具体实施方式

以下详细描述包括对附图的引用，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了其中可以实践一些公开的方面的具体实施例。这些实施例，在本文中也被称为“示例”或“选项”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践所公开的方法和装置。实施例可以组合，可以利用其他实施例，或者可以在不脱离本公开范围的情况下进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应视为限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求及其法定等价形式限定。

下面描述了本公开的特定方面，目的是示出使用多个燃料电池为UAV供电。这些燃料电池可取决于特定使用情况以串联或并联配置进行布置。可以进行各种修改，而且本公开的范围不限于所描述的示例性方面。

图1中示出了示例性UAV 100的示意图。UAV 100可以包括若干部件，诸如燃料电池电源90，其继而包括多个燃料电池堆模块50(串联或并联连接)。多个燃料电池堆模块50可以各自包括燃料电池堆54和一个或多个风扇52。

多个燃料电池堆模块50可以与一个或多个燃料电池电源控制器40接合。电力控制器40可与模块50中的每个模块接合通信信号和电力。电力控制器40可进一步与一个或多个储罐60通信(例如，以控制泵、管路压力，或以其他方式调整来自储罐的压缩氢气的流量)。UAV 100可包括其他部件，诸如一个或多个电机70、一个或多个电机转子80、一个或多个电机控制器20，以及有效载荷30。电力控制器40可以直接或间接地经由电机控制器20从模块50向电机70馈送电力。

图2至图4中的UAV 100可以是直升机，并包括通过一个或多个支柱130耦合到框架110的一个或多个推进系统，该支柱也可以被称为UAV的臂或肢。每个推进系统可以包括能够驱动各自转子80的电机70。UAV 100中的推进系统的数量可以取决于空气动力学设计、有效载荷和所需的飞行时间而变化。

燃料电池电源90可以可移除地耦合到框架110，并经由合适的电气适配器或插头92电耦合到燃料电池电源控制器40。支柱可以提供机械支撑，而且还可以提供导管以承载信号(例如，电缆)，该信号在模块50、电力控制器40、电机控制器20和每个推进系统之间提供电气和控制通信。转子80为UAV100提供推力和升力。示例性UAV 100还可以包括多个腿构件140以在着陆期间支撑UAV并在着陆期间保护有效载荷30。

对燃料电池电源90的氢气馈送可由氢气供应器60(例如，储罐或气缸)供应，该氢气供应器可移除地安装在可机械地耦合到框架110的鞍座上。氢气供应器60也可以使用托架、绑带等可移除地安装到框架110。氢气供应器60可以包括氢气连接组件，其能够使用快速连接/断开接头、磁性耦合件等与氢气供应管道的第一端配合。氢气连接组件可包括压力调节器、电磁阀、截止阀和泄压阀中的至少一个，以确保氢气以所期望的流速和压力被输送到电源90。氢气供应器60可被配置为在低于700巴的压力下储存压缩氢气。

在一些示例性实施方式中，对于UAV 100，基于燃料电池堆模块50的效率，在串联和并联配置之间做出选择。在一些示例性实施方式中，效率基于模块50的功率输出。在一些示例性实施方式中，向推进系统提供25伏(V)(被称为6s)比向推进系统提供50伏(被称为12s)使电机70更有效地操作。

包括氢气连接组件的部件可以通过来自电机控制器20或来自电源控制器40的信号被电致动。与第一端相对的氢气供应导管的第二端能够与燃料电池连接组件91配合。燃料电池连接组件91可包括压力调节器、电磁阀、截止阀和泄压阀中的至少一个，以确保氢气以所期望的流速和压力被传输到燃料电池电源90。包括在燃料电池连接组件91中的部件可以通过来自控制器20或电源控制器40的信号被电致动。

在一些实施方式中，有效载荷30可以包括一个或多个相机，并且可以可移除地耦合到燃料电池电源90或框架110(图2至图4)。有效载荷30能够与控制器20、控制器40和燃料电池电源90中的至少一个进行通信。

控制器20可被配置为控制推进系统、有效载荷30的操作和辅助电源诸如可充电蓄电池中的至少一个，该辅助电源可被配置为储存由燃料电池电源90生成的多余电力。控制器40可以被配置为控制推进系统、燃料电池电源90的操作、氢气供应器60的操作、有效载荷30的操作和辅助电源诸如可充电蓄电池中的至少一个。

在一些示例性实施方式中，辅助电源诸如备用蓄电池35可以可移除地耦合到框架110。在一些实施方式中，备用蓄电池35的大小是为了提供预先确定的峰值电力量(例如，在已知的时间段内，诸如从强风恢复)。在一些示例性实施方式中，备用蓄电池35是锂聚合物蓄电池。

