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重磅Joule：揭秘电动飞机锂电应用困境，引爆未来空中交通革命！

时间：2023-08-25 来源：浏览：

重磅Joule：揭秘电动飞机锂电应用困境，引爆未来空中交通革命！

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收录于合集

第一作者： Abhinand Ayyaswamy

通讯作者：Partha P M ukherjee

通讯单位：美国普渡大学机械工程学院

电垂直起降（eVTOL）飞行器作为未来城市交通的潜在解决方案，引起了广泛关注。然而，eVTOL的可行性和安全性主要依赖于其能源系统，特别是锂离子电池（LIBs）的动力学特性。Abhinand Ayyaswamy等人最近进行的一项研究揭示了电垂直起降（eVTOL）飞行器中锂离子电池（LIBs）动力学的挑战。该研究旨在揭示eVTOL独特的功率需求和电极设计所带来的隐藏困境，这对其运行范围和商业市场适用性具有重要影响。

【研究背景】

可持续性技术革命需要流动性、生产力提高和城市化三个要素，以应对通勤者损失、交通延误和温室气体排放的挑战，并符合《巴黎协定》要求将全球气温上升限制在本世纪内的2℃以内。因此，投资空域作为适合乘客和货物流动的市场，eVTOL飞机有望缓解拥堵，为新兴的零排放技术铺平道路。城市空中运输（UAM）是先进空中机动（AAM）的子空间，由全电动“飞行汽车”组成，提供按需点对点服务，包括应急响应和货运。

最近的研究强调了eVTOLs对更高能量密度的需求，特别是与电动汽车相比，由于其固有的功率需求。快速充电对eVTOL电池的必要性也得到了强调，以消除更高能量密度的要求，增加收入并降低大规模商业化的生产成本。然而，电动汽车电池与电动飞机电池具有不同的功率特性和放电率要求，因此在电动飞机电池的开发方面仍面临重要挑战。

本研究对真实eVTOL架构中的内在变化及其伴随的 飞行任务 特异性在转化为 LI Bs中潜在机械相互作用驱动的系统和性能指标中的作用进行了计算研究。通过建立的热电化学建模框架，确定了电极设计变化的不对称热响应，进一步划定了触发热安全极限的潜在情景和途径。通过检查与电极响应相关的巡航前结构相关的能量消耗来描述冷启动能力的基本限制。仔细评估动态变化的环境，能够确定区域特定的BTMS热负荷不变的全季节性能。通过建立eVTOL电池的功率-能量关系，强调了理解飞行任务参数、eVTOL架构和电极设计对锂电池伴随的多元响应的融合的重要性。

【核心内容】

1. 理解电垂直起降飞行器的动力需求

研究首先深入探讨了eVTOL飞行器的动力需求。由于eVTOL的独特设计和操作模式，其在不同阶段（如起飞、巡航、降落等）的功率需求存在差异。研究人员通过机械分析，考虑了结构依赖、时间变化和相位差异等因素，以揭示这些动力需求对LIBs动力学的影响。本研究通过使用具有石墨负极和Li（Ni _0.5 Mn _0.3 Co _0.2 ）O ₂ （NMC532）正极的典型LIBs，对三个eVTOL任务（A、B和C）的飞行动力学进行了研究。这三个任务代表了现实世界中的体系结构和飞行任务配置。eVTOL-A采用无翼多翼飞行器结构，在垂直起降期间具有高效率，适用于无人机市场。eVTOL-B结合了升力和巡航设计，借鉴了传统飞机（机翼）和多旋翼机（旋翼）用于瞄准RAM市场的设计。eVTOL-C采用管道矢量推力概念，将机翼和管道风扇耦合在一起，以提供更好的空气动力学性能，适用于远程飞行任务。

图1说明了典型eVTOL Mission的架构驱动的设计元素八角形图。八边形映射将参数告知本研究的架构关联功率/比能（ALPSE）模型，以模拟航程有效载荷设计点的eVTOL飞行，从而计算行程的相位功率-能量（P/E）函数。图1C强调了不同飞行任务阶段（悬停，最高；下降，最低）和代表性eVTOL之间的功率需求差异。由于低荷电状态（SOCs）意味着由于高着陆功率而导致电池电流增加，本研究假设在飞行任务即将到来的阶段，功率与局部SOCs之间存在复杂的相互依赖关系。

图1 eVTOL架构的设计概述和评估，及eVTOL-A、B和C的各种应用。

2. 电极设计对动力学的影响

本文开发了一个耦合的热电化学模型来捕获动态eVTOL电池响应，并使用Yang等人和Liu等人的实验数据对其进行了验证。执行此验证过程是为了评估本文的建模框架的能力，以捕获任何eVTOL行程中不同相位的功率需求和每个相位内不断增加的电流密度。用类似实验的电极设计精确地重建每相的功率需求，并能够准确地预测电压和eVTOL Mission的热信号特征。电极设计是影响LIBs动力学的关键因素之一。研究人员探讨了不同电极设计对eVTOL飞行器性能和安全性的影响。他们发现，电极设计的不对称性会导致热响应的不均匀分布，从而对电池的性能和寿命产生负面影响。通过优化电极设计并平衡性能和安全性，可以提高eVTOL飞行器的动力学表现。图2A显示，在行程中放电电流不可避免地增加，较高的SE下传输电阻明显增加，这导致Mission-B在停滞阶段的电化学关闭。图2B显示了放电开始时欧姆热产生的相对温升率，较高的硒电极具有较低的局部热。通过比较图1E和2B，研究推断出增强的动力学和更高的运输阻力之间的机制权衡。

