eVTOL电池篇:固态电池曙光在即,eVTOL有望迎来全新升级

能源系统作为eVTOL的能量储存和释放来源,决定着航行过程中的续航里程和起降能力,是eVTOL中的核心系统之一,主要由动力电池组(Pack)、电源管理系统(BMS)、高压配电单元、热管理系统、快充接口与线束等关键部件构成。通常,整个能源系统在eVTOL中的重量占比在30%左右,根据构型、设计航程和有效载荷会有所差异。
成本方面,能源系统通常在整体BOM中占比10%-20%左右,取决于具体构型和产品设计。根据Lilium数据,其eVTOL的能源系统成本占比约10%,推进系统占比约40%,结构和内饰占比约25%,航电和飞控占比约20%,装配件占比约5%。一方面,受益于新能源车产业的蓬勃发展,锂电池产业链的成本得到整体压降;另一方面,在分布式电推进技术下,eVTOL需要多个高功率电机和电控系统,使得动力系统的成本占比达40%以上,占到大头;另外,为满足轻量化需求,大量的碳纤维复合材料也占据大量成本,因此能源系统在eVTOL整机成本中的相对占比不高。
·然而,eVTOL能源系统的价值量却并不低,由于“开发周期长、材料成本高、产品要求严、测试环节多”等因素,航空级电池Pack的成本在2元/Wh左右,是车规动力电池的3-5倍,若按照200KWh设计能量计算,成本可以达到40万元,已经超过大部分新能源车整车价格;若考虑后续电池需要更换、拆解,则实际成本更高。

核心要求一:高比能量
·eVTOL重量分配可谓“存克存金”,目前大部分eVTOL重量
在2吨以下,意味着能够分配给能源系统的重量在600kg左右(30%占比),若需要满足200kwh的能量设计以较好完成城市、城际的运输要求(对应航程约300km),则能源系统的比能量需要达到330Wh/kg。另外,还需考虑到:
①包装损失:电池包装(BMS、线缆和外壳)会损失20%-30%的能量;
②老化损失:电池材料老化过程会损失1-10%的能量;
③充放不完全损失:由于无法完全充电和自动放电,也会损失5-10%能量;
④安全冗余:安全备用电量20%左右。
·因此,电池的比能量需要在400Wh/kg以上。另外,电池老
化会使得内部阻抗会增加,降低峰值功率,使起降过程变得极其危险;所以对于eVTQL而言,当电池的健康状态达到90%的时候就需要更换电池;较新能源车要求更严格(80%健康状态以下需更换电池)。

核心要求二:高比功率
·比功率用来衡量能量系统可以以多快的速度提供功率,决
定了eVTOL整机的起降能力以及加速性能。在eVTOL巡航阶段电池保持在1C左右的放电倍率即可;然而,在垂直起降阶段需要瞬间释放巨大功率,功率需求是巡航阶段的4倍,要求电池在30%SOC时仍具备12C放电能力。
·在悬停阶段,需要电池维持在5C左右的放电能力,考虑到
目前大部分eVTOL的功率载荷在4-5kw/kg(主要取决于产品设计和构型),则2吨级的eVTOL需要满足500kw左右的悬停功率,因此需要电池的比功率在1.2KW/kg以上。
·新能源车对于功率需求相对平缓,主要满足加速和爬坡需
求,因此eVTOL电池相对要求要更高。

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