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          正力新能“三高一快”eVTOL航空航天電池產品挑戰動力電池技術制高點
          廠商 2023-07-03 11:10:00 15489瀏覽 編輯:admin

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          摘要:正力新能,作為eVTOL航空領域動力電池的領軍企業,以其卓越的動力電池技術和持續創新的精神,成為航空電動化的引領者。正力新能秉承著環境持久友好和可持續發展的理念,致力于為全球航空業提供清潔、綠色高效的電化學能源解決方案。

          引言:6月26日廣汽科技日,廣汽集團首次公開展示了旗下飛行汽車項目“GOVE”,并現場完成全球首飛,引起了熱議。據悉,GOVE飛行汽車具備垂直起降功能,并搭載雙備份多旋翼飛行系統,以確保飛行安全。在首飛儀式上,GOVE除了起降,巡航,還展示了18米高空懸停、180度轉向等高難度動作。以廣汽為代表的國內一線車企深入探索立體出行布局,也引發了國內新能源行業對于未來電動化低空出行新方式的無限遐想。

          未來已來:eVTOL下一代電動出行方式近在眼前

          廣汽“GOVE”的首度亮相,雖然還只是一次試飛,但卻傳達了一個非常積極的信號:中國新能源汽車產業在逐步發展壯大的同時,極具想象力的中國企業正在努力“向上”突破,積極思考陸??杖S交通全面電動化的發展道路。隨著技術的飛速發展,城市空中交通概念的興起,電動飛行器這個曾經只出現在科幻電影中的新生事物,正在變為現實。

          在很多人的想象中,既能在空中飛行,也能像汽車那樣在陸地上行駛,可以實現遠距離載人的陸空兩用交通工具將會是未來城市空中出行的終極解決方案,但受制于滑跑起降對起飛場地的苛刻要求,以及需要同時滿足陸空兩棲駕駛需求,傳統意義上的飛行汽車在技術上仍有諸多難點需要克服,為此,現代飛行汽車概念由傳統概念的陸空兩棲車輛拓展為電動垂直起降飛行器。eVTOL正在成為最接近人類翱翔天際的可能,并在全球多個國家開始得到廣泛驗證。

          正力新能概念eVTOL垂直起降飛行器

          對于eVTOL,很多人可能會感到陌生,甚至會在第一眼看到它時把它當做是直升機或者某種大型無人機,但就像“小熊貓”不是“熊貓”一樣,eVTOL和我們傳統概念里的飛行器完全不同,它的專業名稱叫做Electric Vertical Take-off and Landing,意為電動垂直起降(載人)飛行器,簡稱eVTOL。分解開來就是:

          電動(Electric):和EV純電動汽車一樣,純電驅動,不像傳統的飛機、直升機依靠燃油驅動。

          垂直起降(Vertical Take-off and Landing):不需要滑跑就可以完成垂直起飛和降落動作,擺脫跑道依賴,比普通民航客機更為靈活。

          它還有一個最大的特點,那就是載人:eVTOL每次充滿電能同時搭載至多4~5位乘客以時速400公里以上的速度完成300公里的短途飛行。

          以上就是針對eVTOL的基本定義,可能在大多數人眼里,eVTOL作為新生事物還略顯新鮮,但回顧它的發展史就能發現,它距離我們比想象中更近,空中交通全面電動化的時代已經到來。

          eVTOL的靈感來自軍用固定翼飛機垂直起降技術VTOL,這一概念最早從二十世紀四十年代被提出,在二十世紀八十年代由美國波音公司和貝爾直升機公司(Boeing Bell)聯合研發,1989年具備垂直起降(VTOL)能力的側轉旋翼機“魚鷹”成功首飛,并很快進入美國空軍和海軍陸戰隊服役。

          數據統計,截止到2011年,MV-22型“魚鷹”VTOL飛機已飛行超過10萬小時,每飛行小時的事故發生率大約只有美國海軍陸戰隊飛行機隊平均事故發生率的一半,成為事故發生率最低的旋翼機,被美國海軍陸戰隊稱為最安全或接近最安全的飛機。

          MV-22“魚鷹”側轉旋翼機

          作為一項歷經美軍多年戰斗及救援行動實戰部署的成熟技術,VTOL技術被引入交通電動化領域,提出eVTOL概念,和傳統汽車產業引入新能源技術帶來新能源汽車產業革命類似,重點在于動力系統方面的技術替代,將是全球新能源技術日趨成熟下水到渠成的必然結果。

