复合翼eVTOL的电池需求及其对动力总成安全性的考量

随着城市化的加速和人们对出行效率要求的不断提高，城市交通拥堵问题日益凸显，以垂直起降飞行器作为主要运输工具的先进空中交通系统逐渐成为研究的热点。在2016年，美国优步公司发布了一份城市空中交通系统白皮书，从多个角度对系统进行了详细的规划和阐述，并将UAM的发展推向高潮。与此同时，地球环境的日益恶化让低碳减排成为交通运输行业重点关注的未来发展议题。2019年，国际能源署统计的数据显示全球航空碳排放达到10亿吨，近几十年来的增长速度超过了公路、铁路和航运。

因此，国际航空运输协会(IATA)和国际民用航空组织(ICAO)等机构制定了一系列的路线来抑制碳排放的增长，其中就包括采用可持续燃料、飞机及发动机改进、推进系统电动化等相关技术措施，以实现2050年净零碳排放的目标。在此契机之下，电动垂直起降飞行器(eVTOL)概念应运而生，空中客车、波音、Joby航空、Lillium航空、亿航等都深度参与其中，其中一些公司的整机产品已经完成适航取证的关键步骤。

与传统的飞行器相比，eVTOL具有质量轻、污染小、能耗低等优势，然而，动力电池的技术水平和参数选取一定程度上会影响eVTOL动力总成的性能。例如Silva等对多种eVTOL构型进行了深入研究，认为放电时留存15%~20%的电池荷电状态(StateofCapacity，SOc)有利于延长电池的使用寿命，并且电池的放电倍率必须限制在2C~3C。

Brown等也研究了多种构型eVTOL的性能，并认为400Wh/kg的电池能量密度是城市空中交通电动化的一个关键阈值。Finger等在针对应用于eVTOL、通航飞机、支线客机和无人机四种机型的混动系统研究中发现，电池的能量密度是决定混动系统性能的关键因素，现有电池整包技术的最大能量密度处于250Wh/kg水平，最大放电倍率不超过4C，将电池最低SOC设置为20%是提高安全性和电池寿命的有效措施。

Bertram发现在电池能量密度为250Wh/kg时，全电构型相较于混动构型和涡轮电构型在其研究的飞行器构型下整体效率最高，但大航程任务会让储能系统质量大幅增长并导致能耗强度激增，因此纯电飞行器可能更加适用于短途飞行。此外，也有学者对飞行器的性能评估方法提出了一些创新性的见解。

Chakraborty等[12-13]提出了一种基于广义能量的飞机尺寸和性能分析方法PEACE，利用该方法对多种构型组合的VTOL进行了对比分析，验证了该方法的准确性和适用性。

Hascaryo等针对eVTOL飞行器提出了一种独立于构型的尺寸预估方法，利用该方法对设计的飞行器进行了电池、航程、桨盘载荷等多方面的参数性能研究，发现最终得到的尺寸数据的趋势曲线与现有直升机的数据相似。Kadhiresan等基于质量的优化过程来评估多旋翼、倾转旋翼、倾转机翼、复合翼四种eVTOL以及直升机的性能表现，结果表明直升机和多旋翼适合执行低速低航程任务，倾转飞行器更适合高速高航程任务，而复合翼平衡了所有这些特点，适用介于两者之间的飞行任务。

相较于利用传统化石燃料的航空器，电动航空器的安全性一直缺乏有效的研究和广泛的数据支撑，这种不确定性在新构型的eVTOL上被进一步放大。Brelie等指出电动飞行器引入了不同学科之间的新耦合，对它的高保真多学科设计分析和优化，包括安全性分析是一个巨大的挑战。

Kusmierek等综述多种VTOL构型后，指出复合翼构型更容易满足高安全标准，但该结论缺乏有效研究支撑。Thomas等对纯电四旋翼eVTOL电力系统的冗余设计进行了探索，发现“3o04"和“2o03"是储能系统的最优冗余设计，“2oo4"是电机及电机控制系统的最优冗余设计，但在研究过程中对冷却系统等动力总成辅助组件进行了忽略处理。

Xu等针对多电商用客机的机载供电系统提出了一种基于系统可靠性建模与评估的分层方法，并从热控制、冗余设计和维护措施等方面提出了一些建议来提升系统的可靠性，但整体研究更多基于微电网层面展开。针对传统的安全评估方法在处理新的架构和技术时所面临的一些问题，Bendarkar等对X-57进行了连续动力退化情景下的组件级功能危害评估，结果表明电池发生故障是灾难性的，其次是巡航电机故障，但所研究动力总成架构与复合翼存在显著差异。

