eVTOL电池的开发

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eVTOL电池动力问题，是一个复杂的“大数据”问题，当然也包含大量的软硬件问题。

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获得认可
eVTOL行业正在迅速发展，因此人们对eVTOL电池使用的接受度也在不断提高。这可能是由于人们对城市空中交通和短途飞行的电动航空越来越感兴趣。在电池层面，重点是寻找改善锂离子电池材料化学的方法，将电池比能量密度提高30%。

许多公司正在努力开发新的电池化学物质，例如具有硅阳极的电池，该电池有可能提供所需的比能量密度。但这些化学品中的大多数仍处于技术演示阶段或早期中规模开发制造试验阶段。

许多整机和电池供应商正在产品设计层面开发新电池，以满足eVTOL的运行要求，同时确保安全并符合FAA的所有要求。由于他们能够提供安全、符合FAA要求并满足eVTOL运营需求的新技术，我们将看到飞机行业和公众的接受度不断提高。

一些eVTOL公司正在探索混合动力解决方案，例如使用H2燃料电池与较小的电池配对。提供比目前商用锂离子电池更长的飞行时间和更快的充电时间的能力是追求此类混合动力解决方案的关键动机。然而，这种方法也带来了自身的挑战，如额外的复杂控制和电力共享，以及不仅对电池而且对氢气的安全处理。系统复杂性的增加可能会增加系统认证和成本方面的挑战。

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电池的充电、放电和温度
eVTOL运行的特点是具有更高的放电轮廓，尤其是在起飞和着陆期间。

传统上，电池要么设计成提供大量能量，要么设计成高功率。对于eVTOL电池来说，在能量和功率之间保持良好的平衡很重要。起飞和降落需要功率，有足够的巡航范围需要能量。

为了维持eVTOL的使用情况，在电池大部分耗尽的情况下重复使用，eVTOL电池被设计为充电非常快，通常在5到10分钟内。原型电池可以维持长达50英里的旅程，能量密度为每公斤270瓦时。通常可以在其使用寿命内支持多达2000次快速充电循环。eVTOL电池需要支持大功率电池放电，主要是在起飞和降落期间。不仅放电水平高，而且电池达到峰值容量的时间比电动汽车长得多。虽然电动汽车需要考虑电池的尺寸和重量，但这对飞机来说是一个更大的因素，因为它对有效载荷/航程能力有重大影响，更不用说使飞机太重而不适合飞行。

eVTOL电池在尺寸上与电动汽车电池相似或更大，在充电和放电过程中对功率的使用要求更高。eVTOL电池在起飞和着陆期间需要维持更高的功率水平，通常比电动汽车加速所需的水平高出两到四倍。尽管高电池能量密度在EV和eVTOL应用中都是一个优势，但能量密度通常会被eVTOL中的功率能力所抵消，这使得高能量密度技术对eVTOL具有更高的重要性。

温度可能对eVTOL电池的充电和放电水平产生重大影响。随着起飞和降落时的高功率，电池的温度也会升高。高功率运行条件会导致自发热，因此，eVTOL电池对较低温度不那么敏感。通常，在主动控制下的高温运行是常态。对于航空专用电池系统中需要利用被动和主动冷却系统来管理温度。

原型电池可以加热，以帮助它们更快地释放多余的能量，从而在充电电阻最低时更快地充电。温度也在燃料测量中发挥作用。eVTOL飞机定期在一次充电中执行两次起飞和两次降落，与只执行一次起飞和降落的飞机相比，对退化的影响不同。

总部位于加州的Joby Aviation生产的飞机上袋装电池在电池水平上的额定水平为每公斤288瓦时，该公司在实验室证明，它们能够进行10000多次代表性飞行循环。将这些电池组装成可认证的航空航天级电池组的结果是，在电池组水平上，每公斤的比能量为235瓦时。

动态调度周期需要纳入健康状态（SoH）和充电状态（SoC）计算，包括负载起飞与空载起飞、行驶距离、功率输出曲线、环境温度、风力条件。如果数据在每次充电/放电循环后没有得到正确的整理和自动分析，那么确定电池SoH和电池水平退化将成为一个相当大的挑战。锂离子电池和电池的性质否定了组件级或系统级SoH计算‘足够好’的运行假设。

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面临的挑战和问题
为了满足为城市空中交通设计的新型飞行器的新需求，eVTOL飞机不容忽视。与传统航空电子组件在许多方面不同，eVTOL电池的性能和安全要求尤其需要考虑和检查。

虽然航空电子电池主要用于备份系统，具有相对较低的充电率和稳定的可预测放电，但eVTOL电池需要在起飞和机动过程中支持高C率，并在巡航过程中支持低C率。峰值功率性能需求更为重要，要求在10-20摄氏度的温度下运行。因此，它们的能量密度比传统电池更高。eVTOL电池的设计还提高了热稳定性，并允许更灵活的部署，具有增强模块性等功能，以适应不同类型的飞机和行程距离。

电池技术影响eVTOL的发展；它会影响续航里程、承载能力、充电时间和维护成本。飞机在每个飞行阶段的不同功率要求在eVTOL中更为明显。一次典型的eVTOL旅行有五个阶段：起飞、爬升、巡航、下降和着陆，在不同的飞行状态下，电池所需的功率输出是不同的。大多数eVTOL在起飞和降落时使用最多的功率。



与许多其他电动出行应用相比，eVTOL电池通常需要更高水平的性能，例如具有更高的比能量和功率，以及在高放电速率下连续工作的能力，同时仍然具有合适的寿命。此外，在优化eVTOL运行效率的过程中，最大限度地缩短充电时间至关重要，尤其是在需求高峰期。传统的航空电子电池被用作辅助系统的备用电源，而eVTOL电池是主要能源。因此，它们的容量要大得多，比能量密度是与电池重量直接相关的关键指标。

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目前的状态
新兴eVTOL飞机的电池仍处于相对早期的开发和成熟阶段。

每个原始设备制造商都有自己的设计和配置，包括使用的电池类型。尽管标准化机构和原始设备制造商之间或一个地区与另一个地区（美国、欧洲、亚洲）之间存在差异，但标准化主要是相对于安全标准而言正在成熟。电动出行可能成本高昂，但Amprius仍致力于将大功率和能量电池解决方案商业化，以增强eVTOL用例并提高成本效益。

eVTOL电池正在不断发展，以满足能量密度和C速率的要求。一些制造商已经开始与FAA合作，寻求认证。

FAA和其他监管机构对批准用于eVTOL的电池解决方案提出了严格的认证要求。从监管机构的角度来看，eVTOL电池是一个具有处理和计算挑战的‘大数据’问题。FAA将如何确保每次飞行后收集和分析正确数量的电池数据，以向公众保证这些电池可以安全飞行？

FAA确实有一些关于飞机电池测试和安装的标准。其中包括RTCA DO-311“可充电锂电池和电池设计测试系统的最低运行性能标准”、SAE AIR6897“航空航天标准中使用的可充电锂电池的电池管理系统”和FAA AC 20-184“飞机上可充电锂电池及电池系统的测试和安装指南”。“这些法规将为新的eVTOL导向法规提供信息，这些法规将对推进电池进行更全面的监督；欧洲也处于监管的早期阶段。

原作者：Mark Robins；翻译整理：认真的Vincent；

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