CN117642340A - 无人驾驶飞行器储能单元的主动热控 - Google Patents

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Abstract

描述了用于能量存储单元的主动热控的***、设备和技术。在一些实施例中，无人驾驶飞行器(UAV)包括电池包。电池包包括多个电池电芯和外壳，外壳与多个电池电芯耦合以将多个电池电芯物理地保持在布置中。该布置限定多个电池电芯之间的空隙空间。UAV还包括被配置为冷却电池电芯的冷却***。冷却***包括与电池包流体地耦合以驱动冷却流体通过空隙空间的强制对流源。冷却***还包括与强制对流源电耦合以可控制地激活强制对流源的冷却控制器。

Description

无人驾驶飞行器储能单元的主动热控
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年12月10日提交的美国专利申请号17/548,153的权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，并且具体地但非排他地，涉及在UAV的飞行期间和飞行之间对能量存储单元的主动热控(thermalcontrol)。
背景技术
随着无人驾驶飞行器(UAV)(也称为无人机)的舰队(fleet)被招募用于小型包裹输送、航空摄影、公共安全等，UAV将以增加的数量和增加的频率操作以支持客户需求。对于电动垂直起降(eVTOL)UAV，从电池包(battery pack)或其他机载能量存储单元释放能量会在单元内产生热量，从而在起飞、巡航和着陆期间提高电池、能量单元等的操作温度。
对于锂离子电池、锂聚合物电池或其他电池电芯(battery cell)，在特征范围之外(例如，高于上限阈值或低于下限阈值)的温度下操作可以加速构成电池包的电池电芯的退化。作为说明性示例，在比30℃的上限阈值高大约10℃-20℃的温度下操作锂离子电池可以将预期电池寿命减少多达一半。单个电池电芯的加速退化暗示浪费增加、UAV的维护增加以及UAV舰队大小的增加，以在舰队的部分停驻以进行维护的同时满足需求。
然而，与主动热控***的典型陆地应用不同，UAV存在若干非典型挑战，包括：(i)减轻热管理***的重量；(ii)满足由UAV的空气动力学形状设置的包络约束；以及(iii)在典型飞行的不同阶段(例如，悬停、巡航、起飞和/或着陆)期间在进气道(inlet)和排气道(outlet)压力的广泛变化上操作。
此外，并入UAV中的电池电芯通常呈现固定的形状因子，并且对暴露于液体(诸如可能包括电解质的水)敏感。如其他飞行器一样，UAV通常被设计为尽可能轻。然而，对于货运(cargo)应用，货运容量直接取决于UAV的重量，使得热控***的相对益处特别重要(例如，增加的重量相比改善的电池寿命)。因此，需要主动热管理的***和方法，以去除由电池电芯的电流的放电生成的热量，其适应于由UAV应用施加的非典型约束。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中，除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部件。并非元件的所有实例都必须被标记，以免在适当的情况下使附图混乱。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明所描述的原理上。
图1A示出了根据本公开的实施例的包括热管理***的无人驾驶飞行器(UAV)。
图1B示出了根据本公开的实施例的具有多个任务段的示例UAV，每个任务段具有不同的功率分布(power profile)。
图2A和图2B示出了根据本公开的实施例的示例UAV。
图3A和图3B示出了根据本公开的实施例的完成多个任务的UAV的温度作为时间的函数的示例曲线图。
图4示出了根据本公开的实施例的包括布置中的多个圆柱形电池电芯的示例电池包。
图5A-图5E示出了根据本公开的实施例的电池包中的电池电芯的示例性布置。
图6A-图6C示出了根据本公开的实施例的包括间隔器(spacer)的电池包中的平面电池电芯的示例性布置。
图7A-图7D示出了根据本公开的实施例的包括与电池包流体地耦合的进气道和排气道的示例性UAV。
图8是示出根据本公开的实施例的用于使用热管理***来管理在具有多个任务段的任务期间由电池电芯的放电生成的热量的过程的流程图，每个任务段具有不同的功率分布。
具体实施方式
本文描述了用于并入无人驾驶飞行器(UAV)中的能量存储单元的热管理的***、装置和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等被实践。在其他情况下，公知的结构、材料或操作未被详细示出或描述，以避免模糊某些方面。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
在一些实施例中，热管理***被用于在装置或载具(诸如自主载具(AutonomousVehicle，AV))的任务的段期间控制能量存储单元的温度。对于无人驾驶飞行器(UAV)，典型任务，参考从基地(base)位置单次启程到单次返回到基地位置，其可能包括在一个或多个位置处的多个停靠，整个任务的不同任务段由不同的功率分布表征(例如，需要以不同的峰值功率输送的不同的总能量)。在上下文中，功率分布至少部分地指代从一个或多个电池包抽吸(draw from)的电流，该一个或多个电池包供应电力以驱动螺旋桨、旋翼和/或控制和引导***。在任务的每个段期间和之间的悬停飞行、巡航飞行和操纵以及电池的充电在电池包中生成热量，这提高了电池包的温度。
对于锂离子电池、锂聚合物电池或其他电池电芯，在特征范围之外(例如，高于上限阈值或低于下限阈值)的温度下操作可以加速构成电池包的电池电芯的退化。作为说明性示例，在比30℃的上限阈值高大约10℃-20℃的温度下操作锂离子电池可以将预期电池寿命减少多达一半。单个电池电芯的加速退化暗示浪费增加、UAV的维护增加以及UAV舰队大小增加，以在舰队的部分停驻以进行维护的同时满足需求。
与主动热控***的典型陆地应用不同，UAV存在若干非典型挑战，包括：(i)尽可能大程度地减轻热管理***的重量；(ii)满足由UAV的空气动力学形状设置的包络约束；以及(iii)在典型飞行的不同阶段(例如，悬停、巡航、起飞和/或着陆)期间在进气道和排气道压力的广泛变化上操作。在本文描述的实施例中，例如，UAV可以在地面上时在UAV机翼和主体的外表面上经历相对均匀的压力。然而，在悬停和巡航期间，至少部分地基于UAV的速度、风速和风向以及UAV机翼和主体的外表面上的位置，环境压力可以广泛地变化。在对流冷却(convective cooling)包括从UAV的环境抽吸空气的情况下，强制对流源(source offorced convection)(诸如风扇或鼓风机)的上游的压力变化可能会影响通过电池包的流速并且可能会降低冷却效率。
如其他飞行器一样，UAV通常被设计为尽可能轻。对于货运应用，特别地，货运容量直接取决于UAV的重量与功率的比率，使得热控***的相对益处特别重要(例如，增加的重量相比改善的电池寿命)。由于增加的功率需求，电池放电速率随着更高的货运负荷而增加，置于热管理***上的热负荷也会增加。因此，需要主动热管理的***和方法，以去除由电池电芯的电流的放电生成的热量，其适应于由UAV应用施加的非典型约束。此外，空气温度可随季节、区域和高度而变化，使得在某些情况下，过冷可能由空气的过量流动引起。为此，强制对流的被动源(诸如冲压流或进气口)可能使电池电芯过冷并损伤电池包的寿命，或者可能损坏电池电芯，例如，通过可能使电池电芯短路的枝晶(dendrite)的生长。
