飞行汽车的核心挑战：热调控电池来了，5分钟充满80公里续航，寿命可循环3800次

撰文：刘芳  编审：王新凯

还记得电影《第五元素》里于空中灵活穿梭的飞行汽车么？一直以来，能坐上充满赛博朋克风的陆空两栖飞行器是很多人的梦想，自动驾驶技术的出现更是让这个梦想越来越近。当然，除了满足人们一飞冲天的愿望，两栖飞行器还是解决大城市交通拥堵问题的潜在方案。

不过由于其陆空两用模式，飞行汽车对其电池性能有着极高的要求。作为核心技术，电池是也是飞行汽车商业化能否成功的关键。

近日，美国宾州大学电化学发动机中心王朝阳团队研发出更加适用于垂直起降飞行器（eVTOL）的热调控电池，相关成果于 6 月 7 日发布在《焦耳》(Joule) 杂志上。

（来源：Joule）

垂直飞行器电池的挑战

论文指出，目前市场上的动力电池可以满足垂直飞行器的部分性能要求，但十分有限。如日本 SkyDrive SD-03 概念飞车，在满电续航的情况下只能维持 5-10 分钟。

对此论文作者王朝阳称：“我认为，垂直起降飞行器可以节省大量时间，提高生产率，并打开交通运输的空中走廊。但它对电池的要求很高，很有挑战性。”

具体来说，飞行汽车的电动电池需要克服高能量密度、高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性等多个方面的问题。而最具挑战性的是，这些内在需求有时会相互矛盾。

“高能量密度会降低充电速度，而快速充电通常会减少充电周期。” 王朝阳解释到。

图 | 垂直起降飞行器演示（来源：Joule）

首先是高能量密度和高功率密度的问题。一般来说，垂直起降飞行器的飞行任务包含五个阶段：起飞、悬停、爬升、巡航、下降和降落悬停。在这五个阶段中，起飞和降落悬停有最高的功率需求，这决定了电池的最大放电速率。而巡航阶段的功率需求决定了电池的连续放电速率。

通常情况下，垂直飞行器需要在悬停和巡航效率之间做出权衡：例如，利用推力矢量技术，拥有机翼的飞行器有通常巡航效率较高，但悬停效率较低；无翼多轴飞行器具有高效悬停效率，但巡航效率较低。因此，电池组需要根据飞行器的具体设计进行优化，以保障提供最大电力。

研究人员表示，飞行汽车的电池需要有非常高的能量密度，这样才能在空中停留。而且在起飞和降落时也需要非常大的动力。重量也是需要考虑的一个因素，因为飞行器始终携带着电池飞行。

图 | City Airbus（来源：空客）

以目前的锂电池技术，即使使用现有能量密度 300Wh/kg 的 NCM 811 三元锂电池，电池组重量也会达到 48kg。而这对于垂直飞行器来说实在是太重了。

此外，由于需要在空中悬停和降落，垂直起降飞行器的电池必须始终保持一定的安全电量，不能在空中完全放电。这与手机电池完全不同，因为手机电池在充分放电和充电的情况下工作效果最佳。

以美国为例，目前官方还没有关于垂直起降飞行器最低备用电量的官方规定，但电池的荷电状态绝不能小于 10%。研究人员表示，为了安全，电动飞行汽车在降落后必须仍然保有 25%~40% 的电量。所以其快充必须要在高剩余电量的基础上实现，难度要比零电量的手机电池快充大很多。

不过，研究团队研发的新型热调控电池，解决了这些属性之间的矛盾，而且可以同时照顾到多种功能需求。

快速充电

充电速度是飞行器电池要面临的最大挑战之一。对此，王朝阳团队利用了“高温充电，环境温度放电”的热调控快速充电技术，解决了这一问题。

研究人员表示，他们发明的新型电池基于热调控原理，在电芯里埋有一片10微米的镍箔作为发热体，然后利用电池自身的能量极速加热电芯，调节温度来实现电池无损伤快充和提供输出大功率。

