RU2730784C1 - Vertical take-off and landing aircraft power supply system - Google Patents

Abstract

FIELD: aviation.SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering. System for power supply of aircraft of vertical take-off and landing, which includes: M aircraft beams, where M is an integer, ≥ 4, leading to electric motors of rotors through electronic stroke controllers (ESC); N lithium-ion elements, where N is an integer, ≥ 30, interconnected rigidly or flexibly depending on binder element - plate or wire blocks in parallel or in series; Z internal insulated cavities of aircraft body, where Z is an integer, ≥ 1. Lithium-ion elements are spatially spaced apart and arranged in blocks in inner isolated cavities of aircraft assemblies in beams and/or in internal insulated cavities of aircraft body. Lithium-ion cells form battery-conductor of energy from centre of aircraft body to electric motors of rotors by beams.EFFECT: longer duration and range of aircraft flight is achieved.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки - мультикоптерам с увеличенной продолжительностью и дальностью полета.The invention relates to the field of aviation, namely to vertical take-off and landing aircraft (AC) - multicopters with increased flight duration and range.

Из уровня техники известны ЛА, в которых аккумуляторные батареи расположены по центру ЛА в отдельном корпусе (см., например, патенты РФ №№2567496, 2632779, 2657650, 2702462 на изобретения).Aircraft are known from the prior art, in which the batteries are located in the center of the aircraft in a separate housing (see, for example, RF patents No. 2567496, 2632779, 2657650, 2702462 for inventions).

Недостатками известных технических решений являются:The disadvantages of the known technical solutions are:

- увеличенные массогабаритные характеристики за счет выполнения отдельного корпуса для установки аккумуляторов и использования (прокладки) длинных силовых проводов;- increased weight and size characteristics due to the implementation of a separate housing for installing batteries and using (laying) long power wires;

- небольшая продолжительность и дальность полета ЛА;- short duration and range of aircraft flight;

- перегрев батарей за счет отсутствия требуемого охлаждения.- overheating of batteries due to lack of required cooling.

Из уровня техники известна аккумуляторная система ЛА (см. патент РФ №2648979 на изобретение, опубл. 29.03.2018).An aircraft battery system is known from the prior art (see RF patent No. 2648979 for invention, publ. 03/29/2018).

Аккумуляторная система содержит несколько электрически соединенных друг с другом аккумуляторных элементов, каждый из которых содержит несколько электрохимических индивидуальных ячеек, при этом каждый элемент из указанных аккумуляторных элементов термически изолирован от других аккумуляторных элементов. Каждая из указанных электрохимических индивидуальных ячеек содержит контрольное устройство, которое выполнено с возможностью электрического отсоединения аккумуляторного элемента от других аккумуляторных элементов, если по меньшей мере, одно измеренное значение, контролируемое указанным контрольным устройством, лежит вне заданного диапазона значений. Аккумуляторные элементы аккумуляторной системы расположены в различных областях ЛА. Путем пространственного распределения аккумуляторных элементов достигается термическая изоляция отдельных аккумуляторных элементов друг от друга. Таким образом, при термическом пробое одной или нескольких электрохимических индивидуальных ячеек аккумуляторного элемента другие аккумуляторные элементы аккумуляторной системы не подвергаются его воздействию. Повышение безопасности работы аккумуляторной системы за счет термической изоляции каждого элемента от других аккумуляторных элементов и выполнения контрольного устройства с возможностью контроля параметров и отсоединения неисправных элементов является техническим результатом изобретения. После отключения неисправных элементов сохраняется возможность дальнейшего использования аккумуляторной системы с несколько сниженной мощностью.The battery system contains several battery cells electrically connected to each other, each of which contains several electrochemical individual cells, with each cell of said battery cells being thermally isolated from other battery cells. Each of the specified electrochemical individual cells contains a control device, which is configured to electrically disconnect the battery cell from other battery cells, if at least one measured value monitored by the specified control device lies outside the specified range of values. The battery cells of the battery system are located in different areas of the aircraft. Thermal isolation of the individual battery cells from each other is achieved by the spatial distribution of the battery cells. Thus, during thermal breakdown of one or more electrochemical individual cells of a battery cell, other battery cells of the battery system are not affected by it. Improving the safety of the battery system due to thermal isolation of each cell from other battery cells and the implementation of a control device with the ability to control parameters and disconnect faulty cells is the technical result of the invention. After disconnecting the faulty elements, it remains possible to continue using the battery system with a slightly reduced power.

