Archer eVTOL电池包性能提升与梯次利用详解

电动垂直起降(eVTOL)飞行器电池组的技术竞争力，不仅体现在基础的机械结构、热管理和制造工艺上，更取决于功能优化的深度和全生命周期价值的挖掘。Archer Aviation在核心制造技术之外，还针对eVTOL运行的特殊需求，对冷却系统架构进行了精细化优化，设计了完整的电池二次寿命利用方案，并构建了多层级的防侧壁破裂(Sidewall Rupture, SWR)安全防护体系。这些创新不仅大幅提升了电池组的运行效率和安全性，还显著延长了电池的全生命周期，降低了eVTOL的运营成本，为城市空中交通的可持续发展提供了重要支撑。

电池热管理是影响eVTOL电池组性能、寿命和安全性的关键因素。与地面电动汽车不同，eVTOL电池组需要在短时间内输出极高的功率，同时对系统重量有着近乎苛刻的要求。传统的机载主动冷却系统不仅重量大、结构复杂，还存在单点故障风险。Archer专利提出了"地面主动冷却+飞行被动散热"的创新理念，并设计了四种不同的冷却剂管路布局，通过精细化的流体力学优化，在保证冷却效率的同时，最大限度地降低了系统的干重和湿重。

eVTOL电池组的冷却系统设计面临着多重矛盾的挑战。首先，电池组在起飞和降落阶段需要输出极高的功率，充电时也需要支持大电流快充，这会产生大量的热量，必须及时排出以防止电池过热。其次，电池组安装在机翼内部，空间极其有限，冷却系统的体积必须尽可能小。第三，eVTOL飞行器对重量极其敏感，每增加一公斤的重量都会直接减少飞行器的有效载荷和航程。最后，冷却系统必须具备极高的可靠性，不能存在任何可能导致飞行事故的单点故障。

针对这些挑战，Archer专利提出了一种创新的冷却系统架构：在飞行器地面充电和准备阶段，使用地面设备提供的外部泵驱动冷却剂循环，对电池组进行主动冷却；在飞行过程中，电池组依靠自身的热容量和被动散热维持温度，不使用任何机载冷却泵。这种设计彻底消除了机载冷却泵、储液罐和相关管路的重量，同时避免了泵故障带来的安全风险。为了配合这种架构，专利设计了四种不同的冷却剂管路布局，如图16A-16D所示，旨在平衡多个电池包间的冷却效率和系统重量。

Archer的eVTOL飞行器共安装有六个独立的电池组120，分别位于左右机翼的电池舱内。冷却系统需要将温度均匀的冷却剂分配到这六个电池组中，确保所有电池组在充电和放电过程中保持相同的温度。如果冷却剂流量分布不均，会导致部分电池组温度过高，加速老化甚至引发安全事故。

第一种是U型流向(U-flow)布局1600A，如图16A所示。这种布局的冷却剂进口1610和出口1620位于机翼的同一侧，冷却剂从进口流入后，向下分流进入六个电池组，然后向上汇合从出口流出，形成一个"U"形的流动路径。U型布局的最大优势是进出口同侧，方便地面充电设备的连接，也不会影响乘客的上下机。但其缺点也很明显：靠近进口和出口的电池组流量大，冷却效果好；而位于中间的电池组流量小，冷却效果差，导致各电池组之间的温度差异较大。

图16A 电池冷却U型流道方案

第二种是Z型流向(Z-flow)布局1600B，如图16B所示。这种布局的冷却剂进口1610位于机翼的一侧，出口1620位于机翼的另一侧，冷却剂从进口流入后，横向流过六个电池组，然后从出口流出，形成一个"Z"形的流动路径。Z型布局的优势是各电池组的流动阻力基本相等，冷却剂流量分布均匀，能够保证所有电池组的温度一致。但其缺点是进出口异侧，需要在机翼内部布置更长的管路，增加了系统的重量和湿重，同时也给地面充电设备的连接带来了不便。

图16B 电池冷却Z型流道方案

第三种是改进型U型流向(modified U-flow)布局1600C，如图16C所示。这是Archer专利重点推荐的方案，在保留U型布局进出口同侧优势的基础上，通过在每个电池组的进口管路中增加定制化的流量节流器1630，来平衡各电池组的流量。流量节流器1630是一个带有固定孔径的管件，通过调整孔径的大小来控制流过每个电池组的冷却剂流量。对于靠近进口和出口、流动阻力小的电池组，使用孔径较小的节流器增加阻力；对于位于中间、流动阻力大的电池组，使用孔径较大的节流器减小阻力。通过这种方式，可以实现从公共进口到每个电池组的压力降基本相等，从而保证冷却剂流量的均匀分布。改进型U型布局使用中等直径的软管即可满足要求，系统重量轻，同时兼顾了冷却效率和操作便利性，是综合性能最优的方案。

图16C 带限流的U型冷却流道方案

第四种是改进型Z型流向(modified Z-flow)布局1600D，如图16D所示。这种布局在Z型布局的基础上，增加了一条飞行中回流管1640，将冷却剂从机翼的另一侧引回进口侧，从而实现进出口同侧。改进型Z型布局保留了Z型布局流量分布均匀的优势，同时解决了进出口异侧的问题。但其缺点是增加了一条额外的回流管，显著增加了系统的重量和湿重，因此只适用于对冷却均匀性要求极高的特殊场景。

