至少一个飞行器参数包括电力可用性。

56、电气紧急情况是主要发电设备损耗(例如：发动机损耗或发电机完全损耗)时的飞行器状况。

57、飞行器系统故障状态是飞行器的与能量管理相关的系统中的任一者中的故障，比如发电机、发动机、配电元件的故障之类的指标。

58、电网状态是飞行器电网的状态比如电力的可用性、接触器状态、在存在的情况下所应用的重新配置之类的指标。

59、外部电力可用性是在任何给定时间可从地面器件获得以供应至飞行器的电力量的指标。

60、内部电力可用性是在任何给定时间可从飞行器发电设备获得以供应至飞行器的电力量的指标。

61、负载管理系统输入是从飞行器卸下负载(例如：连结至客舱装备的非必要负载)以管理可用电力与负载所需电力之间的网络稳定性和顺应性的可能性。

62、在特定实施方式中，充电控制系统配置为控制多个电池的充电，该系统包括多个电池控制单元，其中，每个电池控制单元配置为基于电池的至少一个参数来确定针对所述电池的充电设定点。

63、飞行器通常具有多个机载电池。在这个意义上，根据该实施方式，借助于电池监测系统为每个电池确定充电设定点。也就是说，安装在飞行器上的所有可充电电池的至少一个参数将由电池控制单元进行实时监测。

64、将由电池控制单元监测的数据以及同样由电池控制单元确定的充电设定点提供给控制器。根据来自电池控制单元的该数据以及飞行器的至少任务剖面，控制器确定要对多个电池中的哪些电池进行充电以及根据哪个充电设定点。

65、根据该实施方式，充电控制系统具有下述能力：不仅控制一个电池的充电，而且能够控制飞行器中的多个电池的充电，考虑所有的电池，考虑飞行器中的可用电力和任务剖面，并且决定应当对哪些电池进行充电以及根据哪个充电设定点。

66、不存在已知的方法来管理充电以使电池寿命最优化。

67、在第二发明方面中，本发明提供了一种飞行器，该飞行器包括：

68、-至少一个电池；

69、-电力网络；以及

70、-根据第一发明方面的充电控制系统；

71、其中：

72、充电控制系统的至少一个电池控制单元连接至所述至少一个电池并连接至电力网络；

73、充电控制系统的控制器连接至电力网络；并且

74、充电控制系统配置为根据是否对至少一个电池进行充电的确定来通过至少一个电池控制单元向至少一个电池提供电力。

75、该飞行器设置有至少一个电池、形成该飞行器的电气系统的一部分的电力网络、以及如以上先前所描述的充电控制系统。充电控制系统配置为将至少一个电池连接至电力网络，目的是控制所述电池的充电。

76、电池控制单元和控制器两者配置为连接至电力网络。所述连接允许通过电池控制单元向电池供应电力，以便根据控制器已经选定的充电设定点对电池进行充电。也就是说，控制器在飞行器的电气系统上执行控制，并且特别是在电力网络上执行控制，以在指定的充电设定点下向电池提供电力供应命令。

77、电池控制单元还连接至电池以管理从飞行器的电力网络输入至电池的电力。具体地，电池控制单元管理输入至电池的电力，从而适应来自飞行器的电力网络的电力。

78、在示例中，安装在飞行器上的电池可以包括锂化学，或者可以设置有超级电容器或其他储存技术。

79、在第三发明方面中，本发明提供了一种用于借助于根据第一发明方面的充电控制系统来控制飞行器的至少一个电池的充电的方法，该方法包括以下步骤：

80、a)通过充电控制系统的至少一个电池控制单元来监测至少一个电池的至少一个参数；

81、b)基于在先前步骤中所监测到的至少一个电池的至少一个参数借助于至少一个电池控制单元来确定多个充电设定点；

82、c)向充电控制系统的控制器提供与飞行器的任务剖面相关的数据、由至少一个电池控制单元确定的充电设定点以及至少一个电池的至少一个参数；

83、d)至少基于与飞行器的任务剖面相关的数据、充电设定点以及至少一个电池的至少一个参数，由控制器来确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点；以及

84、e)如果由控制器确定是，则根据充电设定点通过至少一个电池控制单元对至少一个电池进行充电。

85、本方法允许至少根据飞行器的任务剖面和电池的至少一个参数来以精确的方式控制飞行器中的至少一个电池的充电。该方法在确定是否对电池进行充电以及根据哪个充电设定点的意义上控制电池的充电。

86、根据本方法，首先由电池控制单元监测电池，以获得关于电池的至少一个参数的数据。电池的至少一个参数代表电池的功能和/或物理状态。基于电池的至少一个参数，电池控制单元确定每个预定充电模式的充电设定点。将电池的至少一个参数和充电设定点提供给控制器。另外，控制器还至少接收与飞行器的任务剖面相关的数据。最后，控制器确定是否要对电池进行充电，并且如果是，则根据要对哪个电池进行充电来决定充电设定点，并且然后根据所选定的充电设定点通过电池控制单元对电池进行充电。基于控制器的确定，控制器将所选定的充电设定点通知给电池控制单元，并指示飞行器的电力网络向电池控制单元供应电力以用于对电池进行充电。

87、在特定实施方式中，该方法还配置成用于控制飞行器的多个电池的充电。

88、在特定实施方式中，步骤c)还包括向控制器提供来自全体机组人员或来自机组成员以及/或者来自配置为对飞行器操作的至少一部分进行管理的计算机的输入数据。

89、在实施方式中，该方法还包括下述步骤：向控制器提供至少与一个飞行器参数相关的数据，以用于确定是否对至少一个电池进行充电以及根据哪个充电设定点。优选地，至少一个飞行器参数选自：电气紧急情况、飞行器系统故障状态、电网状态、外部/内部电力可用性、负载管理系统输入、以上参数中的任何参数的组合。

90、在特定实施方式中，如果在步骤a)中，至少一个电池控制单元确定电池的充电状态低于其最小充电状态，并且在步骤c)中，控制器接收到剩余巡航时间低于第一预定阈值的指示，则在步骤d)中，控制器确定必须根据第一充电设定点对所述电池进行充电。

91、在特定实施方式中，如果在步骤a)中，至少一个电池控制单元确定电池的充电状态低于其最小充电状态并且所述电池的温度低于第二预定阈值，并且在步骤c)中，控制器接收到剩余巡航时间高于第一预定阈值的指示，则在步骤d)中，控制器确定必须根据第二充电设定点对电池进行充电。

92、在特定实施方式中，如果在步骤c)中，控制器接收到飞行器仅具有低于第三预定阈值的可用电力来向至少一个电池提供电力的指示，则在步骤d)中，控制器确定电池必须根据第三充电设定点进行充电。

93、在更具体的实施方式中，每个充电设定点对应于一电池充电速率，并且第一充电设定点对应于与第二充电设定点和第三充电设定点所关联的电池充电速率相比而较快的电池充电速率，并且第三充电设定点对应于与第一充电设定点和第二充电设定点所关联的电池充电速率相比而较慢的电池充电速率。根据更具体的实施方式，对于本充电控制系统而言，第一充电设定点对应于最大充电速率，第二充电设定点对应于最佳充电速率，并且第三充电设定点对应于慢速充电速率。最大充电速率(也被称为快速充电速率)可以基于将充电时间优化的充电设定点，然而，快速充电速率影响电池寿命。最佳充电速率可以基于在充电时间与电池劣化之间折衷的充电设定点。慢速充电速率可以基于优先考虑电池寿命而非充电时间的充电设定点。