辅助电源也可用于在瞬时功率周期期间，诸如起飞时，或当燃料电池电源90产生的电力低于预期时，为有效载荷30和UAV 100的(多个)其他部件中的至少一个供电。辅助电源也可以包括超级电容器和原电池。用于操作使用燃料电池电源和辅助电源为负载(装置诸如UAV 100)供电的装置的示例性系统和方法在共同拥有的美国专利号9,356,470和美国专利公布号209040285中公开，这两个专利的全部内容都通过引用纳入本文。

燃料电池电源90可以相对于燃料电池电源控制器40设置，在这种情况下，控制器20能够以双向方式与燃料电池电源控制器40进行通信。可替代地，燃料电池电源控制器40而不是控制器20可用于控制燃料电池连接组件91和氢气连接组件中的部件。UAV 100可以在飞行后返回出发地，也就是说在飞行后返回母站或母基地(未示出)，以对电源进行充电或重新填充。

在一些示例性实施方式中，两个或更多个燃料电池堆模块50经由电力控制器40促成的配置被串联或并联链接。通过让模块50串联供电，功率输出(例如，到推进系统)可以加倍，同时使供电电压加倍，例如，从模块50-1和50-2从25V或大约25V到44.4V和50V之间(但该示例不旨在限制，因为可以使用任何合适数量的模块50的串联配置的任何合适的电压副产物)。在这些或其他实施方式中，加倍可以发生，同时保持通过两个或更多个模块50(例如，模块50-1、50-2)中的每个的电流相同，如同每个模块都独立操作一样。

在其中两个或更多个模块50并联布置的UAV实施方式中，电力加倍可基于两个或更多个模块50中的每个模块的输出电压相同，如同每个堆都独立操作一样，并基于来自两个或更多个模块50的输出电流加倍。在其中模块50并联连接的UAV实施方式中，可以获得比一个单独的模块50所提供更大的总输出电流。UAV 100内模块50的并联配置也可以通过提供冗余、增强可靠性、避免PCB热问题和提高系统效率而受益。在一些示例性实施方式中，电力控制器40可被配置为平衡来自模块50中的每个的电流。也就是说，并联配置中的模块50的一些示例性实施方式可以执行，使得共享负载电流，例如，防止模块50中的一个在所需电流被输送之前关闭。一些示例性实施方式可使用控制回路主动平衡来自模块50的输出电流，以在模块50之间进行补偿。为了实现这点，一些实施方式可以经由控制回路监测电压和温度两者。

在一些示例性实施方式中，UAV 100的电力控制器40可以被配置为检测模块50中的一个的故障或失效，并使一个或多个其他模块50继续操作，使得推进系统(即，(多个)电机70和(多个)转子80)能够使UAV 100安全着陆(例如，不损坏有效载荷30和/或UAV 100的任何其他部件)。在一些示例性实施方式中，UAV 100的电力控制器40可以经由地面装置进一步远程配置或控制，以突破与燃料电池过热有关的安全阈值，使得在检测到故障时，由于将有效载荷30的安全设置为优先于UAV 100上任何其他部件(例如，电机70、模块50等)的生存，使得有效载荷30具有更大概率无损着陆。在一些示例性实施方式中，使用备用蓄电池35来至少暂时为(多个)推进系统供电可以响应于检测到故障而提高安全着陆的概率。

燃料电池电源90可以包括多个燃料电池堆模块50(例如，50-1和50-2，如图2所示)。在一些示例性实施方式中，燃料电池堆模块50中的每个可以独立封装并围绕UAV 100单独定位。在其他实施方式中，燃料电池堆模块50可以被一起封装在燃料电池电源90内。如图2所示，参考UAV 100在地面上的固定位置，燃料电池电源90(其包括模块50)可以位于氢气供应器60的上方。可替代地，燃料电池电源90可以位于氢气供应器60的下方(图3)。可替代地，燃料电池电源90和氢气供应器60可以彼此相邻安装(图4)。

取决于UAV 100的总功率要求，燃料电池堆模块50中的每个可以输出约650瓦(W)或约800瓦的最大连续功率，但本公开考虑了任何最大连续功率输出值。在一些示例性实施方式中，来自模块50中的每个模块的最大峰值功率输出可以是暂时(例如，约30秒或更少)约1000W或约1400W。在一些示例性实施方式中，电力模块50可以彼此相同。例如，模块50-1可以与(如果使用)模块50-2，...50-n(n是任何自然数)中的每个相同。在这个或另一个示例中，模块50中的每个可以被配置为生成相同量的功率，并具有相同的效率等级。在一些示例性实施方式中，模块50-1可以产生与任何其他模块50(例如，模块50-2)不同的最大连续功率输出。例如，650W模块可以与800W模块串联配置。在另一个示例中，650W模块可以与800W模块并联配置。