此外，基于能量存储材料的类型和配置，并入UAV中的电池电芯通常呈现固定的形状因子。电池对暴露于可能从外部环境渗透的液体敏感。出于该原因，UAV通常使用基于传导的除热配置，该除热配置依赖于散热器来从电池包去除热量，而不是电池电芯的直接对流冷却。因此，暴露于外部环境以冷却电池电芯给维持电池包和UAV的性能引入了重大挑战。
图1A示出了根据本公开的实施例的包括示例热管理***110的无人驾驶飞行器(UAV)105。示例***110包括电池包115、强制对流源120、温度控制器125、温度传感器130和功率调节器135。电池包115包括多个电池电芯117。电池包115还可以包括一个或多个间隔器119和外壳505(参考图5A-图5E中描述的)。电池电芯117被布置成限定电池包115中的空隙空间，使得强制对流源120可以驱动在电池电芯117之间和周围的冷却流体121的流动。在电池包115的上下文中，术语“空隙空间”是指电池包115的体积的一部分，冷却流体121可以流过该部分。例如，外壳505可以限定空腔，在该空腔内电池电芯117设置在布置中，其中该布置通过使电池电芯117彼此间隔开来限定空隙空间。在一些实施例中，电池电芯117通过与一个或多个间隔器119耦合被布置。间隔器119可以限定间隔开的并且可以平铺的电池电芯117的子集，使得电池电芯117的布置可以由外壳505和间隔器119确定。在一些实施例中，强制对流源120是电风扇或鼓风机，其可以被配置为将空气推入电池包115或通过电池包115抽吸空气。在其他实施例中，强制对流源120是压缩气体源，其被配置为使用由于膨胀而冷却的气体来冷却电池电芯。在一些实施例中，强制对流源120可以包括多个风扇、鼓风机、压缩气体源或其组合。
在一些实施例中，示例***110的组件可以设置在UAV 105的机身204或机翼202中和/或至少部分地并入UAV 105的机身204或机翼202中(参考图2A中描述的)。为此，示例***110的至少一些组件可以设置在机身204的前段(forward section)，而其他组件可以设置在机身204的后段(aft section)，例如，相对于机翼202的前缘。在说明性示例中，电池包115和强制对流源120设置在机身204的前段中，并且温度控制器125和功率调节器135设置在机身204的后段中。
示例***110的组件，诸如电池包115、强制对流源120和温度传感器130，可以经由进气道705和排气道710与UAV 204周围的环境流体地耦合(参考图7A-图7D中描述的)。在一些实施例中，进气道705和排气道710的位置可以至少部分地基于在水平和/或垂直飞行期间由在机身204和/或机翼202的蒙皮上产生的压力梯度施加的空气动力学约束来确定。例如，为了为强制对流源120提供背压(backing pressure)，进气道705可以设置在机身204或机翼202中与相对高压力相对应的位置处。以这种方式，可以通过UAV 105的运动建立通过电池包115的冷却流体121的被动流动。在不下降到电池电芯117操作受到损伤的温度以下的条件下，这种被动流动可以是简单且有效的。冷却流体的供应主要由UAV 105的速度和进气道705的面积确定。
然而，在寒冷条件下，在环境温度低于下限阈值温度321(参考图3中描述的)的情况下，通过电池包115的被动流动可能导致过冷。过冷可以负面地影响电池电芯117的性能，例如，通过在UAV进入更温暖或更潮湿的环境时引起电池电芯117上的冷凝，通过降低电池电芯117的电阻，或者通过在电池电芯117内引起损伤其功能的结构的形成。为此，进气道705和排气道710都可以设置在机身204或机翼202中与进气道705处的UAV 105的表面上的压力系数与排气道710处的压力系数基本相等相对应的位置处。在上下文中，术语“基本上”用于描述可能不相等，但是当UAV 105处于水平运动时不会在进气道705和排气道710之间引起压力驱动的流动的压力。在一些实施例中，压力驱动的流动可以发生，但是可以是微不足道的或基本上可忽略的，使得在电池温度的控制方面的对流冷却由强制对流源120的操作而不是UAV 105的运动来管理。在说明性示例中，进气道705和排气道710可以设置UAV104的机身204中对于当UAV处于水平飞行时确定的机身204的表面上的压力系数基本相等的位置处。在这种配置中，当UAV 105在地面上、悬停或水平飞行时，冷却流体121的流动将基本上为零，除非强制对流源120是活动的。与被动压力驱动的流动配置相反，如通常在载具和活塞式飞机中看到的，冷却流体121的流动不随UAV 105的前进速度而变化。相反，流动可以通过强制对流源120的主动控制来被发起、控制和终止。
至少由于这些原因，UAV电池电芯117的主动热管理可以包括使用强制对流源120而不是被动压力驱动的流来调制冷却流体121的流速以避免过热和过冷。在一些实施例中，示例***110包含一个或多个压力传感器131以主动测量和/或控制***110组件(诸如强制对流源120和/或通风口或流动阻尼器(flow damper)123)的操作。在一些实施例中，进气道705和排气道710的放置可以根据流体动力学模拟(例如，有限元法)确定。
在电池电芯117被配置为通过暴露于从UAV 105周围的环境抽吸的空气而被冷却的情况下，可能发生暴露于液态水，包括盐、酸或其他溶解的化学物质。为了降低腐蚀的速率，电池电芯117可以至少部分地用疏水或其它防水或耐水涂层137来保护。涂层137可以是或包括丙烯酸、氨基甲酸酯(urethane)、UV可固化(UV-curable)聚合物、硅树脂(silicone)或合成橡胶材料，其可以被应用到电池电芯117的一个或多个端子(terminal)端部139。例如，涂层137可以设置在电池电芯117的正端子端部和负端子端部139两者上。以这种方式，绝缘和防潮层可以在电池包115的对流冷却期间保护电池电芯117免受冷却流体121中夹带的湿气和液态水的影响。
图1B示出了根据本公开的实施例的具有多个任务段的示例UAV 105，每个任务段具有不同的功率分布。在示出的实施例中，UAV 105具有任务，其中，它从巢(nest)位置140垂直发射并上升到其巡航高度(任务段1：悬停曲线)，巡航到航点145(任务段2：巡航曲线)，垂直下降以获取包裹，然后垂直上升回到其巡航高度(任务段3：悬停曲线)，巡航到输送目的地150(任务段4：巡航曲线)，垂直下降以输送包裹，然后垂直上升回到其巡航高度(任务段5：悬停曲线)，巡航回到巢位置140(任务段6：巡航曲线)，并且下降以在巢位置140处着陆(任务段7：悬停)。
当UAV 105在恒定高度悬停、上升或下降时，悬停任务段由相对高的峰值功耗的短持续时间表征。相反，巡航任务段由相对较低峰值功耗的较长持续时间表征。然而，巡航任务段的总能耗通常远大于悬停任务段的总能耗。此外，高峰值功率悬停任务段被较低峰值功率巡航任务段的较长持续时间分开或分解。就在任务段1-任务段7期间生成的热量而言，与较高峰值功率放电相对应的悬停段以比巡航段更高的速率生成热量，巡航段与较低峰值功率放电下的较长放电持续时间相对应。相反，巡航段生成更大的总热负荷。因此，在不同任务段期间UAV 105的热管理可以包括主动对流冷却***，该主动对流冷却***被配置为从电池包115去除热量，使得累积的热量不会损坏电池电芯117，例如，通过将电池包的操作温度提高到阈值温度以上，如参考图3A-图3B中更详细地描述的。