Недостатками известного технического решения являются:The disadvantages of the known technical solution are:

- отсутствие возможности "гибкой" сцепки между литий-ионными элементами, которая позволяет системе являться не только аккумулятором, но и носителем энергии (проводником);- the lack of the possibility of "flexible" coupling between lithium-ion cells, which allows the system to be not only a battery, but also an energy carrier (conductor);

- невозможность функционирования в случае трансформации части корпуса ЛА, в случае изменения положения элементов из одной батареи относительно друг друга (это критично при жесткой посадке или столкновениях).- the impossibility of functioning in the event of the transformation of a part of the aircraft body, in the event of a change in the position of the elements from one battery relative to each other (this is critical in case of a hard landing or collisions).

Техническими результатами заявленного изобретения являются:The technical results of the claimed invention are:

- увеличение продолжительности и дальности полета ЛА за счет снижения массогабаритных показателей;- increasing the duration and range of the aircraft by reducing the weight and dimensions;

- уменьшение веса за счет отсутствия проводов и отдельного корпуса батареи (функции корпуса выполняет каждый элемент (узел) ЛА, в который встроена батарея) без потери жесткости;- weight reduction due to the absence of wires and a separate battery case (the functions of the body are performed by each element (node) of the aircraft, in which the battery is built-in) without loss of rigidity;

- увеличение прочности конструкции, а при гибкой спайке литий-ионных элементов - и гибкости корпуса;- an increase in the strength of the structure, and with flexible soldering of lithium-ion cells - and the flexibility of the case;

- дополнительное охлаждение и избежание перегрева батарей при их расположении в лучах ЛА - мультикоптера, в зоне обдува несущих роторов;- additional cooling and avoidance of overheating of the batteries when they are located in the beams of the aircraft - multicopter, in the blowing zone of the carrying rotors;

- обеспечение термической изоляции друг от друга отдельных литий-ионных элементов посредством их пространственного распределения (размещения) по ЛА (при выгорании одной или нескольких индивидуальных ячеек аккумуляторного элемента другие аккумуляторные элементы системы, расположенные на расстоянии от указанного аккумуляторного элемента, не подвергаются воздействию);- providing thermal isolation from each other of individual lithium-ion cells by means of their spatial distribution (placement) over the aircraft (when one or more individual cells of the battery cell burn out, other battery cells of the system located at a distance from the specified battery cell are not affected);

- обеспечение требуемой безопасности для расположения во внутренних полостях корпуса литий-ионных элементов (либо других носителей электроэнергии) за счет изоляции внутренней поверхности;- ensuring the required safety for the location of lithium-ion cells (or other carriers of electricity) in the internal cavities of the housing due to the insulation of the inner surface;

- возможность "гибкой" сцепки между литий-ионными элементами, позволяющей системе являться не только аккумулятором, но и носителем энергии - проводником, например, от центра корпуса к электродвигателям, а также функционировать даже в случае трансформации части корпуса ЛА, в случае изменения положения элементов из одной батареи относительно друг друга (это критично при жесткой посадке или столкновениях);- the possibility of a "flexible" coupling between lithium-ion cells, allowing the system to be not only a battery, but also an energy carrier - a conductor, for example, from the center of the hull to the electric motors, and also function even in the event of a transformation of a part of the aircraft body, in the event of a change in the position of the elements from one battery relative to each other (this is critical during a hard landing or collisions);

- обеспечение взаимной термоизоляции литий-ионных элементов батареи.- ensuring mutual thermal insulation of lithium-ion battery cells.