综合而言，国内外对于eVTOL的动力总成安全性研究存在组件要素不全、研究角度片面和动力架构差异等诸多问题，基于初始适航角度的全要素复合翼eVTOL动力总成安全性研究显得十分有必要。

事实上，现有大部分对eVTOL的研究是通过改善设计参数来提升整机的性能表现，将一些实际运行规则和部件工作特性进行了简化甚至忽略，对于电池而言往往是改变电池能量密度来观察对飞行器的影响，缺乏基于安全运行限制下的电池性能需求研究。

对eVTOL全电动力总成的可靠性研究更多关注于其中的子系统层级或者部件层级，部分研究将全电动力总成简化为供电系统，忽略了动力总成中的一些关键部件，缺乏从整机动力总成层级出发的全要素可靠性研究。

为了弥补现有研究的不足，满足运营条件下eVTOL动力总成的电池可用性和系统可靠性，本文借助SUAVE与OpenVSP展开对eVTOL飞行器及其动力总成详细设计与建模，从多学科层面分析了飞行器及其动力总成的性能，得到了符合电池可用性和一般运营与飞行规则(CFR-91)的电池参数需求，确立了电池容量衰退对动力总成性能和安全运行的影响程度。

同时，基于设计过程中提出的动力总成失效容限准则，利用故障树分析(FTA)方法对动力总成进行建模，计算动力总成失效率并对电池展开失效率敏感性分析，探究电池对动力总成可靠性的影响。

1.建模方法

SUAVE是由斯坦福大学航空航天设计实验室基于Python开发的一款用于多学科飞行器设计仿真与优化的开源软件。相比于其它的飞机概念设计软件工具依赖于固定的经验相关性和手册，SUAVE通过基于物理的方法能够实现先进设计的高保真度分析预测，提供了一个可用于设计具有先进技术飞机的框架。

2.eVTOL建模

OpenVSP是一款开源的航空航天工程设计软件，它主要用于创建和分析飞行器的外形和几何结构。该软件允许用户使用参数化建模方法创建飞行器，通过调整参数来快速修改飞行器的几何形状。Open-VSP主要用于飞行器和航天器的初步设计和概念验证阶段，协助设计师在飞行器设计的早期阶段进行快速的概念验证和形状优化。

2.2eVTOL建模--气动构型建模

常见的eVTOL构型主要有多转子、倾转旋翼、倾转机翼、复合翼四种，动力总成则是以纯电和混动两种类型为主。在本文中，以纯电的复合翼(Lift+Cruise)构型eVTOL作为主要研究对象，飞行器设计人员载荷为6人，本文假设不需要任何飞行人员，所有载荷均为乘客。飞行器设计参数主要参考Chakraborty等对复合翼eVTOL的设计研究，结合Smart等对SUAVE中基于Vahana项目的飞行器设计方法的参数置信区间结论，本文所使用的飞行器设计参数参照表1。

图1为SUAVE与OpenVSP的联合运行逻辑框架。红色虚线框内为基于OpenVSP的eVTOL气动外形建模，对所研究的eVTOL构型进行参数初始化。紫色虚线框内为基于SUAVE的eVTOL仿真过程，其中输入主要包括eVTOL参数、任务设定和分析设定三类，运行时参照飞行器参数建立代理模型，然后通过代理模型执行设定的飞行任务进行分析和迭代求解，所得到的收敛结果会进行可视化处理，从而完成飞行器整套设计仿真流程。针对不同的工况和保真度分析需求，用户只需变更相应的参数与设定即可。

图2为收敛后的飞行器可视化结果，主要包括机身、主翼、“V”形尾翼、4个电机吊舱、8个旋翼和1个螺旋桨。其中8个升力旋翼均匀分布在机翼的前后两侧，升力电机位于每个电机吊舱前后两端，而推进螺旋桨位于机身尾部，推进电机内置于机尾。所有旋翼/螺旋桨与电机按照客机动力装置“从左往右，从前到后”的规则进行编号，并与后续动力总成架构中各组件编号相对应。