图2A和2B示出了根据本公开的实施例的UAV 200，其非常适合于各种类型的UAV任务，包括包裹输送、空中摄影、公共安全或其他。图2A是UAV 200的顶侧透视图图示，而图2B是UAV 200的底侧平面图示意。UAV 200是图1中示出的UAV 105的一个可能的实施方式，但是也可以实现其他类型的UAV。
UAV 200的示出的实施例是垂直起降(Vertical Takeoff and Landing，VTOL)UAV，其包括分别用于提供水平和垂直推进的单独的推进单元206和212。UAV 200是固定翼飞行器，顾名思义，其具有机翼组件202，当由推进单元206水平推进时，机翼组件202可以基于机翼形状和飞行器的向前空速生成升力。UAV 200的示出的实施例具有包括机身204和机翼组件202的机架(airframe)。在一个实施例中，机身204是模块化的并且包括电池模块、航空电子模块和任务有效载荷模块。这些模块被固定在一起以形成机身或主体。
电池模块(例如，机身204的前部)包括用于容纳用于为UAV 200供电的一个或多个电池的空腔。航空电子模块(例如，机身204的后部(aft portion))容纳UAV 200的飞行控制电路，其可以包括处理器和存储器、通信电子设备和天线(例如，蜂窝收发器、wifi收发器等)以及各种传感器(例如，全球定位传感器、惯性测量单元、磁罗盘、射频标识符读取器等)。任务有效载荷模块(例如，机身204的中部)容纳与UAV 200的任务相关联的装备。例如，任务有效载荷模块可以包括用于保持和释放外部附加的有效载荷(例如，用于输送的包裹)的有效载荷致动器215(参见图2B)。在一些实施例中，任务有效载荷模块可以包括相机/传感器装备(例如，相机、透镜、雷达、激光雷达、污染监测传感器、天气监测传感器、扫描仪等)。在图2B中，机载相机220安装到UAV 200的下侧，以支持用于视觉三角测量、视觉里程计、地理基准导航的计算机视觉***，以及作为光学代码扫描仪操作，用于读取固定到包裹的视觉代码。
如图所示，UAV 200包括定位在机翼组件202上的水平推进单元206，用于水平地推进UAV 200。UAV 200还包括固定到机翼组件202的两个悬臂(boom)组件210。垂直推进单元212安装到悬臂组件210。垂直推进单元212提供垂直推进。垂直推进单元212可以在悬停模式期间使用，其中UAV 200下降(例如，到输送位置)、上升(例如，在初始发射时或在输送之后)或保持恒定高度。稳定器208(或尾翼)可以包括在UAV 200中，以在巡航期间控制俯仰并稳定飞行器的偏角(yaw)(左转或右转)。在一些实施例中，在巡航模式期间，垂直推进单元212被禁用或被低供电，并且在悬停模式期间，水平推进单元206被禁用或低供电。
在飞行期间，UAV 200可以通过控制其俯仰、滚转、偏角和/或高度来控制其移动的方向和/或速度。来自水平推进单元206的推力用于控制空气速度。例如，稳定器208可以包括用于控制飞行器的偏角的一个或多个方向舵208a，并且机翼组件202可以包括用于控制飞行器的俯仰的升降舵和/或用于控制飞行器的滚转的副翼202a。作为另一示例，同时增加或减小所有螺旋桨叶片的速度可以分别导致UAV 200增加或减小其高度。
示出的固定翼飞行器的许多变型是可能的。例如，具有更多机翼的飞行器(例如，具有四个机翼的“x-机翼”配置)也是可能的。尽管图2A和图2B示出了一个机翼组件202、两个悬臂组件210、两个水平推进单元206和每悬臂组件210六个垂直推进单元212，但是应当理解，UAV 200的其他变型可以用更多或更少的这些组件来实现。
应当理解，本文对“无人驾驶”飞行器或UAV的引用可以同样适用于自主和半自主飞行器。在完全自主的实施方式中，飞行器的所有功能都是自动的；例如，经由响应于来自各种传感器的输入和/或预定信息的实时计算机功能被预编程或控制。在半自主实施方式中，飞行器的一些功能可以由人类操作员控制，而其他功能自主地执行。此外，在一些实施例中，UAV可以被配置为允许远程操作员接管可以由UAV自主控制的功能。此外，给定类型的功能可以在一个抽象的级别(level of abstraction)处被远程控制，并且在另一个抽象的级别处被自主执行。例如，远程操作员可以控制UAV的高级导航决策，诸如指定UAV应该从一个位置行进到另一个位置(例如，从郊区中的仓库行进到附近城市中的输送地址)，而UAV的导航***自主地控制更细粒度的导航决策，诸如在两个位置之间采取的特定路线、实现路线并在导航路线时避开障碍物的特定飞行控制等。
图3A和图3B示出了根据本公开的实施例的完成多个任务的UAV的温度作为时间的函数的示例曲线图300和350。示例曲线图300和350中呈现的数据表示未按比例呈现的电池包115的平均温度的说明性数据。示例曲线图300和350在纵坐标轴上呈现平均温度并且在横坐标轴上呈现时间，展示了在放电段310和充电段315期间UAV电池包的热管理。示例曲线图300和350进一步示出了热管理如何可以在起飞330和着陆335之间将电池包115的平均温度维持在阈值温度320或阈值温度320以下，并且可以在任务之间降低保留在电池包115中的残余热量325。
示例曲线图300示出，如温度曲线305，在没有电池包115的对流冷却的UAV中电池包115的温度作为时间的函数的，跨参考如图1B中描述的多个任务。温度可以表示电池包115的平均温度、代表性电池电芯117的温度、可以被校准以允许估计电池电芯117的平均温度的电池包115的排气道处的温度等。温度曲线305展示了热量在放电段310期间累积并且在充电段315期间消散。应当理解，充电电池电芯117(诸如锂离子电池或锂聚合物电池)也可以生成热量，但是放电段310和充电段315之间的热量生成的相对差异是显著的，使得在充电段315期间热量被消散到环境中。
在充电段315期间依赖于通过机身204的自然对流或传导来冷却电池包115(例如，通过与电池包115热接触的热沉组件的自然对流冷却)可导致残余热量325被保留在电池包115中，这增加了起飞330处的初始温度。在示例曲线图300中，残余热量325由第一放电段310-1与第二放电段310-2之间的温度曲线305的偏移表示。在说明性示例中，第一放电段310-1可以与在足以将电池包115的温度与周围环境平衡的时间段之后的任务相对应(例如，日常工作周期或维护期后的初始任务)。残余热量325也可以由比电池包115的平衡时间短的任务频率(示出为起飞之间的时间330)导致。
在示例曲线图300中，对于放电段310和充电段315的至少一部分，温度曲线305超过阈值温度320。在没有电池电芯的主动冷却的情况下，热量累积在电池包115内并且例如通过热沉(heat sink)被传导到环境，其通过暴露于环境而被对流冷却。因此，在电池包115内生成的热量导致在阈值温度320以上的温度。阈值温度320是UAV中采用的能量存储单元的材料特定特性。例如，锂基(lithium-based)电池电芯可以在包括其插值和分数的约20℃或更高、约21℃或更高、约22℃或更高、约23℃或更高、约24℃或更高、约25℃或更高、约26℃或更高、约27℃或更高、约28℃或更高、约29℃或更高、约30℃或更高、约31℃或更高、约32℃或更高、约33℃或更高、约34℃或更高、约35℃或更高、约36℃或更高、约37℃或更高、约38℃或更高、约39℃或更高、约40℃或更高、约41℃或更高、约42℃或更高、约43℃或更高、约44℃或更高、约45℃或更高、约46℃或更高、约47℃或更高、约48℃或更高、约49℃或更高、约50℃或更高、或更高的温度下表现出加速退化。在一些实施例中，使用除了锂基电池之外的电池电芯117的能量存储可以由不同的阈值温度320表征，如相关领域的普通技术人员将理解的。