Технические результаты достигаются тем, что система электропитания летательного аппарата (ЛА) вертикального взлета и посадки включает:Technical results are achieved by the fact that the power supply system for vertical take-off and landing aircraft includes:

- М - лучей ЛА, где М - целое число, ≥ 4, ведущих к электродвигателям несущих винтов через электронные регуляторы хода (ESC);- M - aircraft beams, where M is an integer, ≥ 4, leading to the rotor motors through electronic controllers (ESC);

- N - литий-ионных элементов, где N - целое число, ≥ 30, соединенных между собой жестко, либо гибко в зависимости от связующего элемента - пластины или провода блоками параллельно, либо последовательно;- N - lithium-ion cells, where N is an integer, ≥ 30, connected rigidly or flexibly depending on the connecting element - plates or wires in blocks in parallel or in series;

- Z - внутренних изолированных полостей корпуса ЛА, где Z - целое число, ≥ 1;- Z - internal isolated cavities of the aircraft body, where Z is an integer, ≥ 1;

- при этом литий-ионные элементы пространственно разнесены между собой и размещены блоками во внутренних изолированных полостях узлов ЛА и/или во внутренних изолированных полостях корпуса ЛА, образуя батарею - проводник энергии, например, от центра корпуса ЛА к электродвигателям несущих винтов по лучам.- in this case, the lithium-ion cells are spatially separated from each other and placed in blocks in the internal isolated cavities of the aircraft nodes and / or in the internal isolated cavities of the aircraft body, forming a battery - an energy conductor, for example, from the center of the aircraft body to the rotor motors along the beams.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом (см. фиг. 1), где показан пример реализации системы электропитания ЛА вертикального взлета и посадки (мультикоптера).The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by the drawing (see Fig. 1), which shows an example of the implementation of the power supply system for vertical takeoff and landing aircraft (multicopter).

На фигуре 1 обозначено следующее:Figure 1 indicates the following:

1 - М - лучей ЛА, ведущих через электронные регуляторы хода (ESC) к электродвигателям несущих винтов;1 - M - aircraft beams leading through electronic controllers (ESC) to the rotor motors;

2 - N - литий-ионных элементов, расположенных во внутренней полости узла ЛА (луча мультикооптера);2 - N - lithium-ion cells located in the inner cavity of the aircraft assembly (multicoopter beam);

3 - Z - внутренних полостей корпуса ЛА (мультикоптера), в которых расположены литий-ионные элементы.3 - Z - internal cavities of the aircraft body (multicopter), in which lithium-ion cells are located.

Система электропитания летательного аппарата (ЛА) - мультикоптера вертикального взлета и посадки (см. фиг. 1) включает лучи (1) ЛА - мультикоптера, ведущие к электродвигателям несущих винтов через электронные регуляторы хода (ESC), во внутренних полостях которых размещены литий-ионные элементы (2). Во внутренних полостях (3) корпуса ЛА также размещены литий-ионные элементы (2). Внутренние полости изолированы. Литий-ионные элементы (2) пространственно разнесены между собой и размещены блоками в лучах (1) ЛА - мультикоптера и/или в полостях (3) корпуса ЛА. Литий-ионные элементы (2) спаяны между собой параллельно и/или последовательно по блокам, образуя батарею. Внедрение (размещение) литий-ионных элементов (2) в корпус ЛА производится таким образом, что итоговая батарея, состоящая из всех элементов, сама для себя является транспортом энергии (например, от центра корпуса, к электродвигателю) и исключает необходимость использования длинных силовых кабелей, что критично для регуляторов электромоторов (в которых неприемлемо использовать провода более метра во избежание перегрева). Литий-ионные элементы (2) могут быть связаны между собой либо жестко, либо гибко (в зависимости от связующего элемента - пластина, либо провод).The power supply system of the aircraft (AC) - multicopter vertical takeoff and landing (see Fig. 1) includes beams (1) of the aircraft - multicopter, leading to the electric motors of the rotor propellers through electronic controllers (ESC), in the internal cavities of which are located lithium-ion elements (2). The internal cavities (3) of the aircraft body also contain lithium-ion cells (2). Internal cavities are isolated. Lithium-ion cells (2) are spatially separated from each other and placed in blocks in the beams (1) of the aircraft - multicopter and / or in the cavities (3) of the aircraft body. Lithium-ion cells (2) are soldered in parallel and / or in series in blocks to form a battery. The introduction (placement) of lithium-ion cells (2) into the aircraft body is carried out in such a way that the resulting battery, consisting of all the elements, is itself a transport of energy (for example, from the center of the body to the electric motor) and eliminates the need to use long power cables , which is critical for electric motor regulators (in which it is unacceptable to use wires more than a meter in order to avoid overheating). Lithium-ion cells (2) can be connected to each other either rigidly or flexibly (depending on the connecting element - a plate or a wire).