2.2eVTOL建模--动力构型建模

飞行器的动力总成主要由高压电池、低压电池、飞行控制计算机(FlightControlComputer,FCC)、电子调速器(ElectronicSpeedController,ESC)、部件冷却系统、线缆、管路、电机和旋翼/螺旋桨组成，图3对其进行了详细的描绘。

飞整个动力总成被分为两大类功能模块，5块高压电池和1块低压电池组成储能模块，承担能量存储功能;9个ESC和9个电机组成能量转化模块，负责将储能模块中的能量转化为机械能。本文将每组ESC、电机和旋翼/螺旋桨定义为一个旋翼/螺旋桨分支，动力总成中包含8个升力旋翼分支和1个推进螺旋桨分支。

动力总成的1~4号高压电池为8个升力旋翼分支供电，且每块电池会优先为处于对角位置的两个升力旋翼供电，5号高压电池优先为推进螺旋桨供电。动力总成的母线电压为1kV，运行时每个动力分支对应的高压电池为ESC高压输入端口供电，低压电池为FCC和所有ESC低压输入端口供电，FCC为ESC提供控制信号，控制信号和低压供电会共同作用于ESC的驱动电路，通过调控ESC高压输出端口的频率来控制电机的转速。

所有电机驱动旋翼/螺旋桨均采用直驱方式，无减速齿轮箱。动力总成模型中还含维持电池、电机和ESC正常工作的冷却系统，每个电机和每个ESC对应着一套独立工作的冷却系统，均采用气体冷却方式，所有高压电池共用一套液体冷却系统。

相较于其它架构和布局，上述布局的两部分动力组成意味着飞行器具备更好的冗余性和安全性，结合应用场景和适航要求，该动力总成架构具有典型代表性。基于上述动力总成架构，本文对动力总成失效容限进行了如下假设:至多允许两个升力旋翼分支失效，且前提是它们必须处于对角位置，非对角位置的双升力旋翼分支失效将会是灾难性的，推进螺旋桨分支允许最大数量失效。

在SUAVE中搭建飞行器动力总成时，对高压电池、ESC、电机、旋翼/螺旋桨进行了不同保真度的建模。高压电池采用的是以Li(NiMnCo)O2为正极材料的18650电池，这种电池具有高能量密度和高放电倍率的特性，与电动飞行器的储能需求十分契合。能量密度和放电倍率是评估电池性能的关键参数，前者是由设计方决定的电池固有特性，但后者更映出电池的动态特性。

通过对现有商用18650电池的产品调研，可以得到电池额定容量和允许最大放电电流参数，即可计算出不同型号电池允许的最大放电倍率。图4为调研锂电池产品最大连续放电倍率分布，在图4中随着电池能量密度的增大电池最大连续放电倍率显著降低。当能量密度大于250Wh/kg后放电倍率将会下降到3C左右，对应图4中的红色参数区域。

通过对高压电池采用高保真度建模来模拟电池电压、电流、容量等参数的动态变化过程，并引入退化因子来研究电池容量衰退对飞行器性能和安全性的影响。仿真过程将高压电池进行了简化处理，假设所有高压电池的状态参数在飞行过程中是一致的。

飞行器的空气动力学分析采用涡格法对气动参数进行计算，并结合设计参数来求解整机气动性能。对ESC采用低保真度建模方式，ESC会依据功率控制信号来调整高压端口输出的电压大小。旋翼/螺旋桨主要参考Adkins等的工作并结合叶素动量理论(BEMT)进行设计。动力总成选用先进的永磁同步电机(PMSM)作为动力转化端，图5为对现有PMSM功率密度参数的市场调研大部分电机的功率密度约为4~5kW/kg，本文选择5kW/kg作为电机技术水平的参考值。

2.2eVTOL建模--动力构型建模

电机模型以空转转速电压特性值为核心，通过输入电压、旋翼功率系数以及无负载电流等参数来求解转子转速、扭矩和电流，并进一步反馈电机的功率需求。动力总成中的低压电池仅为ESC和FCC供电来保证它们能够正常输出和反馈控制信号，并不会直接影响整机的动力学性能，因此建模时对低压电池部件进行了省略，即假设FCC和ESC始终能够正常工作。文章后续所有对电池的讨论分析均基于动力总成中的高压电池。