图2 eVTOL独特的变化功率需求的影响与电极设计的微妙变化。

3. 热安全性挑战

研究还着重研究了eVTOL飞行器在热安全性方面面临的挑战。在高功率、长时间运行以及夏季条件下，eVTOL飞行器的着陆和悬停阶段会引发严重的热问题。高空飞行的高速巡航会导致强烈的热对流，增加传输损失。此外，研究揭示了eVTOL在冬季季节中所面临的严重电化学限制，这对其性能和安全性构成了挑战。

本研究在图3D和3E中描绘了三种安全机制下的飞行任务场景——安全、潜在风险和不安全。这些表面图清楚地描述了电极固有的热不对称性，在安全分析中，阴极比阳极更具优势。对于92.5 wt%的阳极，在安全温度（60 ℃）以上的整个溶液空间中，阻挡着陆（图3E）的风险最高，有几种情况超过80 ℃。对于质量分数为92.5 %的正极，图3D显示，高功率飞行任务可以安全运行长达120秒的总悬停。明显地，由于较低的SOCs和电池电压，在停滞阶段后，温度随悬停时间的上升速率更为明显，从而提高了放电电流。说明了热响应随悬停时间和电极设计的差异表明材料特性、颗粒形态和界面动力学与eVTOL执行飞行任务特定功率需求之间的机制相互作用。

图3 检查eVTOL操作下LIBs的潜在热极端（安全区域对应于T<60 ℃，潜在风险区域对应于60 ℃<T<80 ℃，不安全区域对应于 T >80 ℃）。

4. 性能和安全性的权衡

LIBs的电化学性能在低温下急剧下降，甚至在冷冻温度下无法提供室温容量的10%然而，eVTOL具有动态热环境的特点，使得零度以下启动期间的功率传输可靠性提高了数倍。研究人员发现，在高功率/高速比条件下，优化性能和安全性存在固有的限制。如图4中显示的Mission-B的热电化学响应表明，较长的悬停时间通过增强传输提高了能量利用率，但过多的悬停可能导致容量不足而关闭。图4D-4F说明了了电极设计和结构对冷启动效率在悬停条件下的影响。低功耗架构(eVTOL-A)需要不对称的电极负载，而复杂的eVTOLs (B或C)使用这种配方会带来关机的风险。

图4 启动温度和环境条件对冷启动的耦合影响eVTOL响应。

此外，研究还推断出性能和安全性描述符之间的内在非相关行为，并展示了电极设计如何在不同季节条件下与eVTOL的性能和安全性进行权衡，如图5所示的 2022年北美上空BTMS的季节性动态变化和BTMS热导率的地理波动，说明了 eVTOL的冷启动应包括确定限制性制度，以及需要将电极设计更改，以解决性能损失问题。

图5 2022年北美上空BTMS的季节性动态变化和BTMS热导率的地理波动。

然而，简化的电极设计可以提供更好的灵活性，以在最大程度上平衡这些权衡变量。如图6所示是 eVTOL电池的多变量响应引起的特性权衡，说明了SE在影响动态电流需求和P/E比方面的双重性，eVTOL结构和飞行任务参数的多方面影响，以及通过电极设计的传输和反应动力学在共同影响eVTOL中的LIBs响应方面的影响。

图6 定性桑基图展示了eVTOL体系结构、任务需求指标和电极设计LIBs之间的相互依存性和多变量影响。

图7展示了建立在eVTOL电池的多变量响应引起的特性权衡关系的基础上，描绘了一个函数图，描述了eVTOL功率比（PR（即悬停/巡航）和理论SE之间的相关性。eVTOL PR捕获了任何任务的两个主要阶段的信息，并由悬停阶段的峰值比功率（最大功率）与巡航阶段的比值定义。

图7 展示由eVTOL电池的多变量响应引起的特性权衡。

5. 可持续移动的挑战

为了实现eVTOL飞行器在可持续移动方面的潜力，需要认识到在长短距离运输、城市空中运输、消防和紧急医疗服务和货运服务的机制限制，并了解与之相关的权衡。并强调了在特定任务的eVTOL应用中，底层机制基础对LIBs设计权衡的强烈依赖性。该分析框架表明，需要为特定任务的eVTOL电池构建设计范式，同时深入了解可以减轻这些固有权衡的机制方法，包括全季节性能、安全性和电池重量。

【结论展望】

综上所述，作者的研究为深入理解eVTOL飞行器中LIBs动力学的挑战提供了重要见解。通过揭示隐藏的困境，研究有助于指导eVTOL的设计和应用，提高其性能、安全性和可持续性。这对推动电动航空技术的发展具有重要意义，并为未来的研究和创新提供了方向。随着进一步的研究和技术进步，可以期待eVTOL飞行器在城市交通中发挥更大的作用，为人们带来更加便捷、高效和环保的出行方式。

【文献信息】