eVTOL電池的開發(fā)
eVTOL電池動(dòng)力問(wèn)題，是一個(gè)復(fù)雜的“大數(shù)據(jù)”問(wèn)題，當(dāng)然也包含大量的軟硬件問(wèn)題。
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獲得認(rèn)可
eVTOL行業(yè)正在迅速發(fā)展，因此人們對(duì)eVTOL電池使用的接受度也在不斷提高。這可能是由于人們對(duì)城市空中交通和短途飛行的電動(dòng)航空越來(lái)越感興趣。在電池層面，重點(diǎn)是尋找改善鋰離子電池材料化學(xué)的方法，將電池比能量密度提高30%。
許多公司正在努力開發(fā)新的電池化學(xué)物質(zhì)，例如具有硅陽(yáng)極的電池，該電池有可能提供所需的比能量密度。但這些化學(xué)品中的大多數(shù)仍處于技術(shù)演示階段或早期中規(guī)模開發(fā)制造試驗(yàn)階段。
許多整機(jī)和電池供應(yīng)商正在產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面開發(fā)新電池，以滿足eVTOL的運(yùn)行要求，同時(shí)確保安全并符合FAA的所有要求。由于他們能夠提供安全、符合FAA要求并滿足eVTOL運(yùn)營(yíng)需求的新技術(shù)，我們將看到飛機(jī)行業(yè)和公眾的接受度不斷提高。
一些eVTOL公司正在探索混合動(dòng)力解決方案，例如使用H2燃料電池與較小的電池配對(duì)。提供比目前商用鋰離子電池更長(zhǎng)的飛行時(shí)間和更快的充電時(shí)間的能力是追求此類混合動(dòng)力解決方案的關(guān)鍵動(dòng)機(jī)。然而，這種方法也帶來(lái)了自身的挑戰(zhàn)，如額外的復(fù)雜控制和電力共享，以及不僅對(duì)電池而且對(duì)氫氣的安全處理。系統(tǒng)復(fù)雜性的增加可能會(huì)增加系統(tǒng)認(rèn)證和成本方面的挑戰(zhàn)。
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電池的充電、放電和溫度
eVTOL運(yùn)行的特點(diǎn)是具有更高的放電輪廓，尤其是在起飛和著陸期間。
傳統(tǒng)上，電池要么設(shè)計(jì)成提供大量能量，要么設(shè)計(jì)成高功率。對(duì)于eVTOL電池來(lái)說(shuō)，在能量和功率之間保持良好的平衡很重要。起飛和降落需要功率，有足夠的巡航范圍需要能量。
為了維持eVTOL的使用情況，在電池大部分耗盡的情況下重復(fù)使用，eVTOL電池被設(shè)計(jì)為充電非?？?，通常在5到10分鐘內(nèi)。原型電池可以維持長(zhǎng)達(dá)50英里的旅程，能量密度為每公斤270瓦時(shí)。通?？梢栽谄涫褂脡勖鼉?nèi)支持多達(dá)2000次快速充電循環(huán)。eVTOL電池需要支持大功率電池放電，主要是在起飛和降落期間。不僅放電水平高，而且電池達(dá)到峰值容量的時(shí)間比電動(dòng)汽車長(zhǎng)得多。雖然電動(dòng)汽車需要考慮電池的尺寸和重量，但這對(duì)飛機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)更大的因素，因?yàn)樗鼘?duì)有效載荷/航程能力有重大影響，更不用說(shuō)使飛機(jī)太重而不適合飛行。
eVTOL電池在尺寸上與電動(dòng)汽車電池相似或更大，在充電和放電過(guò)程中對(duì)功率的使用要求更高。eVTOL電池在起飛和著陸期間需要維持更高的功率水平，通常比電動(dòng)汽車加速所需的水平高出兩到四倍。盡管高電池能量密度在EV和eVTOL應(yīng)用中都是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但能量密度通常會(huì)被eVTOL中的功率能力所抵消，這使得高能量密度技術(shù)對(duì)eVTOL具有更高的重要性。
溫度可能對(duì)eVTOL電池的充電和放電水平產(chǎn)生重大影響。隨著起飛和降落時(shí)的高功率，電池的溫度也會(huì)升高。高功率運(yùn)行條件會(huì)導(dǎo)致自發(fā)熱，因此，eVTOL電池對(duì)較低溫度不那么敏感。通常，在主動(dòng)控制下的高溫運(yùn)行是常態(tài)。對(duì)于航空專用電池系統(tǒng)中需要利用被動(dòng)和主動(dòng)冷卻系統(tǒng)來(lái)管理溫度。
原型電池可以加熱，以幫助它們更快地釋放多余的能量，從而在充電電阻最低時(shí)更快地充電。溫度也在燃料測(cè)量中發(fā)揮作用。eVTOL飛機(jī)定期在一次充電中執(zhí)行兩次起飛和兩次降落，與只執(zhí)行一次起飛和降落的飛機(jī)相比，對(duì)退化的影響不同。
總部位于加州的Joby Aviation生產(chǎn)的飛機(jī)上袋裝電池在電池水平上的額定水平為每公斤288瓦時(shí)，該公司在實(shí)驗(yàn)室證明，它們能夠進(jìn)行10000多次代表性飛行循環(huán)。將這些電池組裝成可認(rèn)證的航空航天級(jí)電池組的結(jié)果是，在電池組水平上，每公斤的比能量為235瓦時(shí)。
