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向電氣化的轉變可能已經被汽車行業推廣，但為汽車提供動力所需的能量以及電池的尺寸遠遠低于飛機飛行所需的功率。雖然為汽車提供動力的電池的物理尺寸和重量很重要，但在飛機中更是如此，因為它會影響其有效載荷/航程能力，尤其是在飛行的第一階段——如果電池太重，飛機甚至可能無法從地面升起。因此，提高單位重量的電池性能將比在飛機上配備更重的電池更為重要。

電動垂直起降飛機的電池在實現高比能量、高比功率、充電速度和高循環壽命方面面臨著嚴峻的挑戰。盡管電池行業面臨挑戰，但改進電池技術對電動飛行器的未來發展至關重要。

本節將介紹當前的電池技術及其未來發展方向。

1. 基本概念

在繼續討論電池技術的困難之前，本小節將介紹電池的四個基本概念。這四個概念是評估電池性能的主要指標，也是討論車輛續航里程、充電時間、成本和其他特性的基礎。

一個。比功率 （SP）

SP 描述了單位重量的電池的功率，通常定義為 W/kg。SP 取決于電池化學成分和封裝。SP 確定飛機的容量和所需的電池重量。

b.比能量 （SE）

SE 描述了單位重量的電池中有多少能量，并表示電池的性能，通常定義為 Wh/kg。SE 還取決于電池化學成分和封裝。SE 確定飛機的航程和所需的電池重量。

c. C-率

C-rate 是用于衡量電池充滿電或放電速度的參數，其中 C -rate 越高意味著充電時間越短。例如，C 率為 1C 意味著電池可以在一小時內充滿電或放電。C率的上限取決于電池中使用的電解質和電極材料的類型。C率還決定了車輛的駕駛性能。在需要更大升力或推力的情況下，C 速率隨后會更大。例如，在垂直起飛或著陸期間，要克服的重力大于水平巡航，導致更高的C率;更快的加速和巡航需要更高的放電功率，也導致更高的 C 率。該圖表顯示了每個組件之間的關系。

d. 循環壽命

循環壽命是電池在無法滿足飛機最低功率需求之前將經歷的放電-充電循環次數。循環壽命取決于 C 速率、循環深度、溫度和電池類型。循環深度是指一個循環中放電的百分比。百分比越大意味著放電深度越深。循環壽命決定了電池的壽命。

比功率、比能量、C 率和循環壽命之間的相互關系

資料來源：擴展拉戈內圖：推動儲能的極限（McCloskey，2015 年）

SP、SE、C 速率和循環壽命都相互關聯。對于同一單元（在上圖中，不同顏色的波段代表不同的電氣設備），SE 和 SP 相互變化（盡管它們只能在相應的波段中這樣做）。SP不能無限大，因為對應的SE在達到一定水平后會迅速下降;因此，需要滿足 SP 和 SE 之間的平衡點才能滿足功率需求。5C的放電倍率（如下圖中的對角線虛線所示）是一個合適的參考標準，因為它平衡了最大比功率和比能量，具有相對較快的放電倍率。

然而，雖然 5C 的速率似乎是理想的，但這意味著電池的循環壽命會相當短。這是因為隨著充放電周期的增加，電池會老化，其性能，如容量和比能量，會下降。較高的 C 率會導致電池老化得更快。因此，eVTOL電池需要平衡SP、SE、C-rate和循環壽命。

資料來源：鋰離子電動汽車電池的壽命分析（Keil、Schuster、Lüders 等人，2015 年）

2. 對eVTOL的影響

在實現快速充電和長電池壽命的同時提高比能量和比功率是開發eVTOL電池的四大挑戰。上一節中提到的四個概念對于評估電池和飛機的性能尤為重要，不幸的是，它們可能是相互限制的。

本節將基于現有的技術水平和實際需求，進一步討論電池性能指標對eVTOL的具體影響，并介紹提高電池性能的方法。

a.特定功率限制了車輛的負載能力

飛機在每個飛行階段的不同功率要求在eVTOL中更加明顯。典型的 eVTOL 行程有五個階段：起飛、爬升、巡航、下降和著陸，其中電池在飛行器飛行的不同狀態下所需的功率輸出是不同的。大多數 eVTOL 在起飛和著陸時消耗的功率最大。

此外，對特定功率的需求因推力設計而異。不同的動力布局將改變起飛和著陸以及巡航階段的最低功率要求。

注：表中數據摘自《電動垂直起降飛機電池

的挑戰和關鍵要求》，焦耳（Yang， Liu， Ge， et al.， 2021）。

在5C的放電率（懸停所需的典型放電率）下，電池技術目前可以達到1 kW/kg的比功率。然而，這有望在 2040 年之前達到 eVTOL 2.5 kW/kg 的目標性能。通過使用新材料和重新設計電池單元，可以克服當前的障礙。

b.比能量限制了車輛的續航里程

電池的比能量決定了車輛續航里程的上限。

根據 Uber 在 2016 年發布的《快進到按需城市航空運輸的未來》報告，eVTOL 車輛的最小有效航程應超過 100 英里（約 160 公里）。使用這個潛在的最小范圍，電池所需的最小可用比能量約為 230Wh/kg。然而，考慮到系統效率、備用能源和電池組設計，在飛行過程中只有 50% 到 60% 的比能量可用。因此，整個電池組的比能量應約為380~460Wh/kg，以滿足最小的SE需求。考慮到這一點，當前一代電池只能為不到 50 公里的短途飛行的 eVTOL 提供動力。

可以通過以下方式增加比能量：

·在設計中使用更先進的電極材料

·采用更緊湊的電池組設計

c. 電池充電速度限制了操作間隔

如前所述，目標是達到 5C 的充電速度。這個速率在理論上是可行的，但在實際應用中需要考慮電池壽命。過高的充電速度會導致電池壽命急劇縮短;因此，制造商并沒有廣泛采用這個速率，而是將充電速率限制在1C以下以延長充電速率。

著陸后飛機內只剩下有限的能量，飛行器需要在下次起飛前充電。飛機可以在下一組乘客登機之前充電，或者可以直接將電池更換為充滿電的電池，但是，購買多個電池進行更換可能很昂貴——電池成本目前占飛行器總制造成本的 20% 到 50%。

為了提高eVTOL航班的運營效率，充電時間應盡可能短，尤其是在繁忙時段。如果eVTOL需要在著陸后12分鐘起飛，則需要5C的充電速率。如果操作員需要將轉換時間減少一半，則充電速率必須加倍。

d. 電池在高 C 倍率下的老化限制了 eVTOL 的使用壽命

在 1C 放電速率下，電池循環壽命的循環次數約為 1500。eVTOL的電池需要在高充放電電流下運行，如果以當前的技術水平快速充電，這會縮短電池的壽命。如果以 5C 速度充電，電池的循環壽命約為 1,000 次充電/放電循環。因此，電池面臨的一個主要挑戰是需要確保其使用壽命以降低運營成本。即使飛機每天只執行三次飛行，充電三次，電池也需要每年更換一次，這很可能很昂貴。

在特定溫度和電壓下為電池充電的非對稱溫度調制 （ATM） 方法可以顯著減緩電池老化的速度。據報道，使用ATM方法在6C下充電的電池在2000次循環后可以保持92.3%的容量。

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