          最早的eVTOL領域創業先行者,可以追溯到2009年美國JOBY的成立,據悉其在創立之初就已開始秘密研發eVTOL。2022年底,該公司已成功收到美國聯邦航空管理局(FAA)為其提出的適航標準,并完成了四次必要系統審查中的第二次,適航認證工作進展迅速,預計將在2025年推出空中出租車服務。

          Joby發布的eVTOL垂直起降飛行器

          2010年,Wisk團隊也開始探索電動垂直起降飛行的可能性,該公司在2023年被波音全資收購,并保持獨立運作。這一收購將幫助Wisk從波音在飛機認證方面的經驗以及波音與世界各地航空公司的關系中受益,在波音公司發布了2023年《可持續發展報告》中,提到Wisk將成為美國首個獲得自動駕駛載客eVTOL認證的候選人。

          Wisk發布的eVTOL垂直起降飛行器

          由此起始,Lilium,Archer等行業獨角獸如雨后春筍般出現,全球eVTOL浪潮星火燎原。

          期間隨著歐美國家針對eVTOL的適航認證體系法規、條款的制定和完善,以及電池、電控、電動機、輕型復合材料、飛控等關鍵技術的發展,eVTOL引發的新一輪航空革命已然來臨。

          截止目前,國內的eVTOL賽道已經聚集了包括億航智能、峰飛航空、時的科技、沃飛長空、山河科技、沃蘭特、御風未來等二三十家企業。歐美國家的Joby Aviation、Lilium、Volocopter、Vertical、Archer、Embraer、Beta等公司也相繼推出eVTOL產品。

          除了初創公司,傳統飛機或飛機發動機巨頭以及汽車巨頭們,也是這片藍海的忠實擁躉,無論是波音、空客、羅羅,還是吉利、豐田、戴姆勒、奧迪、現代、本田等,無不在積極布局eVTOL賽道。

          特別是2023年,eVTOL領域首飛消息不斷,此時的eVTOL正像多年前的新能源汽車一樣,正在成長為未來十年改變出行方式的新風口。

          超級解決方案:eVTOL城市空中完美的出行工具

          前面介紹了eVTOL的蓬勃發展態勢,或許有人會質疑——為什么是它?eVTOL究竟有什么魔力,能夠吸引全球電動飛行領域的探索者和資本方趨之若鶩。

          原因第一是因為新能源技術賦能航空電動化帶來的優勢,第二是由于其立體化交通的屬性而展現出的廣闊應用前景,兩者共同確立了eVTOL作為新一代低空資源開發關鍵載具的地位。

          在第一個方面,eVTOL具有高安全、低成本、更環保、智能化四大特點:

          高安全:目前全球現有的eVTOL整機構型或技術路線主要有多旋翼構型、復合翼構型、傾轉旋翼構型、傾轉涵道風扇 完全矢量控制、隱藏式推進系統 無翼設計。其中前三種方案都采用多電池系統、多電機驅動多旋翼,具有多套獨立可靠的動力系統提供安全冗余,第四種方案涵道風扇還消除了開放性螺旋槳在安全方面的隱患。同時這幾類主流方案的巡航狀態基本等同于固定翼飛機,無論是獨立分布式電推進帶來的安全可靠性,還是固定翼的穩定性都遠超傳統直升機,達到十億分之一的失效概率,安全等級媲美民航客機。

          低成本:隨著規?;凸湶粩喑墒鞄淼某杀窘档?,未來eVTOL出行的公里單價可以做到和網約車的專車接近,在不受起降場地限制,電價低于燃油價格等因素的影響下,其使用成本(長期運營低至2-3元/公里/人)、維護成本遠低于傳統直升機和通航固定翼飛機,讓私人飛機從貴族生活方式向大眾化普及變為可能。

          更環保:基于電動化的獨特優勢,eVTOL沒有發動機,不產生碳排放,符合全球零碳愿景和環保要求,同時能夠大幅降低噪音(起降噪音低于65db),低于城市環境背景噪音,也能大幅提升使用者的乘坐體驗和舒適度。

          智能化:相比傳統城市公共交通,如地鐵、輕軌等投建周期長,覆蓋區域固定等缺陷,eVTOL運營所需要的起降設施更靈活,不僅可以利用現有機場,還可以在城市CBD,各城市功能區高樓樓頂設置運輸節點,進行點對點運輸,填補城市交通功能的空白。并且基于三維空間優勢,讓全智能化自動駕駛變得更容易實現。

          在第二個方面,eVTOL的潛在應用場景遠超想象:

