电池管理系统、方法和空中运载工具技术方案

本发明专利技术涉及电池管理系统、方法和空中运载工具，用于利用两个冗余、独立且不相似的通道来进行电池状态观察和可选的健康参数观察，特别是进行荷电状态(SOC)观察。具体地，通道中的第一通道的SOC确定是基于库仑计数的。另一通道采用与库仑计数不同的算法。在实施例中，电池健康观察进一步由两个通道独立进行，其中第一通道采用老化模型，另一通道采用不同的(不相似的)算法。基于状态观察和健康观察，可以预测电池系统的状态(功能状态)以根据预定的飞行剖面确定飞行航程。行剖面确定飞行航程。行剖面确定飞行航程。

【技术实现步骤摘要】
电池管理系统、方法和空中运载工具


[0001]本专利技术涉及电池管理系统。更具体地，本专利技术涉及用于电动空中运载工具的储能系统的健康监测的电池管理系统。

技术介绍

[0002]近年来，电力作为用于驱动空中运载工具的能量形式变得越来越重要。这特别包括具有垂直起降功能的电动飞行器(eVTOL)。
[0003]包括eVTOL的电动(即电驱动/电推进)飞行器的关键组件是适当的储能系统(ESS)。储能系统可以以可充电电池的电池系统的形式实现，其可以被构造成多个单独电池单元。单独电池单元可以组合在一起以形成用作储能系统的飞行器电池系统的一个或多于一个电池模块。适用于本专利技术框架的电池类型的示例是锂(Li)离子电池，本专利技术不限于此。
[0004]一般来说，储能系统的功能是为电驱动飞行器提供足够的可获得能量，以供安全飞行和着陆。由于这一般是关于空中交通的情况，因此最高安全标准适用于包括ESS的空中运载工具的组件。为了确保安全操作，特别是为了确保在有足够量的剩余可获得能量的情况下安全着陆，必须监测限定了对可获得能量的量进行限制的临界状态的ESS的参数，并将该参数通信至操作者。
[0005]这样的参数包括但不限于例如ESS的单独电池单元的单元温度或荷电状态(SOC)。由于这样的参数中的一些参数不是可直接测量的量，而是与内部状态相关，因此ESS的设计必须预见用于相应状态观察的适当设备。状态观察基于对包括但不限于终端单元电压、单元表面温度或电流等的物理数据的测量。此外，必须考虑状态确定中可能存在的残差，因为这潜在地限制可获得能量，从而限制空中运载工具的航程。考虑到用于描述ESS及其状态的任意模型的有限精度，这样的残差一般会发生。此外，电池的可获得能量高度依赖于飞行剖面(flight profile)。因此，能量管理系统还必须进行关于直到电驱动飞行器实现安全着陆为止的规划的飞行剖面的状态预测。具体地，在本公开的框架中，类似“监测”或“观察”的术语用于指示不仅在特定时间点处确定相应数据(功能状态、健康参数)，而且重复其确定，以便收集关于其随时间发展的信息，特别是在特定飞行之前和特定飞行期间随时间发展的信息。可以根据环境来设置更新各个确定的间隔，并且尤其可以设置为小到可以进行准永久性观察。
[0006]更一般地，其区分了表征电池系统的两个类型的相关时间因变量。一方面，(电池单元)状态由随时间快速演变(即根据系统输入以秒计)的系统变量来限定。单元状态的示例有单元荷电状态、单元芯温度或单元片温度。另一方面，健康参数是随时间缓慢演变(即根据系统输入以天计)的系统变量。
[0007]健康参数监测的重要性在于，除了反映当前荷电状态的特定变量之外，电池的整体状态还取决于附加因素，这些附加因素尤其可以反映电池寿命周期期间更大时间尺度上的诸如老化等的变化，并且被概括在术语“健康参数”下。特别地，电池健康参数可以包括但不限于单元容量和单元阻抗中的至少一个。
[0008]因此，在ESS的设计阶段的关键的任务是，当要确定ESS的当前状态，特别是要确定限定剩余飞行航程的剩余可获得能量时，规划的飞行的状态预测和健康预测的最大误差是已知的，并且每次在单个飞行的规划期间以及在飞行本身期间可以被考虑。规划的剖面限定了一段时间内消耗的功率，并应严格符合飞行器的操作要求。ESS全寿命的状态预测中的最大误差度量应被视为安全裕度。这确保了状态观察和状态预测中的残差不会特别影响ESS在其已知物理极限内的利用。
[0009]因此，基于状态监测和健康参数监测的状态预测可以确保规划的剖面直到实现安全着陆为止都不违反任何安全边界。这允许操作者在根据特定剖面的飞行期间以及在着陆前的任何时间确认给定任务的可用能量和航程。
[0010]下面将参照图1描述在根据特定飞行剖面的飞行期间要由能量管理系统进行的用于状态观察和状态预测的任务的示意图。
[0011]在图1的上部，示出了指示随时间变化的在根据剖面的飞行期间所需的功率的图。从图中可以看出，在紧接着起飞后和飞行的最后阶段(即着陆前)，所需的功率特别高。在图中所示的示例中，假设由处于飞行状态的飞行器的符号指示的当前时间处于起飞和着陆阶段开始之间。因此，就当前时间而言，之前的飞行阶段已经过去，即将到来的飞行阶段应根据规划的飞行剖面执行。如进一步指示的，出于安全原因，通过飞行结束时的阴影框，应该在目的地处保持一定量的能量可用。因此，时间尺度上的终点由仍然可获得预定剩余能量的条件(“终点条件”)来限定。换句话说，为了考虑状态预测中的不确定性，在剩余可获得能量的基础上仍可达到的所指示的稍后的时间点(“物理极限”)不应被认为是在操作中可到达的。
[0012]在飞行期间，ESS的状态被永久监测(“状态观察”)。这包括但不限于物理测量、基于模型的估计、借助神经网络的观察以及基于模型的测量数据校正/校准。状态观察具体观察多个功能状态(State of Function SOF)。多个功能状态可以包括但不限于例如单元荷电状态(State of Charge SOC)、单元芯温度、单元电流连接器温度、单元电流和HV(高压)线缆温度。
[0013]基于当前时间之前(过去)的飞行阶段期间的状态观察，来对未来时间点进行状态预测。特别地，状态预测可以包括使用查找表、基于模型的预测和使用神经网络的预测，但不限于此。通过考虑预先确定的任意安全裕度和残差，这使得能够预测直到规划的飞行剖面结束为止的状态(例如上面列出并在图的下部指示的SOF)。特别地，一旦根据规划的飞行剖面着陆时的剩余可获得能量低于预定义的“目的地处的剩余能量”，就必须立即向操作者发出警报，以确保在最近的可到达的机场处安全着陆。
[0014]可获得能量的错误确定会导致灾难性的故障情况。该分类源于这样的假设，即错误地显示可获得能量将引导飞行员执行如下的飞行操纵(特别是飞行距离)，即电池无法在具有足够的能量来继续飞行和着陆的情况下维持这样的飞行操纵。
[0015]如上所述，确定电池状态或健康特别是电池单元的荷电状态或阻抗的参数，一般不是可直接测量的量。为此，出现了问题，即如何以符合空中交通中适用的最高安全要求的可靠方式，特别是以针对电动空中运载工具适用的最高安全要求的可靠方式确定电池荷电状态或健康。

