一、eVTOL的关键先生
eVTOL作为战略性新兴产业，不仅开辟了全新的市场空间，还为城市交通拥堵提供创新解决方案，引领着航空领域的绿色转型和经济增长新动力。而eVTOL的大力发展与航空动力电池技术的突破性进步紧密相关，电池系统的功率密度、能量密度、充放电倍率和循环寿命影响着eVTOL的多项关键性能，如有效载荷、航程、电池寿命等。
eVTOL产业链全景图
产业π制图
二、电池概述
1
分类
根据动力模式的不同，eVTOL可以分为纯电动和混合动力两大类。
纯电动eVTOL包括锂电池、氢燃料电池和太阳能电池三种动力系统。
混合动力eVTOL包括锂电池与氢燃料电池，锂电池与燃油的两类动力系统组合。
不管是纯电还是混动都离不开锂电池的大力发展，锂电池技术相对氢燃料电池技术更成熟稳定，是当前eVTOL使用的主要电池类型。
eVTOL电池系统分类
产业π制图
2
锂电池的四个关键指标
电池的功率密度、能量密度、充放电倍率、循环寿命对eVTOL的有效载荷、续航能力、充电时间等关键性能起着决定性作用。
①功率密度
功率密度衡量了电池单位重量所能提供的功率，该指标受电池的化学构成和封装方式影响，决定了eVTOL的载荷能力。
②能量密度
能量密度指的是电池单位重量所能提供的能量，该指标受电池的化学成分和封装方式影响，决定了eVTOL的续航能力。
③充放电倍率
充放电倍率，用C表示，1C意味着电池能在1小时内充满或放空，是衡量电池充放电速度的指标。这一速率的极限受电解液和电极材料限制，影响eVTOL的操控性能。例如垂直起降时需要更大的升力，因此C值需更高。eVTOL加速时需要更大的功率输出，同样要求更高的C值。
产业π制图
④循环寿命
循环寿命是指电池无法满足eVTOL基本动力需求前所能承受的充放电次数，受充放电速度、放电深度、温度和电池类型等因素影响。
功率密度、能量密度、充放电倍率的相互关系
数据来源：加州大学伯克利分校，产业π整理
功率密度、能量密度、充放电倍率、循环寿命之间是相互联系的。对于同一种电池，其功率密度和能量密度在一定的性能区间内变化。化学成分决定了这两种性能指标的极限值，随着功率密度的增加，能量密度达到一定程度后会相应减少，因此需要找到一个平衡点来满足实际应用需求。5C的放电率是一个合适的参考，它在保证较快放电速度的同时还能实现较高的功率密度和能量密度。
不过5C放电速率在性能上看似理想，但它可能会缩短电池的使用寿命。电池在经过多次充放电循环后会逐渐老化，导致其容量和能量密度下降。因此eVTOL的电池设计需要在功率密度、能量密度、充放电倍率和循环寿命之间找到合适的平衡点。
电池容量随不同C值充放电循环次数
数据来源：慕尼黑工业大学，产业π整理
三、电池对eVTOL的影响
1
功率密度影响eVTOL载重
功率密度需求会随着eVTOL构型变化而不同，复合翼型需要的最小功率密度为700W/kg，矢量推进型500W/kg，最小的是多旋翼型400W/kg。而在不同飞行阶段对功率需求也有显著差异，一次典型的eVTOL飞行分为五个阶段：垂直起飞、爬升、水平飞行、下降和垂直降落，其中垂直起飞和降落时对电池的功率输出要求最高。在5C放电速率下（eVTOL运行时的典型放电率），2022年的电池技术能达到1000W/kg，预计到2040年有望达到2500W/kg，但这只有在电芯上采用新型材料或重新设计才有望突破。
不同类型eVTOL的功率密度需求
数据来源：宾夕法尼亚大学，产业π制图
2
能量密度影响eVTOL航程
当前航空锂电池以高镍三元+硅基负极体系为主流，市面量产的单体电芯能量密度最高水平约330Wh/kg，电池包能量密度约285Wh/kg，远低于航空燃油的能量密度。通常300Wh/kg的能量密度可以支撑200-300km的飞行距离，但考虑到垂直起飞阶段所需的动力是地面行驶的10至15倍及电池包冗余电量需求等因素，eVTOL商业化标准要求达到400Wh/kg。一般电池重量占eVTOL空重1/3，要想增大航程提高能量密度和减少电池自重则成为关键。
3
充放电倍率影响eVTOL循环寿命
在1C的充放电倍率下，电池的循环寿命大约是1,500次。然而，eVTOL电池在高充放电电流和深放电条件下工作会缩短电池寿命。如果电池以5C的速率运行，其寿命周期会降至大约1,000次。寿命减短加快电池更换周期，无疑是个巨大的开销。因此对eVTOL企业来说，需要控制好电池寿命以降低运行成本。
高镍、常规三元电池循环容量保持曲线
数据来源：格瑞普电池，产业π整理
eVTOL对电池性能要求
资料来源：《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，产业π制图
四、发展趋势
1
纯电为主，兼顾混动
当前eVTOL主要使用锂电池，因为它能在重量、安全性、航程、适航认证、成本等方面实现较好平衡。尽管氢燃料电池潜在能量密度是锂电池的数百倍，但在瞬间放电能力上相对较弱，并不适合对瞬时功率要求较高的eVTOL应用场景，且在制、储、运等方面也存在挑战。因此，短期内氢电或氢内燃机技术在eVTOL的应用相对有限。
不同清洁能源对比
数据来源：Lilium Battery Webinar，产业π制图
2
新型电池快速发展
现有较高能量密度的电池如Lilium Jet所使用的IonBox的硅阳极锂电池，电芯能量为330Wh/kg，远不能与传统航空燃油相比。由于能量密度低，电池包重量过大，现有eVTOL普遍存在有效荷载、航程和续航时间的局限。因此未来eVTOL商业化必然需要开发新型电池，如固态电池等以满足eVTOL商业化所需的高载重、高航程、高安全性、长寿命、快充电等特性。
五、重点企业
产业π制图
往期推荐
扫描二维码关注我们哦 |