在阈值温度320以上，可能发生电池电芯内部的材料和结构的退化，包括触点的腐蚀、电池材料的膨胀或其他充放电循环效应。在一些实施例中，退化可以通过在阈值温度320以上每10℃将寿命减少一半或更多来影响构成电池包115的电池电芯的寿命。因此，例如，锂离子电池在60℃或在60℃以上的持续操作可以将电池电芯的寿命减少多达75％或更多，其中阈值温度320与约30℃相对应。有利地，实现示例热管理***110可以减少或基本上消除在阈值温度320以上的操作，从而保持电池包115的寿命。
类似地，电池性能的退化可以由在下限阈值温度321以下操作导致，如示例曲线图300中横坐标下方所示。应当理解，下限阈值温度321可以指普通温度尺度(诸如华氏度或摄氏度)中的负温度，或者可以指小于273开尔文的温度。例如，取决于构成电池包115的材料，下限阈值温度321还可以指大于273K的温度。例如，已知锂基电池当在包括其插值和分数的约5℃或更低、约4℃或更低、约3℃或更低、约2℃或更低、约1℃或更低、约0℃或更低、约-1℃或更低、约-2℃或更低、约-3℃或更低、约-4℃或更低、约-5℃或更低、约-6℃或更低、约-7℃或更低、约-8℃或更低、约-9℃或更低、约-10℃或更低、约-11℃或更低、约-12℃或更低、约-13℃或更低、约-14℃或更低、约-15℃或更低、约-16℃或更低、约-17℃或更低、约-18℃或更低、约-19℃或更低、约-20℃或更低、或更低的温度下操作时以加速的速率发展枝晶。锂基电池中的枝晶形成已知会导致触点之间的短路，其损伤了电池保持电荷的能力并且可能导致充电段315期间的过热和***。如参考图1A中更详细地描述的，电池电芯117的过冷可以显著减少寿命，使得参考图8中描述的双向控制方案可以有益于将电池电芯117的平均温度维持在避免过热和过冷两者的操作范围内。为此，进气道705和排气道710的位置可以通过限制或基本上消除通过电池包115的冷却流体121的被动压力驱动的流动直到强制对流源120被激活来促进这种控制。
与示例曲线图300相反，图3B中的示例曲线图350示出了包括示例热管理***110的UAV 204的温度曲线355。在温度曲线305包括阈值温度320以上的显著的时间段的情况下，温度曲线355示出了阈值温度320以上可忽略的时间花费。另外，通过在充电段315期间主动冷却电池电芯，相对于由图3A的温度曲线305描述的残余热量325，示例曲线350展示出减少的残余热量360。
如参考图4-图6E中更详细地描述的，电池包115的构成电池电芯117之间的对流冷却的引入加速了在放电段310和充电段315两者期间从电池包115去除热量。以这种方式，可以通过激活和/或去激活强制对流源120，允许温度在充电时在着陆335和起飞330之间达到环境温度，并且限制放电段310期间的峰值温度来控制电池包温度。
图4是示出根据本公开的实施例的电池电芯117和间隔器119的对的示例子集400的示意图。在一些实施例中，一个或多个间隔器119用于将电池电芯117保持在布置中使得电池电芯117彼此分离，以在相邻电池电芯117之间提供空隙空间425。间隔器119可以通过包括一个或多个孔405、一个或多个第一耦合件410和一个或多个第二耦合件415来促进可扩展的电池包尺寸和多种差异配置，如参考图5A-图5E中更详细地描述的。
在一些实施例中，可以形成间隔器119，其包括成形为接收电池电芯117的多个孔405。如图所示，电池电芯117可以是圆柱形电芯，诸如锂离子电池。因此，间隔器119可以包括孔405以接收一个或更多个电池电芯、两个或更多个电池电芯、三个或更多个电池电芯、四个或更多个电池电芯、五个或更多个电池电芯、六个或更多个电池电芯、七个或更多个电池电芯、八个或更多个电池电芯、九个或更多个电池电芯、十个或更多个电池电芯或更多。虽然示出为间隔器119中的圆柱形通孔，但是孔405也可以成形为轮廓槽(contouredslot)、空白孔或可以机械地保持电池电芯117的其他配置。有利地，延伸穿过间隔器119的孔405可以允许与电池电芯117的端子端部139形成电触点。在一些实施例中，在孔405不延伸穿过间隔器119的情况下，间隔器119可以包括设置在孔405内的电触点，或者可以包括辅助孔420，以容纳电触点、传感器探头或示例热管理***110和/或用于UAV 105的电力***的其他组件。例如，温度传感器130可以通过辅助孔420被引入，以暴露于电池电芯117之间的空隙空间425。
在冷却流体121将被驱动通过电池电芯117之间的空隙空间425的情况下，间隔器119基于两个相邻孔405的中心点之间的距离430限定空隙空间425。参考图5E中更详细地描述的电池包115中的空隙空间425。距离430可以大于电池电芯117的直径，但是可以小于、等于或大于孔405的直径。例如，孔405可以成形为间隔器119中的部分重叠的圆形通孔，其中孔405的直径超过电池电芯117的直径。以这种方式，距离430可以超过电池电芯117的直径，但也可以小于孔405的直径。
第一耦合件410和第二耦合件415促进包括示例子集400的倍数的电池包115中的间隔器119的平铺和可扩展性。例如，参考图5A-图5E中描述的布置可以包括多达并且包括数十个电池电芯117或更多。因此，第一耦合件410和第二耦合件415可以被配置为以使间隔器119可以在两个维度上平铺的方式可逆地配对(mate)。有利地，以这种方式平铺可以至少部分地通过允许根据需要添加、去除和/或更换电池电芯117的子集而不从电池包115中去除单独的电池电芯117来提升电池包115的制造、组装和/或维护的效率。在说明性示例中，第一耦合件410和第二耦合件415可以成形为形成燕尾接合(dovetail joint)，使得两个配对的间隔器119可以基于距离435处于预定的位置。然而，应当理解，第一耦合件410和第二耦合件415可以成形为形成槽接合(slot joint)、钉接合(peg joint)、榫接合(Mortiseand tenon joint)，或者可以以其他方式接合。例如，间隔器119可以通过粘合剂(诸如胶带或胶水)接合。在一些实施例中，电池电芯117和间隔器119可以由张力聚合物材料(例如，收缩缠绕(shrinkwrap)或热缠绕(heatwrap)聚合物)以物理地保持子集400而不阻碍冷却流体121的流动的方式结合。
如图所示，距离435可以约等于孔405的半径。然而，在一些实施例中，距离435可以是孔405的半径的一部分，或者可以大于孔405的半径。在说明性示例中，电池包115可以包括示例子集400的两个实例，其中第一间隔器119-1与第二间隔器119-2耦合以限定电池电芯117的多行布置，如参考图5A-图5E中更详细地描述的。在该示例中，距离435可以是非零的，使得当第一间隔器119-1和第二间隔器119-2耦合时，电池电芯117以与距离435相等的横向偏移被布置，如参考图4A中更详细地描述的。
在一些实施例中，间隔器119还包括第三耦合件440和第四耦合件445，以允许多个间隔器119以线性方式耦合。例如，示例子集400的两个实例可以被结合以形成具有两倍数量的电池电芯117的电池包，同时保持电池电芯117相对于强制对流源120的线性对准。为了进一步提升电池包115的组装和维护的模块性，耦合件410、415、440和445可以包括电触点450或其他组件，以使电池电芯117具有与电池包115级互连件(interconnect)(诸如焊接镍片(welded nickel)或片材(sheet))的电触点。
