飞行汽车:航空新能源化展望|关键技术难点有哪些电池氢燃料锂电池密度evtol动力电池

在当前锂离子电池化学体系下很难实现超过400Wh/kg的能量密度。而实现超过400乃至达到600Wh/kg的高能量密度就需要下一代电池技术的发展。潜在的技术包括:固态电池,金属-空气电池等等。

当前锂电池能量密度举例参考:比亚迪三元锂电池能量密度为219Wh/kg,宁德时代麒麟电池目前能量密度255Wh/kg;2022年10月NASA宣布研制出了500Wh/kg的固态电池 (硫硒电池) ,可应用于电动飞机。

对于电池能量密度对于续航能力的影响,根据清华大学郝瀚副教授团队测算:

当电池能量密度为200Wh/kg时,飞行汽车续航100km所需电池容量为70kWh,续航200km所需电池容量为537kWh (按照每度电5kg的重量,续航200km需要2.5吨电池,因此不现实) 。

当电池能量密度提升至400Wh/kg时,100km续航所需电池容量为44kWh,200km续航所需电池容量下降到94kWh (下降了80%以上) 。

电池能量密度如果提升至400Wh/kg,续航甚至可达到300km;能量密度如果提升至600Wh/kg,续航可达到400km。

2.氢燃料电池方案的可行性

相对锂电方案,虽然氢燃料电池存在能量密度高、电池寿命长等优势,但在动态响应性及功率密度上存在一定不足 (航空通常要求1500W/kg的功率密度,而氢燃料电池系统仅仅只能达到600W/kg) ,因此长期来看,我们认为氢燃料搭配一部分锂电池储能是更优方案,锂电池可用于启动和提供快速变化的功率输出,氢燃料电池可用于续航中的能量输出。

3.飞控/自动驾驶算法

飞控算法主要设计到不同机型的姿态控制,难度上多旋翼<复合翼<倾旋翼。

自动驾驶算法目前国内有小鹏汇天在研究。

4.机身材料技术

常见的有碳纤维复合材料 (例如小鹏汇天、商用大飞机等) ,主要考量点为密度低、强度高。

碳纤维复合材料结构的密度通常在1.6g/cm3以下,而航空常用的金属中,铝合金密度为2.7g/cm3。

5.整机空气动力学性能

使得在巡航的过程中,能极大降低能源消耗。这也是相较于直升机的优势点,同时也是未来与地面交通工具能耗对比的关键点。

单纯依靠多旋翼的机型能效较低,未来的飞行汽车采用复合翼或倾旋翼是大概率事件。

6.安全性/适航认证

(1)关于适航认证

国际上认可的符合性表明方法有十种,分别为符合性声明 (MC0) 、设计评审 (MC1) 、分析/计算 (MC2) 、安全评估 (MC3) 、试验室试验 (MC4) 、地面试验 (MC5) 、飞行试验 (MC6) 、航空器检查 (MC7) 、模拟器试验 (MC8) 、设备合格性 (MC9) 。

企业在使用每一种符合性方法时,如何表明评审结论是有效的,都有相应的标准和规范要求。最终企业将会面对一个庞大的符合性矩阵。据从业人士和研究机构预计,eVTOL获取适航认证一般可能需要花费十亿元人民币左右。

例如沃兰特选择了中国民航局 (CAAC) 作为适航切入口,并在今年1月签署了中国国内首份客运eVTOL的安全保障合作计划 (PSP) ,目标在2026年取得型号合格证 (Type Certificate) ;Joby在争取美国联邦航空管理局 (FAA) 型号合格证,希望在2024年开始提供商业服务。

(2)保障安全性的措施

飞行控制系统需要在因故障降级后仍需要一定的飞行性能和飞行品质,故障引发安全关键功能失效的概率要足够小。

参考轻型飞机的安全配置,eVTOL也可标配或选配整机降落伞。

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