【eVTOL设计】如何估算eVTOL所需电池功率密度及放电倍率的大小?

文摘   2024-08-04 17:15   中国香港  

eVTOL在起降阶段需要高功率才能提供所需的垂直升力,这就要求所搭载的电池具备高功率输出的能力,表征这种能力强弱的量就是电池的功率密度(单位质量的电池所能提供的放电功率大小,单位为W/Kg)。电池功率密度直接决定了eVTOL能飞起来,功率密度过小,eVTOL将无法起飞。至于大家所熟悉的能量密度则决定了eVTOL能飞多久。

估算eVTOL所需的电池功率密度涉及到eVTOL所配置的垂直动力系统的力效(单位功率所产生的力的大小,单位为g/W),所搭载的电池占最大总起飞质量的比值,以及垂直旋翼的总拉力需求。

一、设所设计的eVTOL的相关参数如下

最大总起飞质量:m 千克(Kg);

动力系统的旋翼力效:a 克/瓦(g/W);

电池质量占最大总起飞质量的比值:k;

旋翼总拉力需求为最大总重量的倍数(推重比):n;

电池功率密度:x 瓦/千克(W/Kg

二、所需电池功率密度x估算

电池的最大放电功率为:xkm,单位为W;

电池最大放电功率下旋翼产生的总拉力大小:axkm,单位为g;

eVTOL所需的最大总拉力大小:nm,单位为Kg;

若电池最大放电功率下旋翼所产生的总拉力大于eVTOL所需的最大总拉力,则该电池可用,即:

axkm(g)>nm(Kg)

x>1000n/ak

即所需电池功率密度x>1000n/ak,只与动力系统力效a,电池质量比值k,以及推重比n有关。动力系统力效和电池质量比值越高,则电池所需功率密度要求越低,越容易满足。

根据经验,可以令推重比n=2,电池质量比值k=1/3,力效a=7g/W,可得此时电池功率密度x>857W/Kg。

三、所需电池的倍率估算

在电池选型中,经常用来表征电池功率密度的另一个参数是放电倍率,如1C、2C、3C这样子。在如上述估算得到所需电池的功率密度后,如何进一步映射到倍率指标呢?这个就涉及到该电池的能量密度了。

能量密度指单位质量的电池所能放出的电量,单位为Wh/Kg,记为E;

所需电池的放电倍率可以计算为:R=x/E,即为所需电池功率密度与能量密度的比值。

如现在市面上量产的能量密度较高的电池E=300Wh/Kg左右,则所需倍率R=857/300=2.86。即若选择300Wh/Kg能量密度的电池,其放电倍率至少要到2.86C。若选择能量密度更低的电池,则放电倍率需要更高。

由此可知,在功率密度一定的情况下,电池放电倍率的需求随着能量密度的增高而降低。能量密度越高,所需倍率越低;能量密度越低,所需倍率越高。

四、eVTOL所需电池功率密度与放电倍率估算总结

  1. eVTOL所需电池功率密度x由旋翼垂起推重比n、电池质量比值k、垂起旋翼动力系统力效a三者共同决定,约束为x>1000n/ak。

  2. eVTOL所需电池的放电倍率R=x/E,随电池能量密度而变化。


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