为此，间隔器119可以由轻质电绝缘材料形成，该轻质电绝缘材料可以在放电和/或充电期间承受高达和超过电池电芯117和/或电源总线455的温度的温度。例如，间隔器119可以由在高达120℃的温度下不变形或不排出气体的热固性塑料形成。在另一个实例中，间隔器119可以由包括但不限于多孔氧化铝的轻质陶瓷材料形成。用于间隔器的附加和/或替代材料包括但不限于热塑性塑料、激光切割纸板、闭孔泡沫、开孔泡沫以及放置在电池电芯117之间的泡沫间隔器的组合，其中张紧(tensioned)或粘合带或片材缠绕在电池电芯117周围。
图5A-图5E示出了根据本公开的实施例的示例热管理***110的电池包115中的电池电芯117的示例性布置500、530、550、570和580。示出的布置包括在一个或多个空间维度上物理地分离的多个电池电芯117，使得该布置限定电池电芯117之间的空隙空间。此外，示出的布置包括外壳505的组件，外壳505的组件成形为物理地保持电池电芯117，同时保持电池电芯117和外壳505之间的空隙空间。在一些实施例中，如参考图4中更详细地描述的，使用间隔器119将电池电芯117设置在示例性布置500、530、550、570和580中。如图5A-图5D所示，相对于强制对流源120的进气道和排气道的位置，强制对流源120可以被配置为抽吸冷却流体121通过电池包115或将冷却流体121驱动到电池包115中。参考图7A-图7D中更详细地描述的进气道和排气道的位置。
图5A示出了示例性布置500，其包括相对于强制对流源120的位置彼此横向偏移的电池电芯117的多个行510。在示例性布置500中，电池包115包括电池电芯117的第一行510-1，其在纵向方向上比电池电芯117的第二行510-2更靠近强制对流源120。在上下文中，术语“纵向方向”与当强制对流源120激活时被驱动通过空隙空间的冷却流体121的流动的方向相对应。如参考图4中更详细地描述的，第一行510-1和第二行510-2在横向方向上相对于彼此移位。在上下文中，“横向方向”是指与纵向方向相垂直的方向。示例性布置500包括电池电芯117的四个行510，其被分组为每个行510中的四个电芯117的子集。以这种方式，示例性布置500与包括16个电池电芯117的示例性电池包115相对应。
外壳505被示出为具有包括多个挡板515的结构，所述多个挡板515补充行510的横向位移。以这种方式，可以在电池电芯117和外壳505之间保持一致的间隔。有利地，如图所示，保持一致的间隔可以通过在电池电芯117之间引导冷却流体121来提升电池电芯117的对流冷却，并且减少降低冷却效率的冷却流体121对电池电芯117的绕行。
图5B示出了示例性布置530，其包括相对于强制对流源120的位置彼此横向偏移的电池电芯117的多个行510，并且还包括入口集气室(entry plenum)535。在示例性布置530中，入口集气室用于使冷却流体121流动膨胀到比强制对流源120相对更宽的行510。在一些实施例中，UAV设计的包络或重量平衡约束可以暗示电池电芯117的布置具有较大数量的电池电芯117的相对少的行510。如图所示，示例性布置530包括六个电池电芯117的两个行510，总共十二个电池电芯117。因此，在一些实施例中，行510可以比强制对流源120更宽，使得入口集气室535可以被包括在电池包115中以将冷却流体121散布在行510上。有利地，包括入口集气室535可以通过在电池电芯117的强制对流冷却期间减少死区(dead-zone)和/或湍流(turbulence)来减少电池包115中热点的形成。
图5C示出了示例性布置550，其包括相对于强制对流源120对称地设置的电池电芯117的多个行555。与示例性布置500相反，示例性布置550包括第一行555-1和第二行555-2到从强制对流源120延伸的纵向对称轴线560的一侧。第三行555-3和第四行555-4相对于强制对流源120分别与第一行555-1和第二行555-2相对设置并且分别镜像第一行555-1和第二行555-2。在示例性布置550中，强制对流源被配置为从UAV 105中的进气道(未示出)抽吸冷却流体121，通过电池电芯117，并且随后到达UAV 105中的排气道(未示出)。有利地，当根据示例性布置550设置电池电芯117时，相对于将冷却流体121推入电池包115中，以这种方式配置强制对流源120来抽吸冷却流体121通过电池包115可以提升电池电芯115之间的流动的均匀性
图5D示出了示例性布置570，其包括关于强制对流源120对称设置的多个电池电芯117。在示例性布置570中，电池电芯117没有以行布置，而是形成被配置为例如基于强制对流源120的尺寸跨电池电芯117平均地分布流动的布置。在一些实施例中，由于将电池包115并入UAV 105中而产生的设计约束可以导致电池电芯117的不规则布置，从而提供提升的冷却效率。在上下文中，提升的冷却效率是指作为流体流动的函数而去除的热量，这暗示更小的强制对流源120和相应地更低的功率和空间需求。
在一些实施例中，可以至少部分地基于UAV 105的包络约束来确定示例性布置570。例如，在电池包115被限制于UAV 105的机身204内的设定体积的情况下，这可以基于最小化UAV尺寸并因此最小化阻力的设计目标而发生。为此，示例性布置570可以通过电池电芯117之间和周围的对流流动的模拟被确定，并且可以针对特定UAV被优化以适应尺寸约束并最小化强制对流源的一个或多个参数。因此，间隔器119可以被设计成容纳电池电芯117的优化的配置，并且可以被制造成保持多达并包括电池包115中的每个电池电芯117。
图5E示出了示例性布置580，其包括相对于强制对流源120的位置彼此横向偏移并且彼此纵向偏移可变距离590的电池电芯117的多个行510。如参考图4中更详细地描述的，电池电芯117可以被分离距离585，以允许冷却流体121在电池电芯117之间和周围流动。在不受特定物理现象或作用机制的束缚的情况下，可以通过逐渐降低远离强制对流源120的行510的距离585和/或间隔590来提升冷却效率。例如，收缩距离585和/或间隔590可以增加空隙空间中冷却流体121的平均速度，进而增加从电池电芯117进入冷却流体121的热通量(heat flux)，以抵消增加的冷却剂(coolant)121温度。
在说明性示例中，第一行510的电池电芯117之间的第一距离585-1大于第二行510的电池电芯117之间的第二距离585-2。虽然示例性布置580被示出为具有逐渐减小的距离585和间隔590，但是可以考虑，电池电芯117的布置可以被配置为优化冷却效率，使得距离585和/或间隔590的减小可以被应用于行510的子集而不是每个行510。在一些实施例中，如当电池包115呈现非矩形形状因子时，距离585可以在单个行510内变化。
图6A-图6C示出了根据本公开的实施例的包括间隔器605的电池包115中的平面电池电芯117的示例性布置600、650和670。在示例性布置600、650和670中，电池电芯117呈现平面形状因子。平面电池电芯117的示例包括棱柱形电芯、软包电芯等。平面电池电芯117可以包括例如适合于结合到紧密堆积的布置中的锂聚合物软包电芯。相反，示例性布置600、650和670示出了平面电池电芯117的替代布置，其中电池电芯117在与冷却流体121的流动方向相垂直的方向上偏移。偏移限定电池电芯117之间的空隙空间。以这种方式，电池包115可以允许冷却流体121在电池电芯117之间和周围流动，从而促进强制对流冷却和主动温度控制。如图5A-图5E所示，强制对流源120可以被配置为抽吸冷却流体121通过电池包115或驱动冷却流体121通过电池包。