          2016年,全球共享出行巨頭Uber提出了“Uber Elevate”城市空中出租車計劃,為eVTOL產品在城市空中交通(Urban Air Mobility,簡稱UAM)領域的巨大應用前景打開了想象空間,并逐步拓展到城市機場班車、城際通航、景區空中游覽等場景。目前來看,該領域是eVTOL廠商最容易切入的市場之一。

          舉個例子,從上海浦東機場到陸家嘴,40公里路程,不堵車1小時,堵車2小時,如果選擇eVTOL,只需要10分鐘,花費和打車相當。大幅節省通勤時間加上極高的性價比,eVTOL在城市空中交通不僅極具市場競爭力,更能有效提升城市出行效率。

          正力新能對于eVTOL在城市交通領域的應用暢想

          除此之外,eVTOL在貨運物流,城市消防、醫療救護、搜索救援、農林植保等公共服務領域,軍用警用市場,私人家用領域都展現出了廣泛的應用潛力,為低空域交通出行電動化帶來超級解決方案。

          行業預計,2025年將會是eVTOL商業化的一個重要節點,明年舉辦的巴黎奧運會,eVTOL飛行器就將正式載人試運營;2025年大阪世博會,也將會以每小時20個航班的頻次開始進行eVTOL商業運營。一旦eVTOL在海外開啟商業化進程,國內的跟進速度也將極快,屆時勢必帶動整個產業的市場化和規?;?。

          而根據Morgan Stanley、德勤等的預測,2040年eVTOL市場全球規模保守估計將達到1.5萬億美元,其中52%貨運物流,46%城市載人,3%城際通航和軍政市場。

          技術制高點:eVTOL動力電池性能要求,是目前動力電池所有應用場景中的技術“王冠”

          對于新能源汽車產業來說,中國能夠成為引領全球新能源汽車轉型的“橋頭堡”,其中一個重要的原因就是在多類核心零部件研發和生產上引領全球。以其中被譽為新能源汽車“心臟”的動力電池為例,2022年,我國動力電池累計銷量達465.5GWh,同比增長150.3%。研究機構數據顯示,中國動力電池企業占全球市場份額已超過60%。動力電池對于新能源汽車行業發展的重要性可見一斑。

          而作為三維交通電動化的應用場景延伸,eVTOL也遵循同樣的邏輯,核心軟硬件包括電池、電機、飛控、機體等,其中當下限制eVTOL最核心的技術因素就是動力電池。

          新能源汽車動力電池與eVTOL電池技術指標對比

          由于eVTOL是垂直起降,將相同質量的汽車垂直抬離地面,所需要的電池功率密度遠高于在地面行駛汽車的需求。每公斤電池如何能攜帶更多的能量以及提供起飛降落所需要的超大功率是電動航空業面臨的關鍵課題之一。除此之外,基于空中交通屬性的特殊性,eVTOL在航空級的安全性,頻繁快速的充電能力,以及復雜環境下的功率性能等要求也極為嚴苛。而對標現有的電動汽車動力電池的性能參數,其技術指標無法滿足,所以這對動力電池企業針對eVTOL的下一代航空級電池研發提出了極高的挑戰。

          安全性:eVTOL作為嚴肅的航空產業,安全系數的要求遠超汽車。大飛機的安全系數需要達到10的-9次方,小飛機一般來說也要達到10的-7次方。實操層面航空業事故概率也比汽車行業低3個數量級以上,而且計算方式更為嚴苛。

          正力新能鋁殼電芯能量密度320Wh/kg,5C恒流大倍率放電,直接放電至下限電壓2.5V,容量保持率95%以上,電芯最高溫度45度(視頻經過加速處理)

          可靠性:有較強的抗跌落能力,以及單體失效時,電池系統應該要繼續工作直到電動飛機降落,意味著不熱擴散 不失去動力。

          能量密度:由于物理規律的限制,eVTOL對能量密度的需求遠遠超過汽車。據悉,目前包括全球已上市的5大主力廠商在內,除了JOBY4S一次充電能飛行247公里外,其余鮮有突破200公里的航程。電池技術對航程的限制,阻礙了eVTOL能源成本優勢的發揮。而基于行業向成熟期發展的需求,航空業對動力電池單元能量密度提出了明顯高于電動汽車能量密度的要求(近期>300Wh/kg,遠期目標>500Wh/kg)。