整机飞行任务的规划需要考虑实际应用场景，本文参考Patterson等对于UAM设置的标准飞行任务剖面，如图6所示。该任务段包含垂直爬升、悬停爬升、巡航、进近、悬停和垂直降落七个阶段，巡航高度为1200m，航程约为70km。eVTOL在垂直起飞阶段和垂直降落阶段的爬升/下降速率均为0.5m/s，垂直爬升/降落过程持续30s。

悬停点距离地面垂直高度为15m，到达悬停点后eVTOL将会静态悬停10s，保证飞行状态转换的稳定。飞行爬升阶段和飞行下降阶段的飞行速度为飞行器失速速度(vstall)的1.05倍，爬升速率和下降速率均为0.5m/s。巡航阶段的速度vcr并没有具体给出，需要根据飞行器仿真所得到的气动参数来决定最佳巡航速度，这一项工作将会在后面进行详细的分析与讨论。本文的飞行任务设置是连续执行两次标准任务，两次任务间不执行补充能源操作。

除了应用场景之外，飞行任务的规划还一定程度上受到法规的约束和限制。图7为部分民用航空管理机构发布的飞行器一般运营与飞行规则中对留空时间的具体要求，不同飞行器在不同飞行条件下的时间要求存在差别，时间跨度在20~45min不等。本文参考红色虚线方框内的规则标准，要求eVTOL在目视飞行条件(VisualFlightRules，VFR)下完成任务后仍能保证以巡航速度继续飞行20min。

一方面保证eVTOL在发生紧急状况时能有较大的能量裕度，另一方面也能够保证储能电池的寿命最大化，避免过快的电池衰退带来安全隐患。第3.2节对能量安全性的研究也将会重点围绕以上内容，依据留空时间约束对储能部件性能的影响进行具体的分析。

3.1电池对飞行器性能影响分析

在携带能量密度为400Wh/kg的电池，整机质量为1830kg，连续执行两个标准飞行任务剖面，通过仿真得到了eVTOL在不同巡航速度下的气动特性，如图8所示。在图8中，蓝色的飞行阻力特性曲线与红色的升阻比特性曲线呈现出相反的变化趋势，在278km/h的巡航速度下飞行阻力和升阻比分别达到最小值和最大值，这一趋势在Borer等的研究中也被证实。

紫色的任务截止电池SOC特性曲线与红色的升阻比特性曲线呈现出相同的变化趋势，当升阻比达到最大值时任务截止的电池SOC也达到最大能量留存状态。结合上述特性曲线，表明在携带相同能量的条件下，以最小阻力速度飞行可以实现最长飞行距离，减小巡航阶段阻力和增大升阻比可以增大旋翼飞行器航程和滑翔距离，所以最大升阻比速度也常被称为远航速度。考虑到在eVTOL实际应用中飞行航程是重要性能参考，因此在后续仿真过程中选择最大升阻比对应的飞行速度作为任务巡航速度。

从电池寿命角度而言，随着锂电池放电深度的增大，电池容量衰退将会加剧，严重缩短电池的循环寿命。从飞行器运营角度而言，电池容量衰退无法避免，但衰退的长期累积会直接威胁到飞行安全，有必要设置任务留存能量来保证能量冗余。

基于能量约束条件，分析了设计航程和电池能量密度两个参数对整机质量和能耗强度的影响。图9为基于电池能量密度与飞行航程的飞行器质量特性，图中左上角的灰色网格区域为飞行器设计的不可实现区域，通过对本文设计的复合翼eVTOL飞行器进行仿真，整机质量在达到一定值之后继续增大电池质量会导致飞行器航程降低，所以存在一条设计边界，在图9中使用紫线标记，在边界线附近的参数设置会使eVTOL的能耗强度较高，该问题将在随后进行分析。

在电池能量密度一定的条件下，随着设计航程的增大，整机质量呈现逐渐提升的趋势，但这种趋势存在一定显著差异。在250Wh/kg时设计航程从120km增加至150km设计边界，飞行器质量增加了1000kg;在350Wh/kg时增加同样距离的航程质量增幅小于200kg。选用高能量密度的电池，增加相同的航程带来的质量惩罚更小。在设计航程一定的条件下，随着电池能量密度的增大，整机质量呈现逐渐降低的趋势。