在一些示例性实施方式中，代表双向通信的双头箭头可以描绘信号。这些信号可以传达通信数据，例如，燃料电池堆54、氢气供应器60(例如，当前填充水平、管路中的压力水平等)、电机70、电机控制器20、风扇52和/或有效载荷30中的每个的去往/来自控制器40的命令和控制(例如，状态)。

在一些示例性实施方式中，燃料电池堆模块50可以只串联连接。由于与处于串联配置有关的原因，模块50中的每个的通信信号可以与电力控制器40隔离。在并联配置中，相同信号中的一些或更多将不需要隔离；相反，这些信号可以多路复用直到控制器40。

在一些示例性实施方式中，当串联链接燃料电池堆模块50时，可防止UAV 100在中横档(mid-rail)中出现假接地。也就是说，一些实施方式可能已将燃料电池堆模块50-2的正极端子连接到燃料电池堆模块50-1的负极端子，并且在该配置中，模块50-1的接地成为模块50-2的电源。因此，目前公开的是经由光耦合技术与模数转换器(ADC)相组合，将通信信号电隔离的方法。进一步公开的是用于隔离变压器(其相对较重)、简单光电隔离器、霍尔效应传感器或串联连接的电容器来解耦信号的方法。一些实施方式可以在隔离屏障内生成共同的地面/接地。在一些示例性实施方式中，通信信号相对于模块50中的每个隔离。所公开的实施方式因此克服了连接模块50和/或控制器40的问题，据此，否则直接连接会在中横档中出现假接地。

来自电源90的所需总功率输出可取决于有效载荷30的质量和/或功能。在一些实施方式中，燃料电池堆模块50中的每个可以是开放阴极质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆模块。可以取决于所需的飞行时间和对有效载荷30的给定质量而言可用于燃料供应器的质量预算来采用多个氢气供应器60。有效载荷30可以耦合到框架110。在图4中，UAV 100包括单个燃料电池电源90，其可以包括多个单独封装的燃料电池堆54(串联或并联连接)和多个风扇52。

在一些示例性实施方式中，UAV 100的一个或多个部件(例如，燃料电池堆模块50、氢气供应器60、有效载荷30、电力控制器40、电机控制器20和蓄电池35)可附连到框架110上。在一些示例性实施方式中，手动飞行前机械布置、电力控制器40或另一控制器可被配置为通过经由框架110调整一个或多个部件的位置或取向来调整UAV 100的重心(CoG)。

尽管用于示出一些不同的可能安装配置，但图2至图4的描绘并不旨在是限制性的，因为UAV 100的各种部件的任何配置或取向都是可预期的。并且控制器20和40可以安装在框架110上的任何合适位置，以获得关于UAV100飞行特性的最佳CoG。例如，这些部件可以以分布的方式围绕框架110安装，或者部件中的至少一些可以归并在一起。在一些示例性实施方式中，UAV 100可以具有围绕框架110分布的模块50，使得飞行器的质心得到平衡，并且飞行器的飞行方式受到可控的影响。在一些示例性实施方式中，UAV 100的部件的安装放置和取向可以灵活地控制UAV作为整体的重量平衡。这些部件的安装放置和取向也可以是空气动力学设计的，使得阻力最小化。就取向来说，本公开是指使UAV 100的部件中的一个或多个旋转、翻转或倾斜。在其中使用多个氢气供应器60的实施方式中，供应器60可以被重新定位以平衡重量分布(即包括相对于UAV 100的其他部件的CoG考虑)。在这些或其他实施方式中，框架110可以允许手动和自动重新配置两者。也就是说，电力控制器40或UAV 100的另一个部件可以控制供应器60、电力控制器40、电机控制器20、有效载荷30和每个燃料电池堆模块50的定位和取向。

作为来自燃料电池堆模块50的累计服务时间的函数的功率输出取决于各种因素，诸如环境温度、湿度和起动/停止的次数。为了确保燃料电池电源90的可靠操作，期望检查燃料电池堆模块50的状况(健康)，例如，当UAV 100返回到母基地时，使用地面站调节堆54或更换燃料电池堆模块50中的一个或多个。特别地，对于长持续时间的飞行，在起飞前调节堆54可能是期望的。在本公开中，堆54的调节可以包括对包括堆的一个或多个燃料电池的调节。

