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向电气化的转变可能已经被汽车行业推广，但为汽车提供动力所需的能量以及电池的尺寸远远低于飞机飞行所需的功率。虽然为汽车提供动力的电池的物理尺寸和重量很重要，但在飞机中更是如此，因为它会影响其有效载荷/航程能力，尤其是在飞行的第一阶段——如果电池太重，飞机甚至可能无法从地面升起。因此，提高单位重量的电池性能将比在飞机上配备更重的电池更为重要。
电动垂直起降飞机的电池在实现高比能量、高比功率、充电速度和高循环寿命方面面临着严峻的挑战。尽管电池行业面临挑战，但改进电池技术对电动飞行器的未来发展至关重要。
本节将介绍当前的电池技术及其未来发展方向。
1. 基本概念
在继续讨论电池技术的困难之前，本小节将介绍电池的四个基本概念。这四个概念是评估电池性能的主要指标，也是讨论车辆续航里程、充电时间、成本和其他特性的基础。
一个。比功率 （SP）
SP 描述了单位重量的电池的功率，通常定义为 W/kg。SP 取决于电池化学成分和封装。SP 确定飞机的容量和所需的电池重量。
b.比能量 （SE）
SE 描述了单位重量的电池中有多少能量，并表示电池的性能，通常定义为 Wh/kg。SE 还取决于电池化学成分和封装。SE 确定飞机的航程和所需的电池重量。
c. C-率
C-rate 是用于衡量电池充满电或放电速度的参数，其中 C -rate 越高意味着充电时间越短。例如，C 率为 1C 意味着电池可以在一小时内充满电或放电。C率的上限取决于电池中使用的电解质和电极材料的类型。C率还决定了车辆的驾驶性能。在需要更大升力或推力的情况下，C 速率随后会更大。例如，在垂直起飞或着陆期间，要克服的重力大于水平巡航，导致更高的C率;更快的加速和巡航需要更高的放电功率，也导致更高的 C 率。该图表显示了每个组件之间的关系。
d. 循环寿命
循环寿命是电池在无法满足飞机最低功率需求之前将经历的放电-充电循环次数。循环寿命取决于 C 速率、循环深度、温度和电池类型。循环深度是指一个循环中放电的百分比。百分比越大意味着放电深度越深。循环寿命决定了电池的寿命。
比功率、比能量、C 率和循环寿命之间的相互关系
资料来源：扩展拉戈内图：推动储能的极限（McCloskey，2015 年）
SP、SE、C 速率和循环寿命都相互关联。对于同一单元（在上图中，不同颜色的波段代表不同的电气设备），SE 和 SP 相互变化（尽管它们只能在相应的波段中这样做）。SP不能无限大，因为对应的SE在达到一定水平后会迅速下降;因此，需要满足 SP 和 SE 之间的平衡点才能满足功率需求。5C的放电倍率（如下图中的对角线虚线所示）是一个合适的参考标准，因为它平衡了最大比功率和比能量，具有相对较快的放电倍率。
然而，虽然 5C 的速率似乎是理想的，但这意味着电池的循环寿命会相当短。这是因为随着充放电周期的增加，电池会老化，其性能，如容量和比能量，会下降。较高的 C 率会导致电池老化得更快。因此，eVTOL电池需要平衡SP、SE、C-rate和循环寿命。
资料来源：锂离子电动汽车电池的寿命分析（Keil、Schuster、Lüders 等人，2015 年）
2. 对eVTOL的影响
在实现快速充电和长电池寿命的同时提高比能量和比功率是开发eVTOL电池的四大挑战。上一节中提到的四个概念对于评估电池和飞机的性能尤为重要，不幸的是，它们可能是相互限制的。
本节将基于现有的技术水平和实际需求，进一步讨论电池性能指标对eVTOL的具体影响，并介绍提高电池性能的方法。
a.特定功率限制了车辆的负载能力
飞机在每个飞行阶段的不同功率要求在eVTOL中更加明显。典型的 eVTOL 行程有五个阶段：起飞、爬升、巡航、下降和着陆，其中电池在飞行器飞行的不同状态下所需的功率输出是不同的。大多数 eVTOL 在起飞和着陆时消耗的功率最大。
此外，对特定功率的需求因推力设计而异。不同的动力布局将改变起飞和着陆以及巡航阶段的最低功率要求。
注：表中数据摘自《电动垂直起降飞机电池
的挑战和关键要求》，焦耳（Yang， Liu， Ge， et al.， 2021）。
在5C的放电率（悬停所需的典型放电率）下，电池技术目前可以达到1 kW/kg的比功率。然而，这有望在 2040 年之前达到 eVTOL 2.5 kW/kg 的目标性能。通过使用新材料和重新设计电池单元，可以克服当前的障碍。
b.比能量限制了车辆的续航里程
电池的比能量决定了车辆续航里程的上限。
根据 Uber 在 2016 年发布的《快进到按需城市航空运输的未来》报告，eVTOL 车辆的最小有效航程应超过 100 英里（约 160 公里）。使用这个潜在的最小范围，电池所需的最小可用比能量约为 230Wh/kg。然而，考虑到系统效率、备用能源和电池组设计，在飞行过程中只有 50% 到 60% 的比能量可用。因此，整个电池组的比能量应约为380~460Wh/kg，以满足最小的SE需求。考虑到这一点，当前一代电池只能为不到 50 公里的短途飞行的 eVTOL 提供动力。
可以通过以下方式增加比能量：
·在设计中使用更先进的电极材料
·采用更紧凑的电池组设计
c. 电池充电速度限制了操作间隔
如前所述，目标是达到 5C 的充电速度。这个速率在理论上是可行的，但在实际应用中需要考虑电池寿命。过高的充电速度会导致电池寿命急剧缩短;因此，制造商并没有广泛采用这个速率，而是将充电速率限制在1C以下以延长充电速率。
着陆后飞机内只剩下有限的能量，飞行器需要在下次起飞前充电。飞机可以在下一组乘客登机之前充电，或者可以直接将电池更换为充满电的电池，但是，购买多个电池进行更换可能很昂贵——电池成本目前占飞行器总制造成本的 20% 到 50%。
为了提高eVTOL航班的运营效率，充电时间应尽可能短，尤其是在繁忙时段。如果eVTOL需要在着陆后12分钟起飞，则需要5C的充电速率。如果操作员需要将转换时间减少一半，则充电速率必须加倍。
d. 电池在高 C 倍率下的老化限制了 eVTOL 的使用寿命
在 1C 放电速率下，电池循环寿命的循环次数约为 1500。eVTOL的电池需要在高充放电电流下运行，如果以当前的技术水平快速充电，这会缩短电池的寿命。如果以 5C 速度充电，电池的循环寿命约为 1,000 次充电/放电循环。因此，电池面临的一个主要挑战是需要确保其使用寿命以降低运营成本。即使飞机每天只执行三次飞行，充电三次，电池也需要每年更换一次，这很可能很昂贵。
在特定温度和电压下为电池充电的非对称温度调制 （ATM） 方法可以显着减缓电池老化的速度。据报道，使用ATM方法在6C下充电的电池在2000次循环后可以保持92.3%的容量。
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