图 | 热调控快速充电技术

论文显示，研究人员使用镍箔加热电池，使其迅速达到 60 摄氏度（140 华氏度）。高温快充可避免电池析锂，缩短电池在高温工作的时间，并且可避免电池材料的过快老化。而且，加热电池也可以快速释放电池中的能量，以保证起飞和降落。

“当电池是空的，内阻充电较低，但当剩余电量越高，就越难将更多的能量推入电池。通常充电速度会随着电池充满而变慢。然而通过加热电池，充电可以保持在 5 到 10 分钟的范围。”王朝阳说。

在真实飞行条件下，快速充电需要同时满足三个指标：充电时间少于换乘时间 (5-10 分钟)，充电能量足以满足下一次出行，以及较长的循环寿命。

为此，研究人员开展了电动飞行汽车场景下的快充循环实验，每个循环包括一次热调控快充和一次模拟 80 公里飞行距离的放电。实验显示，对于一款 215Wh/kg 的电池，热调控技术可在5分钟内充满80公里飞行距离所需的能量，且电池寿命可达到3800循环。对于另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的电池，热调控可实现10分钟充电，且寿命达到2000循环。

不只是电池

早在 1917 年，被称为“飞行汽车之父”的格·寇蒂斯（Glenn Hammond Curtis）就发明了世界上第一辆名 Autoplane 的飞行汽车。汽车尾部由三层机翼组成，最长的一个机翼达 12.2 米，推进器是由发动机驱动车尾的四叶片螺旋桨组成。虽然 Autoplane 最终只实现了短距离的飞行式跳跃，并没有上天，但在一百年前，这项发明还是具有开创性意义。

图 | Curtiss Autoplane displayed at New York Aero Show（来源：wikipedia）

1949 年，被誉为 “现代飞行汽车先驱” 的莫顿·泰勒（Molt Taylor）设计制造了名为 Aerocar 的飞行汽车，这是世界上首款最接近量产的飞行汽车，设计采用可折叠式后机尾，在路面行驶时可以收起机翼。虽然取得了政府的飞行许可证，但这款飞行汽车最终没有进入民用领域。

图 | Aerocar at the EAA AirVenture Museum（来源：wikipedia）

时间推进到 21 世纪，飞行汽车成为了资本追逐的热点产业。据不完全统计，目前全球已有数百家企业加入了“飞车大战”。这中间，不仅有波音、空客这样的飞机制造商，还有吉利、丰田为代表的传统汽车制造商，更有腾讯、Uber这样的科技公司，以及一大批飞行汽车制造专业公司。

但事实上，除了解决电池的续航能力以外，空中飞车更需要的是解决系统性的问题。例如空中交通规则体系、空中交通安全、飞行汽车认证、空中交通基础设施建设、空中交通路线，安全监管尤其是相关法律法规等。而这些已经不是飞行器本身可以解决的问题。

图 | NASA的城市空中机动计划（来源：NASA）

2020 年 3 月，美国国家航空航天局 (NASA)已经与包括波音、Uber 和 AirMap 在内的航空业 17 家公司签署了《太空行动协议(Space Act Agreements)》，将通过其城市空中机动(Urban Air Mobility Grand Challenge)计划，在人口密集的都市及其周边地区引进空中运输解决系统。

NASA 称，如果这个空中运输计划得到全面实施，可以使小包裹、出租车服务、医疗服务（如救护车运输）以及向偏远地区或农村地区运送货物等的空中运输成为可能。

参考资料：
https://news.psu.edu/story/660549/2021/06/07/research/innovative-batteries-put-flying-cars-horizon
https://www.upi.com/Science_News/2021/06/07/flying-cars-battery-requirements/1061623080990/
http://m.news.cctv.com/2021/05/22/ARTIG90ZqLbJTxxBOzKKzbs7210522.shtml
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/6/459252.shtm
https://www.aviationtoday.com/2020/03/03/nasa-signs-17-space-act-agreements-urban-air-mobility-grand-challenge/‍