图6A示出了包括间隔器605的电池包115中的平面电池电芯117的示例性布置600。示例性布置600包括设置在电池电芯117之间并与电池电芯热接触的多个间隔器605。间隔器605可以是或可以包括导管610，导管610构成电池电芯117之间的空隙空间的至少一部分。在说明性示例中，间隔器605是波纹板(corrugated sheet)，其包括限定空隙空间的至少一部分的多个通道。当导管610与来自强制对流源120的流动方向对准时，冷却流体121可以流过导管610并通过强制对流从电池电芯117去除热量。
间隔器605可以是或包括轻质电绝缘材料，例如塑料或多孔陶瓷。间隔器605的材料选择可能受到重量和导热性约束的影响，其中导热性更高的材料(诸如陶瓷)可能比导热性更低的材料(诸如塑料)更重。为此，间隔器605可以包括多个孔615以将电池电芯117直接暴露于导管610。例如，槽可以形成在与导管610基本上对准的间隔器605的垂直表面中，使得冷却流体121可以直接跨电池电芯117的表面流动。有利地，电池电芯117和冷却流体121之间的直接接触可以降低热阻并提升冷却效率。
在示例性布置600中，电池电芯117和间隔器605通过张紧材料(诸如已经被加热以围绕电池包115收缩的弹性体或塑料)620保持在一起。在一些实施例中，张紧材料可以是或可以包括粘合带或片材，其可以被施加以通过粘合机械地保持组件。有利地，张紧材料620可以改善电池电芯117和间隔器605之间的热接触，并且可以减少在主动冷却期间从电池包115出来的冷却流体121的泄漏，进而提升冷却效率。在一些实施例中，张紧材料620可以用于直接保持强制对流源120抵靠电池包115。虽然潜在地限制到电池电芯117的表面的至少一部分的冷却流体121的流动，但是该方法可以在受到UAV 105的尺寸和重量限制的情况下实现。
图6B示出了包括间隔器605的电池包115中的平面电池电芯117的示例性布置650，其中电池包115与强制对流源120物理分离。与示例性布置600相反，示例性布置650包括外壳505，如参考图5A-图5D中更详细地描述的，以相对于电池包115定位强制对流源120以及跨电池电芯117分布冷却流体流121。因此，示例性布置650包括对称的配置，其中冷却流体121从进气道被抽吸并通过电池包115被驱动到UAV 105的排气道。示例性布置650示出了在强制对流源120和电池包115之间的横向对称的集气室535。在一些实施例中，平面电池电芯117可以包括相对于强制对流源120的横向侧面上的电触点。为此，外壳505可以包括设置在外壳505的至少一个横向侧面中的一个或多个入口(portal)655，以允许电池包115到UAV105的***的电连接。附加地和/或替代地，电触点可以被暴露于流体冷却剂121的流动，从而允许触点以及电池电芯117的强制对流冷却。有利地，在流体冷却剂121的路径中设置触点还通过允许例如在维护期间仅访问和/或去除电池电芯117而不是包括外壳505的整个电池包115来提升电池包115的维护、去除和更换的有效性。
图6C示出了包括间隔器605的电池包115中的平面电池电芯117的示例性布置670，其中电池包115与强制对流源120物理分离。示例性布置670展示考虑了电池包115和强制对流源120的不对称配置。在一些实施例中，UAV 105中进气道和排气道的位置或UAV实施方式的其他约束可以暗示不对称配置。如图所示，强制对流源120可以被放置在电池包115的一侧，其中集气室535成形为跨电池包115分布流动。
图7A-图7D示出了根据本公开的实施例的UAV 105，其包括与电池包117流体地耦合的进气道705和排气道710。进气道705和排气道710被示出为定位在UAV 105的机身204和/或机翼202中。进气道705和排气道710可以设置在UAV 105中在水平飞行期间在UAV 105的表面上具有基本相等的压力系数的位置处。以这种方式，示例***110可以通过在UAV在空中(airborne)时激活强制对流源120来可控地冷却电池电芯117而不会在寒冷条件下过冷。如参考图1A中更详细地描述的，在一些实施例中，UAV被配置有进气道705和排气道710，使得UAV 105的运动引起的冷却流体121的被动压力驱动的流动基本上可忽略或没有。有利地，这种布置允许电池包115的热管理，以将电池电芯117的平均温度控制在上限温度阈值和下限温度阈值之间(而不是单个上限阈值)的温度范围内。进气道705与强制对流源120流体地耦合，并且被配置为从UAV 105的环境抽吸冷却流体121。排气道710与强制对流源120流体地耦合，并且被配置为经由电池包115将冷却流体121排出到UAV 105的环境中。在进气道705和排气道710对UAV 105的环境开放的情况下，应当理解，冷却流体121是空气或包括空气。在一些实施例中，进气道705和排气道710设置在机身204中或机身204上与最小附加阻力和最小附加质量相对应的、与到可接受表面和/或方向的最短可用路径相对应的位置处。被示出为格栅，进气道705和排气道710可以呈现多种配置，包括筛网(screen)、管道或其他结构，并且可以包括部分覆盖物以保护示例***110免受风、雨、小物体或可以从环境进入进气道705的其他材料的影响。
当强制对流源120被激活时，移动冷却流体121通过电池包115，将建立从电池包115的上游的相对高的压力到电池包115的下游的相对低的压力的压降。此外，强制对流源120可以被校准或以其他方式被选择为与在给定范围内的强制对流源120的上游的压头(pressure head)一起操作。为此，进气道705和排气道710处的压力可以影响强制对流源120和电池包115的冷却效率、功率消耗和操作寿命。
虽然在排气道710处提供比在进气道705处相对较低的压力可以改进示例***110的操作，但是将示例***110并入UAV 105中引入了对进气道705和排气道710的位置的功能约束，因为当UAV 105在空中时，关于飞行中的稳定性的空气动力学考虑变得至关重要。如参考图3A-图3B中更详细地描述的，在放电段310期间热量生成是最大的，使得在空中时电池电芯117的对流冷却可以影响UAV 105的外表面上的压力分布。压力分布又可以影响飞行稳定性、边界层分离，并且可以以其他方式在飞行中影响UAV 105的性能。在说明性示例中，UAV 105可以在机翼202的前表面和机翼202的后表面(aft surface)之间产生显著的压力梯度。类似地，巡航期间的向前飞行可以在机身204和机翼202上产生与起飞和着陆期间的悬停飞行不同的压力分布。不对称的压力分布可能影响飞行稳定性，并且甚至可能导致在飞行期间UAV 105的不受控制的俯仰或偏角。由飞行稳定性***实现的修正测量(corrective measure)可能增加功耗，从而降低UAV 105的效率。因此，将进气道705和排气道710设置在最小化压力不稳定性的位置处可以减少对流冷却对UAV 105性能的潜在负面影响。