图16D 带回路的 Z 型冷却流道方案

除了优化管路布局外，Archer专利还采取了一系列措施来进一步降低冷却系统的重量并提升其效率。首先，整个冷却系统采用单进单出的设计，所有六个电池组并联连接，只需要一个公共的进口和一个公共的出口。这种设计不仅简化了管路结构，减少了接头数量，还方便了地面充电设备的快速连接和断开。

其次，冷却系统采用被动式流量平衡设计，不需要任何复杂的电控阀门或流量传感器。所有的流量调节都通过预先设计好的固定节流器1630实现，系统结构简单，可靠性极高。同时，冷却系统的工作压力控制在100psi以下，不需要使用特殊的高压接头和管路，进一步降低了系统的重量和成本。

第三，热交换器板1500采用一体化设计，如图15所示。热交换器板1500直接粘贴在电池包外壳510的底部，使用导热胶将电池组产生的热量传导给冷却剂。热交换器板的尺寸经过优化，能够在满足冷却需求的同时，尽可能减小其体积和重量。此外，热交换器板与电池包外壳集成在一起，减少了额外的结构件，进一步降低了系统重量。

图15 电池包底部换热板结构

eVTOL飞行器对电池性能的要求极高，当电池的容量、功率或内阻下降到一定程度时，就必须从飞行器上退役，以保证飞行安全。但这些退役的电池通常还保留着80%以上的剩余容量，完全能够满足储能等二次应用的需求。Archer专利从设计之初就考虑了电池的二次寿命利用问题，通过标准化的接口和模块化的设计，使退役的eVTOL高压电池能够以最小的改造成本转用于家庭储能系统或电网支撑，大幅提升了电池的全生命周期价值，降低了eVTOL的运营成本。

eVTOL电池的退役标准比地面电动汽车电池严格得多。当电池出现以下情况之一时，就必须从飞行器上退役：容量下降至初始容量的80%以下；内阻上升至初始值的150%以上；功率输出能力下降至初始值的70%以下；或者出现任何影响安全的异常情况。这些严格的标准是为了确保eVTOL飞行器在任何情况下都有足够的动力完成飞行任务。

然而，这些退役的电池仍然具有巨大的利用价值。家庭储能系统和电网支撑系统对电池的功率和响应速度要求远低于eVTOL飞行器，通常只需要电池能够提供稳定的能量输出即可。一块退役的eVTOL电池，其剩余容量仍然能够满足一个普通家庭3-5天的用电需求，其高功率特性还能够支持电动汽车的直流快充等大功率应用。此外，eVTOL电池采用了航空级别的安全设计，其安全性和可靠性远高于普通的储能电池，用于二次应用时具有更高的安全保障。

Archer专利的最大创新之处在于，它不是在电池退役后再考虑如何改造利用，而是在电池的初始设计阶段就将二次利用作为核心目标之一，通过一系列的设计优化，使电池能够无缝切换到二次应用场景。

当电池从eVTOL飞行器上退役后，只需要拆下原来的航空级HVJB，换上一个适用于储能系统的HVJB，即可完成电池的改造。整个过程不需要对电池的电芯和机械结构进行任何改动，改造成本极低。

其次，电池采用了标准化的电气接口和机械接口。电池的正负极接口、通信接口和安装接口都采用了行业通用的标准，能够直接与主流的储能逆变器和电池柜兼容。这意味着退役的eVTOL电池可以直接安装到现有的储能系统中，不需要任何额外的适配器或改造。

第三，电池管理系统(BMS)预留了足够的计算和存储资源。在电池的生产制造阶段，就可以预先加载适用于储能系统的BMS固件。当电池退役后，只需要通过软件升级切换到储能模式，即可正常工作。这种"一次硬件，两次固件"的设计，进一步降低了二次利用的成本。

Archer专利详细描述了将退役eVTOL电池用于家庭储能系统的具体实现方案，其系统架构如图18和图19所示。

图18 退役航电电池家用储能系统架构

图19 家用储能电子开关与电池管理系统

家庭储能系统1800主要由以下几个部分组成：退役的高压电池1810、电池接口1815、逆变器1820、线路滤波器1825和开关设备1830。电池接口1815是一个DC/DC转换器，负责将电池的高压直流电转换为逆变器所需的电压等级。逆变器1820将直流电转换为交流电，为家庭负载1840供电。开关设备1830则负责在电网1850和电池之间进行切换，当电网停电时，自动切换到电池供电模式。

与传统的家庭储能电池相比，退役的eVTOL电池具有以下显著优势：首先是极高的功率密度。eVTOL电池能够输出极高的功率，支持家庭中的大功率电器同时使用，甚至能够支持电动汽车的直流快充。专利中指出，两块退役的eVTOL电池组成的家庭储能系统，其充电速度是特斯拉V3超级充电桩的1.25-2.5倍，是普通家用充电桩的25倍以上。