          正力“三高一快”航空航天電池產品能量密度路線圖

          功率密度:為了應對緊急迫降需求,要在低電量狀態下(如20%SOC)依然保有高功率放電能力。

          正力新能鋁殼電芯能量密度320Wh/kg,20% SOC 12C(290A)的大倍率脈沖放電,持續時間30s,下限電壓保持在2.1V以上。(視頻經過加速處理)

          快充性能:為了滿足空中出租業務等頻繁使用場景,目前行業普遍需求在少于15分鐘內充電至80%。

          正力新能:動力電池領域新生力量成為Evtol航空電池領域的領跑企業

          從交通體系變革來看,電動航空領域是動力電池尚未踏足的新領域。航空電動化,將為動力電池提供巨大增量空間。航空領域是動力電池需要攻克的又一座高山,目前很少有電池企業涉足。但無人之境,總有人勇攀高峰。作為動力電池領域涌現的新生力量,正力新能以極具前瞻性的“LISA-321”產品 研發戰略體系,在行業發展的極早階段,就識別出載人電動飛行器領域的廣闊前景,針對eVTOL航空級電池系統進行了長期研究布局,不斷取得突破,目前與國內及歐美多家頭部電動飛機公司展開深入合作,并在今年5月份首次發布了正力·航空電池系列,建立起全面覆蓋陸??諔脠鼍?、多種化學體系的產品研發戰略,成為國內首批具備高性能eVTOL電池研發和生產能力的動力電池企業之一,正逐步成長為航空級電池應用領域極具潛力的領先企業。

          正力新能航空航天電池產品系列

          在eVTOL電池的研發方面,正力新能充分考慮實際應用場景,以應對復雜飛行需求的綜合性能作為產品研發的第一性原則,在行業內首次推出了集高安全、高能量密度、高功率、快充于一體的“三高一快”飛行器電池。

          特別值得注意的是,在一般情況下,這幾項動力電池關鍵性能指標是相互制約的,各方面性能往往很難實現面面俱到,某項單一指標的亮眼必然帶來其他方面的短板,這對eVTOL電池的現實應用缺乏實際意義。這也意味著市面上現在推出的一些只突出某個單一指標性能的航空級電池產品的落地能力有限,而正力·航空電池能夠同時滿足“三高一快”四項指標,尤其是高能量密度和低SOC的高倍率性能的兼容,是難度極高的開創性突破,正力新能通過材料體系和電芯設計的不斷優化迭代,實現了多個性能指標之間的協同提升。

          在材料體系方面,正力新能采用超高容量的多元正極和硅基負極,提升單位重量活性物質的電容量,實現高能量密度;采用高電導率電解液與高孔隙陶瓷涂覆隔膜,提升離子傳輸能力,降低阻抗,實現高功率性能;在電芯設計方面,對電極厚度、孔隙率和孔道結構進行系統性的設計與優化,并且引入一維線性導電劑,構建高效長程電子傳輸網絡,提升快充和快放能力。基于此,正力·航空電池在滿足鋁殼形態下的320Wh/kg高能量密度的前提下,依然可以達到20% SOC低電量狀態下的12C以上大倍率放電性能。同時結合軟件定義電芯工廠的先進工藝制程,實現產品ppb級別的失效概率,從而滿足航空安全標準。正力新能航空電池系列符合eVTOL電池所需要的極致性能,并與國內外多個頭部eVTOL廠家合作并開展航空驗證,為正力新能在eVTOL領域的持續發力打下了堅實基礎。

          正力新能“三高一快”航空航天電池解決方案

          航空工業曾一度是中國的弱項,改革開放以來,中國航空工業不斷發展,近期國產C919大飛機的圓滿商飛也展現了中國在航空領域的超強潛力,而eVTOL作為航空工業的新興分支,在新能源革命引領三維交通電動化的百年未有之大變局下,繞開了歐美具有傳統優勢的高度復雜、精密的航空發動機領域,并且基于國內在成本、電池技術和部分供應鏈配套方面的長期積累,中國eVTOL行業的發展土壤正日趨肥沃,有望像中國新能源汽車產業一樣再次完成換道超車。

          正力新能團隊與多家國內外頭部eVTOL公司交流合作

          綠色環保是未來航空產業發展的趨勢之一,動力電池技術的發展將推動航空動力系統的變革。眼下來看,eVTOL所代表的電動航空需要極高技術集成能力,對于中國企業來說,需要有超強的耐心、勇氣和長期主義精神持續深耕,只有更多具備前瞻視野,勇于探索技術無人區的動力電池企業加入其中,才有希望推動中國eVTOL產業迅速崛起,在這一極具前景的交通電動化嶄新領域開辟全新的傳奇故事。

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