在一些实施例中，如图7A的配置700所示，进气道705和排气道710设置在机翼202前方或后方的机身204上，具有关于机身204的基本对称的放置。关于机身204的对称的放置促进在UAV 105的水平飞行期间在机身204的表面上的压力系数基本相等的位置处的操作。将进气道705和排气道710设置在压力系数基本相等的位置处允许流体冷却剂121的流动和电池电芯117的温度由强制对流源120控制，而不是由进气道705和排气道710之间的压力差引起的压力驱动的流动控制。有利地，图7A中示出的位置允许进气道705和排气道710之间的路径长度被减小，从而改善示例***110的重量增加。
虽然进气道705和排气道710都被示出在机身204的下侧，但是进气道705和排气道710中的至少一个或进气道705和排气道710两者可以设置在机身204的上表面上。由于UAV105水平飞行可以由相对于水平的非零机头角度表征，因此将进气道705和/或排气道710设置在下侧可以减少抽吸空气通过示例***110的影响。在一些实施例中，进气道705和排气道710可以设置在机翼202的前方的机身204中，以更靠近电池包115，其中UAV 105在机身204的前段携带电池包115。在UAV 105在机身204的后段中携带电池包115的情况下，进气道705和排气道710可以设置在机身204的后段中。进气道705和排气道710的位置可以使用流体动力学模型和/或通过相对于UAV 105的中心线的基本对称的放置来确定。与其中冷却流体的流动在与UAV 105的向前运动基本对准的方向上进行的被动压力驱动的流动的操作相比，配置700暗示在与UAV 105的运动的方向不同的方向上的冷却流体121的流动。例如，进气道705和排气道710之间的冷却流体121的流动可以基本上与UAV 105的运动方向正交，这与汽车中的散热器或活塞发动机飞机中的整流罩(cowling)的操作的机制显著地不同，该机制包括在与飞行器的机头基本平行的方向上吸入冷空气并将空气向下重定向并通过飞行器的底部或后部排出。
相比之下，图7B示出了配置720，其中进气道705设置在机身204的横向表面上，排气道710设置在机身204的中央下表面上，在进气道705的后面。这样的配置可以至少部分地通过在尾部处通过排气道710排出空气以及在相对高压力的位置处抽吸空气来减少激活强制对流源120对空气动力学因素(例如边界层分离和可以增加空气动力学阻力的湍流)的影响。应当理解，在水平飞行期间配置720中的排气道710和进气道705处的压力可能是不相等的。为此，排气道710和进气道705可以设置在机身204中，以改善示例***110的操作以及减少示例***110对UAV 105的空气动力学因素的影响。在一些实施例中，示例***110可以在进气道705中包括阻挡流动的流动阻尼器或可控阀门。以这种方式，通过示例***110的压力驱动的流动可以被限制或基本上被消除，以防止在寒冷条件下的过冷。
图7C示出了另一种配置730，其中进气道705和排气道710设置在机翼202中。被示出在后缘上，进气道705和/或排气道710可以设置在机翼202中，以利用相对高的表面压力，其可以在强制对流源120被激活时降低示例***110对表面压力的影响。为此，进气道705和排气道710可以具有相同的尺寸或不同的尺寸，其尺寸被设计为减少对跨机翼202和/或机身204的气流的干扰，该干扰可能影响稳定性和阻力。因此，进气道705和排气道710可以定位在远离对气流干扰敏感的区域，诸如机翼202的上表面。如图7A所示，配置730中关于UAV105的中心线的对称性可以允许冷却流体121的被动压力驱动流动基本上可忽略或为零，从而允许强制对流源120控制电池电芯117的温度，而不是UAV 105的运动。
在一些实施例中，可能有益的是将进气道705和/或排气道710设置在机身204和/或机翼202中，使得进气道705处的压力高于排气道710处的压力。例如，除了强制对流源120之外或代替强制对流源120，配置730可以使用UAV 105的运动来驱动气流，和/或抵消由通过电池包115的强制对流导致的压降。在对气流干扰适度敏感的区域中，诸如机头，进气道705的尺寸可以设计为降低进入的空气对阻力的影响，同时还提供流体冷却剂121通过电池包115的流动。在这样的配置中，强制对流源120可以在悬停、起飞、着陆和/或充电期间被激活，但是可以在水平飞行期间被去激活以支持压力驱动的流动，以降低示例***110的功率需求。为此，在配置740中，如图7D中示出的，进气道705定位在机翼202的前方，而排气道710定位在机翼202的后方。应当理解，压力倾向于随着距飞行器的机头的距离而减小，使得配置740可以在进气道705处提供相对较高的压力。图7D中示出的进气道705和排气道710的相对尺寸、形状和定位可以针对空气动力学和热条件两者进行优化，使得示例***110可以将电池电芯117的平均温度保持在上限阈值温度或低于上限阈值温度，而不影响UAV 105的飞行性能，并且还同时减少由包括示例***110的组件导致的重量增加。有利地，配置740可以通过在进气道705和排气道710之间建立引起通过电池包115的流动的压力梯度来在巡航飞行期间提供跨电池电芯117的流体冷却剂121的增加的流动。
图8是示出根据本公开的实施例的用于使用热管理***来管理在具有多个任务段的任务期间由电池电芯的放电生成的热量的过程800的流程图，每个任务段具有不同的功率分布。参考热管理***110描述过程800，作为用于将电池包115的操作温度维持在阈值温度320或阈值温度320以下的技术的示例，如参考图3A-图3B中更详细地描述的。一些或所有过程框在过程800中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行来执行。在一些实施例中，过程800可以包括一个或多个可选的过程框，可以省略一些过程框，和/或可以重复一些过程框。
在过程框805处，启用用于电池包115的热管理***110。热管理***110可以响应于输入到温度控制器125中的控制信号或基于从温度传感器130输出的温度读数被启用。在一个实施例中，温度控制器125以微控制器实现，微控制器包括以软件/固件、硬件或两者的组合实现的操作逻辑。在一个实施例中，温度控制器125是模拟控制电路。在一个实施例中，使用嵌入电池包110内的一个或多个热敏电阻来实现温度传感器130。也可以使用其他温度传感器技术(例如，热电偶、石英温度计、电阻温度检测器(Resistance TemperatureDetector，RTD)、硅带隙温度传感器、红外温度计等)。在一些实施例中，热管理***110被启用作为UAV 105的启动和/或初始化的一部分。
在处理框810处，温度控制器125基于从温度传感器130输出的传感器信号获取温度读数。如果读数低于指定的操作范围(判定框815)，则温度控制器125向功率调节器135输出控制信号以增加输送到强制对流源120的功率(过程框820)。如果读数高于指定的操作范围(判定框815)，则温度控制器125向功率调节器135输出控制信号以降低输送到强制对流源120的功率(过程框825)。如果读数在指定的操作范围内(判定框815)，则温度控制器125指示功率调节器135维持恒定的功率输出。虽然图8示出了具有滞后回路(hysteresisloop)的功率控制逻辑，但是温度控制器125可以实现其他更简单的控制算法(例如，单个开/关阈值)或更复杂的控制算法(例如，PID算法)。在风扇将空气吹入电池包115的说明性示例中，控制算法可以包括多输入单输出(Multiple-Input，Single Output，MISO)控制模型，其中平均电池温度和风扇速度是输入，而风扇功率是输出。有利地，包括风扇速度作为控制输入可以在任务的飞行部分期间容纳进气道705和/或排气道710处的压力波动。以这种方式，示例***110的主动控制可以用于在UAV空中时在进气道705和排气道710处保持基本相等的压力。