動(dòng)態(tài)調(diào)度周期需要納入健康狀態(tài)（SoH）和充電狀態(tài)（SoC）計(jì)算，包括負(fù)載起飛與空載起飛、行駛距離、功率輸出曲線、環(huán)境溫度、風(fēng)力條件。如果數(shù)據(jù)在每次充電/放電循環(huán)后沒(méi)有得到正確的整理和自動(dòng)分析，那么確定電池SoH和電池水平退化將成為一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。鋰離子電池和電池的性質(zhì)否定了組件級(jí)或系統(tǒng)級(jí)SoH計(jì)算‘足夠好’的運(yùn)行假設(shè)。
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面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題
為了滿足為城市空中交通設(shè)計(jì)的新型飛行器的新需求，eVTOL飛機(jī)不容忽視。與傳統(tǒng)航空電子組件在許多方面不同，eVTOL電池的性能和安全要求尤其需要考慮和檢查。
雖然航空電子電池主要用于備份系統(tǒng)，具有相對(duì)較低的充電率和穩(wěn)定的可預(yù)測(cè)放電，但eVTOL電池需要在起飛和機(jī)動(dòng)過(guò)程中支持高C率，并在巡航過(guò)程中支持低C率。峰值功率性能需求更為重要，要求在10-20攝氏度的溫度下運(yùn)行。因此，它們的能量密度比傳統(tǒng)電池更高。eVTOL電池的設(shè)計(jì)還提高了熱穩(wěn)定性，并允許更靈活的部署，具有增強(qiáng)模塊性等功能，以適應(yīng)不同類型的飛機(jī)和行程距離。
電池技術(shù)影響eVTOL的發(fā)展；它會(huì)影響續(xù)航里程、承載能力、充電時(shí)間和維護(hù)成本。飛機(jī)在每個(gè)飛行階段的不同功率要求在eVTOL中更為明顯。一次典型的eVTOL旅行有五個(gè)階段：起飛、爬升、巡航、下降和著陸，在不同的飛行狀態(tài)下，電池所需的功率輸出是不同的。大多數(shù)eVTOL在起飛和降落時(shí)使用最多的功率。
與許多其他電動(dòng)出行應(yīng)用相比，eVTOL電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，以及在高放電速率下連續(xù)工作的能力，同時(shí)仍然具有合適的壽命。此外，在優(yōu)化eVTOL運(yùn)行效率的過(guò)程中，最大限度地縮短充電時(shí)間至關(guān)重要，尤其是在需求高峰期。傳統(tǒng)的航空電子電池被用作輔助系統(tǒng)的備用電源，而eVTOL電池是主要能源。因此，它們的容量要大得多，比能量密度是與電池重量直接相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。
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目前的狀態(tài)
新興eVTOL飛機(jī)的電池仍處于相對(duì)早期的開發(fā)和成熟階段。
每個(gè)原始設(shè)備制造商都有自己的設(shè)計(jì)和配置，包括使用的電池類型。盡管標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和原始設(shè)備制造商之間或一個(gè)地區(qū)與另一個(gè)地區(qū)（美國(guó)、歐洲、亞洲）之間存在差異，但標(biāo)準(zhǔn)化主要是相對(duì)于安全標(biāo)準(zhǔn)而言正在成熟。電動(dòng)出行可能成本高昂，但Amprius仍致力于將大功率和能量電池解決方案商業(yè)化，以增強(qiáng)eVTOL用例并提高成本效益。
eVTOL電池正在不斷發(fā)展，以滿足能量密度和C速率的要求。一些制造商已經(jīng)開始與FAA合作，尋求認(rèn)證。
FAA和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)批準(zhǔn)用于eVTOL的電池解決方案提出了嚴(yán)格的認(rèn)證要求。從監(jiān)管機(jī)構(gòu)的角度來(lái)看，eVTOL電池是一個(gè)具有處理和計(jì)算挑戰(zhàn)的‘大數(shù)據(jù)’問(wèn)題。FAA將如何確保每次飛行后收集和分析正確數(shù)量的電池?cái)?shù)據(jù)，以向公眾保證這些電池可以安全飛行？
FAA確實(shí)有一些關(guān)于飛機(jī)電池測(cè)試和安裝的標(biāo)準(zhǔn)。其中包括RTCA DO-311“可充電鋰電池和電池設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)”、SAE AIR6897“航空航天標(biāo)準(zhǔn)中使用的可充電鋰電池的電池管理系統(tǒng)”和FAA AC 20-184“飛機(jī)上可充電鋰電池及電池系統(tǒng)的測(cè)試和安裝指南”?！斑@些法規(guī)將為新的eVTOL導(dǎo)向法規(guī)提供信息，這些法規(guī)將對(duì)推進(jìn)電池進(jìn)行更全面的監(jiān)督；歐洲也處于監(jiān)管的早期階段。