技术实现思路

[0016]本专利技术旨在提供电池管理系统和相应的方法，该电池管理系统能够可靠地确定和监测电动空中运载工具的ESS的电池状态，从而符合空中交通中适用的高安全要求。
[0017]这通过独立权利要求的特征来实现。
[0018]根据本专利技术的第一方面，一种用于电动空中运载工具的电池管理系统，所述电池管理系统适于观察形成所述空中运载工具的储能系统的电池系统的当前电池荷电状态即当前电池SOC，所述电池管理系统包括：用于电池状态确定的冗余且不相似的两个通道，其中，所述两个通道中的第一通道包括用于通过使用库仑计数算法来确定所述电池系统的多个电池单元中的各单独电池单元的SOC的设备，所述两个通道中的第二通道包括用于使用不同于所述库仑计数算法的机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电动空中运载工具的电池管理系统，所述电池管理系统适于观察形成所述空中运载工具的储能系统的电池系统的当前电池荷电状态即当前电池SOC，所述电池管理系统包括：用于电池状态确定的冗余且不相似的两个通道，其中，所述两个通道中的第一通道包括用于通过使用库仑计数算法来确定所述电池系统的多个电池单元中的各单独电池单元的SOC的设备，所述两个通道中的第二通道包括用于使用不同于所述库仑计数算法的机制来确定所述电池系统的多个电池单元中的各单独电池单元的SOC的设备。2.根据权利要求1所述的系统，还适于电池健康观察，其中，所述通道各自还包括用于确定所述多个电池单元中各单独电池单元的电池健康参数的设备，所述第一通道对所述电池健康参数的确定基于老化模型，该老化模型基于观察到的利用来确定电池健康，并且所述第二通道对所述电池健康参数的确定基于不同于所述老化模型的机制。3.根据权利要求2所述的系统，其中，各单独电池单元的单元阻抗或单元容量被用作电池健康参数。4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述第一通道的用于确定电池健康参数的设备包括用于测量各单独单元的电流、电压和温度的设备。5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中，所述第一通道的用于确定电池健康参数的设备由定期进行的维护过程支持，其中所述维护过程至少包括代表性充电过程或对脉冲功率曲线的确定。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第二通道使用基于模型的SOC估计算法和可选的基于模型的单元参数估计算法，以用于电池健康状态观察。7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述第一通道中的用于通过使用库仑计数算法来进行SOC确定的所述设备包括：用于确定地面操作期间针对构成所述电池系统的多...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：百合电动飞机公司，
类型：发明
国别省市：