在一些实施例中，示例***110还可以在进气道705和其他组件(诸如电池包115和/或强制对流源120)之间包括控制阀门或压力阻尼器。以这种方式，可以生成控制信号以主动地控制由UAV 105的运动导致的压力驱动的流动，如当进气道705和排气道710被定位以在UAV处于水平飞行时诱导流动时(例如，图7B-图7D的配置720、730和/或740)。例如，为了防止过冷，可以生成控制信号以在UAV 105处于水平飞行时至少部分地关闭阀门或阻尼器。在另一示例中，为了增加冷却，控制信号可以被生成以打开阀门或阻尼器。
在一个实施例中，功率调节器135是电压控制地电流源，其响应于从温度控制器125输出的电压控制信号来控制通过强制对流源120的电流。在其他实施例中，功率调节器135可以被实现为可调节电压源或其他。功率调节器135可以经由增加/减小施加的电流或电压的幅度、调制固定电流/电压源的占空比(例如，脉冲宽度调制)或以其他方式来控制到强制对流源120中的功率输送。
以上解释的过程是就计算机软件和硬件而言来描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内的机器可执行指令，其在由机器执行时将使机器执行所描述的操作。另外，过程可以体现在硬件内，诸如专用集成电路(“ASIC”)或其他。
有形机器可读存储介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)可访问的非暂时性形式提供(即，存储)信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录媒介(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储媒介、光存储媒介、闪存存储器设备等)。
本发明的示出的实施例的上述描述，包括摘要中描述的内容，并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然出于说明的目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种修改是可能的。
根据以上详细的描述，可以对本发明做出这些修改。所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (20)

1.一种无人驾驶飞行器(UAV)，包括：
电池包，包括：
多个电池电芯；以及
外壳，与所述多个电池电芯耦合以将所述多个电池电芯物理地保持在布置中，布置限定所述多个电池电芯之间的空隙空间；以及
冷却***，被配置为冷却电池电芯，冷却***包括：
强制对流源，与电池包流体地耦合以驱动冷却流体通过空隙空间；以及
冷却控制器，与强制对流源电耦合以可控地激活强制对流源。
2.根据权利要求1所述的UAV，其中，电池包和冷却***设置在UAV内，并且其中，UAV还包括：
进气道，与强制对流源流体地耦合并且被配置为从UAV的环境抽吸空气；以及
排气道，与强制对流源流体地耦合并且被配置为经由电池包将空气排出到UAV的环境中。
3.根据权利要求2所述的UAV，其中，当UAV处于水平飞行时，进气道和排气道设置在与UAV的表面上的基本相等的压力系数相对应的位置处。
4.根据权利要求3所述的UAV，其中，进气道和排气道设置在UAV的机翼前方的UAV的机身中。
5.根据权利要求1所述的UAV，还包括暴露于空隙空间并且相对于强制对流源在电池包的下游的热传感器，其中，冷却控制器被配置为将由热传感器测量的电池包的平均温度保持在小于或等于30℃。
6.根据权利要求1所述的UAV，其中，电池电芯包括圆柱形电芯，其中，布置包括电池电芯的多个行，其中，所述多个行的第一行比所述多个行的第二行在纵向方向上更靠近强制对流源，纵向方向与流动方向相对应。
7.根据权利要求6所述的UAV，其中，第一行相对于第二行在横向方向上移位，横向方向与纵向方向相垂直。
8.根据权利要求7所述的UAV，其中，第一行相对于第二行横向移位小于或等于第一行的两个相邻电池电芯的两个相应中心之间的距离的一半。
9.根据权利要求6所述的UAV，其中，第一行包括电池电芯的第一子集，第二行包括电池电芯的第二子集，并且其中，电池电芯的第一子集的电池电芯之间的第一距离大于电池电芯的第二子集的电池电芯之间的第二距离。
10.根据权利要求6所述的UAV，其中，所述多个行还包括：
相对于强制对流源与第一行相对设置并且镜像第一行的第三行；以及
相对于强制对流源与第二行相对设置并且镜像第二行的第四行。
11.根据权利要求6所述的UAV，其中，外壳在第一行和强制对流源之间限定集气室。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，电池包包括间隔器，所述间隔器与电池电芯的子集耦合并且被配置为在与通过空隙空间的冷却流体的流动方向相垂直的方向上分离电池电芯的子集。
13.根据权利要求12所述的UAV，其中：
间隔器是第一间隔器，子集是第一子集，第一间隔器包括：
被配置为接收电池电芯的第一子集的多个孔；以及
第一耦合件；
电池包还包括第二间隔器，所述第二间隔器被配置为接收电池电芯的第二子集，并且包括第二耦合件，所述第二耦合件被成形为与第一耦合件配对；以及
第一耦合件和第二耦合件相对于所述多个孔中的孔定位，以在与流动方向相垂直的方向上相对于第二子集偏移第一子集。
14.一种***，包括：
电池包，包括：
多个电池电芯，其中，所述多个电池电芯包括锂聚合物软包电芯；
外壳，与所述多个电池电芯耦合以将所述多个电池电芯保持在布置中，所述布置限定所述多个电池电芯之间的空隙空间；以及
冷却***，用于冷却电池电芯，冷却***包括：
强制对流源，与电池包流体地耦合以驱动冷却流体通过空隙空间；以及
冷却控制器，与强制对流源电耦合并且存储计算机可读指令，所述计算机可读指令在由冷却控制器执行时使冷却控制器执行操作，所述操作包括：
确定电池包的平均温度；以及
使用平均温度可控制地激活强制对流源，以将电池包的温度维持在约30℃的上限温度阈值以下。
15.根据权利要求14所述的***，其中，装置设置在无人驾驶飞行器(UAV)的机身或框架内，UAV包括：
进气道，与强制对流源流体地耦合并且被配置为从UAV的环境抽吸空气；以及
排气道，与强制对流源流体地耦合并且被配置为经由电池包将空气排出到UAV的环境中。
16.根据权利要求15所述的***，当UAV处于水平飞行时，进气道和排气道设置在与UAV的表面上的基本相等的压力系数相对应的位置处。
17.根据权利要求16所述的***，其中，进气道和排气道设置在UAV的机翼前方的UAV的机身中。
18.根据权利要求14所述的***，其中，电池包还包括间隔器，所述间隔器与所述多个电池电芯的子集耦合并且被配置为在与冷却流体的流动方向相垂直的方向上偏移所述多个电池电芯的子集。
19.根据权利要求18所述的***，其中，间隔器是与所述多个电池电芯的子集热接触的波纹板，其中，波纹板包括多个导管，所述多个导管一起构成空隙空间的一部分，并且其中，导管与流动方向对准。
20.根据权利要求14所述的***，其中，可控制地激活强制对流源包括：
使用电池包的热控模型生成控制信号，控制信号将强制对流源的输入功率描述为时间的函数；以及
向强制对流源提供输入功率。
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