图5A至图5B分别示出了两个燃料电池电力模块的串联和并联配置。但是这些示例性实施方式并不旨在限制数量，因为三个或更多个电力模块可以以串联或并联配置进行连接。在图5A中，燃料电池堆模块50-1与燃料电池堆模块50-2串联连接，特别是通过(i)将其正极端子连接到电阻性负载的“电源”端子，(ii)将其负极端子连接到燃料电池堆模块50-2的正极端子，以及(iii)将燃料电池堆模块50-2的负极端子连接到电阻性负载的“接地”端子。相比之下，图5B描绘了燃料电池堆模块50-1与燃料电池堆模块50-2并联连接，特别是通过(i)将其正极端子连接到电阻性负载的“电源”端子和燃料电池堆模块50-2的正极端子，以及(ii)将其负极端子连接到电阻性负载的“接地”端子和燃料电池堆模块50-2的负极端子。在这些和/或其他实施方式中，电阻性负载可以是电机控制器20、电机70、有效载荷70和/或与有效载荷30相关联的任何电气功能。

尽管方法和燃料电池电力系统已按照目前被认为是最实用和最优选的实施方式来描述，但应理解，本公开不必限于所公开的实施方式。本公开旨在覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似布置，权利要求的范围应被给予最广泛的解释，以便涵盖所有此类修改和类似结构。本公开包括所附权利要求的任何和所有实施方式。

还应理解的是，在不背离本公开的本质的情况下，可以做出各种改变。此类改变也隐含地包括在描述中。它们仍然落入本公开的范围内。应该理解的是，本公开旨在产生既独立又作为整体系统，并以方法和设备模式两者覆盖本公开的许多方面的专利。此外，本公开和权利要求的各个要素中的每个也可以以各种方式实现。本公开应该被理解为涵盖每个此种变化，无论是任何设备实施方式、方法或过程实施方式的实施方式的变化，或甚至仅仅是这些的任何要素的变化。

特别地，应该理解的是，由于本公开涉及到本公开的要素，每个要素的词语可以由等同的设备术语或方法术语来表达，即使只有功能或结果是相同的。此种等价的、更广泛的、或甚至是更通用的术语应被视为在每个要素或动作的描述中被涵盖。在期望的情况下可以代替此类术语，以明确本公开的隐含的广泛覆盖。

应该理解的是，所有的动作都可以表达为采取该动作的手段，或表达为引起该动作的要素。类似地，所公开的每个物理部件应该被理解为涵盖对该物理部件所促进的动作的公开。

在整个本申请中，单词“可以”是在允许的意义上(即意味着有可能)，而不是在强制的意义上(即意味着必须)使用的。词语“包括”、“包含”和“含有”等是指包括但不限于。如本文中所用，“一个”、“一件”和“该”的单数形式包括复数参考，除非上下文以其他方式明确规定。如本文中采用的，术语“数量”是指一或大于一个的整数(即多个)。如本文中所用，两个或更多个零件或部件被“耦合”的说法是指零件直接或间接(即通过一个或多个中间零件或部件)联接或操作在一起，只要发生链接。如本文中所用，“直接耦合”是指两个元件彼此直接接触。如本文所用，“固定地耦合”或“固定”是指两个部件被耦合以便作为一个整体移动，同时保持相对于彼此的恒定取向。如本文中所用，单词“单元的”是指部件被创建为单个件或单元。也就是说，包括单独创建并然后作为单元耦合在一起的件的部件不是“单元的”部件或主体。如本文中采用，两个或更多个零件或部件彼此“啮合”的说法是指零件直接或通过一个或多个中间零件或部件对彼此施加力。

此外，应理解的是，本文中采用并且没有以其他方式定义的短语或术语只是为了描述而不是限制。本文中使用的方向性短语，例如但不限于上面、上面、顶部、底部、下面、左边、右边、上部、下部、前面、后面，以及它们的衍生形式，与附图中所示元件的取向有关，除非在其中明确叙述，否则不限制权利要求。

此外，对于所使用的每个术语，应该理解为除非其在本申请中的利用与此种解释不一致，否则应该理解为每个术语都纳入了普通字典的定义，并且所有的定义、可替代术语和同义词，植入包含在工匠认可的标准技术字典和兰登书屋韦伯斯特未删节字典(最新版本)中的至少一个中，在此通过参考纳入。

在非实质性替代的范围内，在申请人事实上没有起草任何权利要求以便从字面上涵盖任何特别实施方式的范围内，以及在以其他方式适用的范围内，申请人不应该被理解为以任何方式意图或实际放弃此种覆盖，因为申请人可能根本无法预见所有的可能性；不应该合理地期望本领域技术人员起草从字面上涵盖此类可替代实施方式的权利要求。

此外，根据传统的权利要求解释，使用过渡性短语“包括”是为了保持本文中的“开放式”权利要求。因此，除非上下文另有要求，否则应该理解术语“包括”或变体诸如“包含”或“含有”旨在暗示包含所陈述要素或步骤或一组要素或步骤，但不排除任何其他要素或步骤或一组要素或步骤。此类术语应该以其最宽泛的形式进行解释，以便为申请人提供法律上允许的最广泛的覆盖。