在150km设计航程时，能量密度从250Wh/kg提升至300Wh/kg，整机质量可降低1000kg，随着能量密度的持续提升，整机质量的下降幅度发生明显衰减所以在设计边界附近，整机质量对设计航程和电池能量密度的变化表现出较大的敏感性。eVTOL质量在2206~2504kg时，代表300Wh/kg和500Wh/kg条件的橙色虚线在该区域内航程分别增长24km和44km，表明在高能量密度条件下eVTOL增加单位质量能飞行更远的距离，飞行器具备更好的适应性。

对于 eVTOL而言，运营成本是商业推广的重要考量和核心竞争力，所以飞行器能耗强度也需要重点关注。图 10 为基于电池能量密度与飞行航程的飞行器能耗特性，与图9相似，图10中也存在一条紫线边界，在边界附近的设计因为飞行器质量的急剧变化导致能耗强度大幅增长。电池能量密度为 350 Wh/kg时，当设计航程从 120 km 增长至 200 km，能耗强度从0.12 kWh/(km·PAX)增长至 0.148 kWh/(km·PAX)，增长幅度为23.3%。若设计航程从200 km 增 长 至228 km，则能耗强度增长幅度达到 34.46%。

所以能耗强度随着设计航程的增大而增大，在设计边界附近对设计航程的敏感性最大。相反，能耗强度随着电池能量密度的增大而减小，但仍在设计边界附近时对能量密度的敏感性最大。

无论能耗强度还是整机质量，它们随着的设计航程和电池能量密度的变化趋势基本保持一致。但与图9中边界质量基本在 3500kg不同的是，中设计边界附近的能耗强度随着设计航程与能量密度的增大在逐渐降低，在250 Wh/kg 的电池能量密 度与 150 km 的设计航程下，eVTOL 能耗强度达到0.22 kWh/(km·PAX)，但在 430 Wh/kg 和 290 km 的设计条件下能耗强度已经降至 0.18 kWh/(km·PAX)。

此外，在能耗强度为 0.105 kWh/(km·PAX)的附近区域，电池能量密度超过 400 Wh/kg 会表现出能耗强度随着设计航程的增大呈现先减小后增大的趋势。

主要原因是该区域下整机质量远低于设计边界，同时又得益于电池的高能量密度，意味着只需增加很少质量的电池便可实现航程的大幅增加。

当航程增幅大于消耗能量的增幅时，就会引发能耗强度的负增长。这种能耗强度与设计航程的非单调性关系，反映出在电池能量密度一定的条件下存在设计航程最优点。

图 10中红色叉号为电池能量密度选择 457 Wh/kg时的最优点，eVTOL最佳设计航程为 148 km，能耗强度为 0.105 kWh/(km·PAX)，并且随着电池能量密度选取的增大，最佳设计航程点也将逐渐上移。

本文对复合翼 eVTOL动力电池参数需求及其对动力总成安全性的影响进行了研究，得到如下结论:

(1)电池能量密度、放电倍率、能耗强度、储能总量、设计航程和飞行器质量存在耦合关系，电池性能参数的选择将影响飞行器设计点的选择，特定航程设计存在能耗强度最优设计点。

(2)从部件运行安全角度出发，电池放电电流限制所引发的3C放电倍率约束对电池性能参数选取最为严苛;其次是以CFR-91.151(一般运营与飞行规则)为基础考虑飞行运营安全的20min 留空约束;最后是基于电池寿命的系统安全性角度所提出的20%SOC能量约束。针对本文设计的eVTOL，372 Wh/kg 的电池是满足所有约束的最低能量密度。

(3)在参考相应文献和工业产品失效率之后，分析得出本文搭建的典型复合翼 eVTOL 动力总成的失效率为1.524x10-7，接近 SC-VTOL-01 规章中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。动力总成故障树中非对角位双分支失效事件的失效率要远高于三分支及以上失效事件，由此导致动力总成的失效率更多被非对角位双分支失效事件所主导。

(4)动力电池的性能衰退会对动力总成失效率和其它基础部件的重要度产生影响。当动力电池失效率增加时，顶事件的失效率也呈现出指数级的增长。电池失效率的提升会导致电池的 FV 重要度提升，而其余基本事件的FV 重要度降低，这表明在运营中电池可能是导致总成故障的主要因素。单纯改善电池可靠性并不是在任何设计工况下提升动力总成可靠性的有效办法，优化敏感性突出的部件才能够持续提升动力总成的安全性。此外，设计时需要尽量保证各部件失效特征的致性，差异化过大的失效率反而会使动力总成安全性的改善变得困难。

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