eVTOL電池的開發(fā)
eVTOL電池動力問題，是一個復(fù)雜的“大數(shù)據(jù)”問題，當(dāng)然也包含大量的軟硬件問題。
— 1 —
獲得認(rèn)可
eVTOL行業(yè)正在迅速發(fā)展，因此人們對eVTOL電池使用的接受度也在不斷提高。這可能是由于人們對城市空中交通和短途飛行的電動航空越來越感興趣。在電池層面，重點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)制造試驗階段。
許多整機和電池供應(yīng)商正在產(chǎn)品設(shè)計層面開發(fā)新電池，以滿足eVTOL的運行要求，同時確保安全并符合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運營需求的新技術(shù)，我們將看到飛機行業(yè)和公眾的接受度不斷提高。
一些eVTOL公司正在探索混合動力解決方案，例如使用H2燃料電池與較小的電池配對。提供比目前商用鋰離子電池更長的飛行時間和更快的充電時間的能力是追求此類混合動力解決方案的關(guān)鍵動機。然而，這種方法也帶來了自身的挑戰(zhàn)，如額外的復(fù)雜控制和電力共享，以及不僅對電池而且對氫氣的安全處理。系統(tǒng)復(fù)雜性的增加可能會增加系統(tǒng)認(rèn)證和成本方面的挑戰(zhàn)。
— 2 —
電池的充電、放電和溫度
eVTOL運行的特點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)計成提供大量能量，要么設(shè)計成高功率。對于eVTOL電池來說，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)計為充電非常快，通常在5到10分鐘內(nèi)。原型電池可以維持長達50英里的旅程，能量密度為每公斤270瓦時。通常可以在其使用壽命內(nèi)支持多達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，而且電池達到峰值容量的時間比電動汽車長得多。雖然電動汽車需要考慮電池的尺寸和重量，但這對飛機來說是一個更大的因素，因為它對有效載荷/航程能力有重大影響，更不用說使飛機太重而不適合飛行。
eVTOL電池在尺寸上與電動汽車電池相似或更大，在充電和放電過程中對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)用中都是一個優(yōu)勢，但能量密度通常會被eVTOL中的功率能力所抵消，這使得高能量密度技術(shù)對eVTOL具有更高的重要性。
溫度可能對eVTOL電池的充電和放電水平產(chǎn)生重大影響。隨著起飛和降落時的高功率，電池的溫度也會升高。高功率運行條件會導(dǎo)致自發(fā)熱，因此，eVTOL電池對較低溫度不那么敏感。通常，在主動控制下的高溫運行是常態(tài)。對于航空專用電池系統(tǒng)中需要利用被動和主動冷卻系統(tǒng)來管理溫度。
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更快地充電。溫度也在燃料測量中發(fā)揮作用。eVTOL飛機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相比，對退化的影響不同。
總部位于加州的Joby Aviation生產(chǎn)的飛機上袋裝電池在電池水平上的額定水平為每公斤288瓦時，該公司在實驗室證明，它們能夠進行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。
動態(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)后沒有得到正確的整理和自動分析，那么確定電池SoH和電池水平退化將成為一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。鋰離子電池和電池的性質(zhì)否定了組件級或系統(tǒng)級SoH計算‘足夠好’的運行假設(shè)。
— 3 —
面臨的挑戰(zhàn)和問題
為了滿足為城市空中交通設(shè)計的新型飛行器的新需求，eVTOL飛機不容忽視。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)，具有相對較低的充電率和穩(wěn)定的可預(yù)測放電，但eVTOL電池需要在起飛和機動過程中支持高C率，并在巡航過程中支持低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)計還提高了熱穩(wěn)定性，并允許更靈活的部署，具有增強模塊性等功能，以適應(yīng)不同類型的飛機和行程距離。
電池技術(shù)影響eVTOL的發(fā)展；它會影響續(xù)航里程、承載能力、充電時間和維護成本。飛機在每個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在起飛和降落時使用最多的功率。
與許多其他電動出行應(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，同時仍然具有合適的壽命。此外，在優(yōu)化eVTOL運行效率的過程中，最大限度地縮短充電時間至關(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)。
— 4 —
目前的狀態(tài)
新興eVTOL飛機的電池仍處于相對早期的開發(fā)和成熟階段。
每個原始設(shè)備制造商都有自己的設(shè)計和配置，包括使用的電池類型。盡管標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)和原始設(shè)備制造商之間或一個地區(qū)與另一個地區(qū)（美國、歐洲、亞洲）之間存在差異，但標(biāo)準(zhǔn)化主要是相對于安全標(biāo)準(zhǔn)而言正在成熟。電動出行可能成本高昂，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)管機構(gòu)對批準(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)管機構(gòu)的角度來看，eVTOL電池是一個具有處理和計算挑戰(zhàn)的‘大數(shù)據(jù)’問題。FAA將如何確保每次飛行后收集和分析正確數(shù)量的電池數(shù)據(jù)，以向公眾保證這些電池可以安全飛行？
FAA確實有一些關(guān)于飛機電池測試和安裝的標(biāo)準(zhǔn)。其中包括RTCA DO-311“可充電鋰電池和電池設(shè)計測試系統(tǒng)的最低運行性能標(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“飛機上可充電鋰電池及電池系統(tǒng)的測試和安裝指南”?！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)將對推進電池進行更全面的監(jiān)督；歐洲也處于監(jiān)管的早期階段。