其次是极低的内阻和发热量。eVTOL电池采用了低内阻的电芯设计和优化的电气连接，工作时发热量极小。因此，储能系统不需要复杂的冷却系统，甚至可以利用电池本身作为逆变器的散热器，使逆变器也不需要额外的强制冷却。这不仅降低了系统的成本和重量，还使系统运行更加安静可靠。

第三是易于扩容。家庭储能系统采用模块化设计，可以通过并联多个电池来增加系统的容量。只需要将新的电池连接到主电池的接口上，系统就会自动识别并配置，不需要任何复杂的设置。这种即插即用的扩容方式，能够满足不同家庭的用电需求。

锂离子电池热失控是eVTOL飞行器面临的最大安全威胁之一，而电芯侧壁破裂(Sidewall Rupture, SWR)则是热失控中最危险的失效模式。当电芯发生热失控时，如果内部产生的气体无法从顶部的设计排气口顺利排出，就会导致电芯内部压力急剧升高，最终使电芯的侧壁破裂。高温可燃气体和熔融电解质会从破裂处高速喷出，极易引燃相邻的电芯，引发大规模的热失控蔓延。Archer专利针对这一问题，提出了一套完整的防侧壁破裂解决方案，包括可变壁厚的电芯外壳设计、金属加强套筒以及与之前的泡棉支架和蜂窝核心结构相结合的多层防护体系，从根本上降低了侧壁破裂的风险。

电芯侧壁破裂的危害主要体现在以下几个方面：首先，侧壁破裂会导致高温气体和熔融电解质从电芯侧面喷出，直接喷射到相邻的电芯上，迅速加热相邻电芯并引发连锁反应。其次，侧壁破裂产生的冲击力会破坏电池组的内部结构，导致电气短路和机械损坏。第三，喷出的可燃气体在电池包内部积聚，可能引发爆炸，造成灾难性的后果。

电芯侧壁破裂的主要成因是电芯壳体的强度不足。传统的圆柱形电芯采用等壁厚的钢制外壳，为了减轻重量，壳体的厚度通常很薄。当电芯发生热失控时，顶部的排气口可能会被熔融的电极材料或其他杂质堵塞，导致内部气体无法排出。随着压力的不断升高，壳体最薄弱的部位就会发生破裂。而由于顶部排气口附近的应力集中，侧壁破裂通常发生在电芯的上三分之一部分。

针对侧壁破裂主要发生在电芯上部的特点，Archer专利提出了一种可变壁厚的电芯外壳设计，如图20A所示。这种设计的核心思想是：只在容易发生破裂的电芯上部增加壳体的厚度，而在下部保持较薄的厚度，从而在不显著增加重量的前提下，大幅提升电芯的抗侧壁破裂能力。

图20A 圆柱电芯上部加厚结构

具体来说，圆柱形电芯2000分为上部2010和下部2020两个部分。上部2010是靠近顶部排气区2030的三分之一部分，其壳体厚度大于下部2020的壳体厚度。这种设计使电芯上部能够承受更高的内部压力，即使顶部排气口被堵塞，气体也会首先冲破顶部的排气盘2040(图20B)排出，而不是导致侧壁破裂。

图20B 圆柱电芯顶部防爆排气结构

这种可变壁厚的电芯外壳采用阶梯式深拉工艺制造。在深拉过程中，只对电芯的下部进行减薄拉伸，而上部保持原始的厚度。这种工艺简单高效，能够实现大规模生产，同时不会显著增加电芯的制造成本。与等壁厚的加厚壳体相比，可变壁厚设计只增加了三分之一的壳体材料，重量增加不到10%，但抗侧壁破裂能力却提升了3倍以上。

除了可变壁厚的电芯外壳设计外，Archer专利还提出了一种金属加强套筒方案，作为防侧壁破裂的第二道防线，如图22所示。这种方案适用于已经生产好的等壁厚电芯，不需要改变电芯的制造工艺，只需要在电芯的上部套上一个金属套筒2210即可。

图22 带金属加强套的圆柱电芯

金属加强套筒2210采用高强度的不锈钢或铝合金制成，通过冲压或拉伸工艺成型。套筒紧密地包裹在电芯壳体2220的上部，与电芯壳体形成过盈配合。当电芯内部压力升高时，金属套筒能够提供额外的支撑力，防止电芯侧壁向外膨胀破裂。金属加强套筒的高度通常为电芯高度的三分之一，正好覆盖最容易发生破裂的区域，因此重量增加非常有限。

可变壁厚的电芯外壳和金属加强套筒，与之前介绍的泡棉电芯支架520和蜂窝核心结构2332相结合，形成了一套完整的多层防侧壁破裂体系。第一层是电芯自身的加强设计，从源头上防止侧壁破裂的发生；第二层是泡棉结构，能够吸收电芯的膨胀力，并阻挡少量喷出的气体和电解质；第三层是蜂窝核心结构，其坚固的蜂窝壁能够完全阻挡侧壁破裂产生的高速喷射物，将热失控的影响范围严格限制在单个蜂窝单元内。这种多层防护体系，层层递进，互为补充，最大限度地降低了电芯侧壁破裂带来的安全风险。

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