При расположении литий-ионных элементов (2) блоками в лучах (1) в зоне обдува несущих роторов обеспечивается дополнительное охлаждение и избежание перегрева батарей.When the lithium-ion cells (2) are located in blocks in the beams (1) in the blowing zone of the carrier rotors, additional cooling is provided and to avoid overheating of the batteries.

Посредством пространственного распределения литий-ионных элементов (2) по ЛА обеспечивается их термическая изоляция друг от друга (при выгорании одной или нескольких индивидуальных ячеек аккумуляторного элемента другие аккумуляторные элементы системы, расположенные на расстоянии от указанного аккумуляторного элемента, не подвергаются воздействию).Through the spatial distribution of lithium-ion cells (2) along the aircraft, their thermal insulation from each other is ensured (when one or several individual cells of the battery cell burn out, other battery cells of the system located at a distance from the specified battery cell are not affected).

В отличие от известных технических решений в заявленной системе не требуется отдельного места для установки аккумуляторов и более 80% проводов (силовых кабелей), так как транспорт энергии осуществляется непосредственно по батарее определенной формы, повторяющей формы летательного аппарата (лучи в случае мультикоптеров, корпус и т.п.).Unlike known technical solutions, the claimed system does not require a separate place for installing batteries and more than 80% of wires (power cables), since energy is transported directly through a battery of a certain shape, repeating the shape of the aircraft (beams in the case of multicopters, the body, etc. .P.).

Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной системе, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию патентоспособности «новизна».The analysis of the state of the art made it possible to establish that there are no analogues with a set of essential features identical and identical to the essential features of the claimed system, which indicates that the claimed system complies with the "novelty" condition of patentability.

Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанные автором технические результаты. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The results of the search for known solutions in order to identify essential features that coincide with the essential features of the claimed system that are distinguishable from analogues showed that they do not follow explicitly from the prior art, and the influence of distinctive essential features on the technical results indicated by the author has not been established. Therefore, the claimed invention meets the "inventive step" requirement of patentability.

Claims (5)

Система электропитания летательного аппарата (ЛА) вертикального взлета и посадки, включающая:Power supply system for vertical takeoff and landing aircraft, including: - М лучей ЛА, где М - целое число, ≥ 4, ведущих к электродвигателям несущих винтов через электронные регуляторы хода (ESC);- M beams of the aircraft, where M is an integer, ≥ 4, leading to the rotor motors through electronic controllers (ESC); - N литий-ионных элементов, где N - целое число, ≥ 30, соединенных между собой жестко либо гибко, в зависимости от связующего элемента – пластины или провода, блоками параллельно либо последовательно;- N lithium-ion cells, where N is an integer, ≥ 30, rigidly or flexibly interconnected, depending on the connecting element - plate or wire, in blocks in parallel or in series; - Z внутренних изолированных полостей корпуса ЛА, где Z - целое число, ≥ 1;- Z internal isolated cavities of the aircraft body, where Z is an integer, ≥ 1; при этом литий-ионные элементы пространственно разнесены между собой и размещены блоками во внутренних изолированных полостях узлов ЛА, например в лучах, и/или во внутренних изолированных полостях корпуса ЛА, образуя батарею - проводник энергии, например, от центра корпуса ЛА к электродвигателям несущих винтов по лучам.in this case, lithium-ion cells are spatially separated from each other and placed in blocks in the internal isolated cavities of the aircraft nodes, for example, in the beams, and / or in the internal isolated cavities of the aircraft body, forming a battery - an energy conductor, for example, from the center of the aircraft body to the rotor motors along the rays.

Images