机翼集成式eVTOL飞行器动力电池包方案

低空经济最新资讯：在全球电动化浪潮迅猛推进的大背景下，航空领域也迎来了电动化转型的关键时期，各类电动飞行器应运而生。电动飞行器以动力电池作为核心动力源，其性能直接决定了飞行器的续航能力、载重水平和安全系数，因此动力电池系统的技术革新成为电动飞行器发展的重中之重。

传统的动力电池成组方式在电动飞行器上的应用逐渐显现出诸多局限，难以满足电动飞行器对高能量密度、轻量化和高效散热的严苛需求。在此背景下，研发一种适配电动飞行器特性的新型动力电池系统，对于推动电动飞行器的实用化进程、拓展其应用场景具有至关重要的意义。本文正是基于这一行业需求，提出了一种将动力电池与飞行器机翼结构有机融合的创新方案，旨在突破现有技术瓶颈，为电动飞行器的发展提供强有力的技术支撑。

目前，电动飞机所采用的动力电池系统普遍遵循“电芯-模组-电池包”的成组模式，这种模式在应用过程中暴露出一系列亟待解决的问题。

首先，能量密度偏低严重制约了电动飞行器的航程。现有系统中，电芯需要先通过串并联构成模组，再由多个模组组装成电池包，这一过程中引入了大量的结构件，如模组外壳、电池包壳体以及用于固定和连接的支架、螺栓等。这些非储能结构件不仅不参与能量存储，还额外增加了系统的重量，导致电池系统的能量密度被大幅稀释。较低的能量密度使得电动飞行器在有限的载重下无法携带足够的电能，进而导致航程大幅缩短，实用性受到极大影响，难以满足商业运营或长距离飞行的需求。

其次，散热效率低下影响电池性能与寿命。电动飞行器在飞行过程中，动力电池会持续放电并产生大量热量，尤其是在起飞、加速等高强度工况下，产热量急剧增加。现有电池包结构相对封闭，散热路径长且受阻，传统的散热方式如自然风冷或简单的液冷系统难以快速将热量散发出去。热量的积聚不仅会导致电芯工作温度升高，超出最佳工作区间，使电池的充放电效率下降、容量衰减加速，还可能引发热失控风险，严重威胁飞行器的安全运行。

再者，系统复杂度高，成本居高不下。“电芯-模组-电池包”的多层级结构使得整个动力电池系统的零部件数量繁多，生产装配流程复杂。从电芯的筛选、模组的组装到电池包的集成，每个环节都需要高精度的工艺控制和质量检测，这不仅增加了生产制造成本，还提高了系统出现故障的概率。同时，复杂的结构也给后期的维护和维修带来了不便，增加了运营成本。

此外，安全性存在隐患。在现有结构中，多个模组集中在一个电池包内，一旦某个电芯发生热失控，热量和火焰极易在模组之间快速蔓延，引发连锁反应，导致整个电池包失效甚至发生爆炸。虽然部分电池包设置了防爆装置，但在封闭的结构内，其防爆效果往往有限，难以有效遏制热失控的扩散，给电动飞行器的安全飞行带来巨大挑战。

最后，适配性不足。传统的电池包结构是标准化设计，难以根据电动飞行器的空间布局进行灵活调整。电动飞行器的机身和机翼内部空间有限且形状不规则，标准化的电池包往往无法充分利用这些空间，导致空间利用率低下，进一步限制了电池容量的提升。

本文提出的电动飞行器动力电池系统打破了传统的“电芯-模组-电池包”结构模式，将动力电池与飞行器机翼进行深度集成，主要由电池管理模块、电芯2和机翼组成(图1)。机翼作为动力电池的载体，其结构包括机翼上蒙皮1和机翼下蒙皮4，二者共同构成一个空腔，空腔内部设置有机翼前梁6和机翼后梁7进行支撑，以保证空腔位置的稳定性，为电芯2的布置提供可靠的结构基础。

图1 为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的

动力电池集成系统中的机翼内电芯布置的截面图

这种结构设计直接去除了传统的模组与电池包壳体结构，利用机翼自身的结构强度来支撑和保护电芯2，显著降低了系统的重量。同时，机翼的空腔结构为电芯2提供了充足的安装空间，能够根据实际需求灵活布置电芯，提高了空间利用率和电池系统的成组效率，使成组效率由传统的60%提升至90%。

1. 电芯类型与层数选择：电芯2可选用软包电池、方形电池或圆柱形电芯，具体类型可根据机翼空腔的形状和尺寸进行适配选择。电芯2的布置层数可根据空腔大小灵活设置，既可以设置为单层，也可以根据需要设置为多层(图1)。  

2. 单层电芯布置：当电芯2设置为单层时，可直接依靠机翼下蒙皮4进行支撑固定，固定方式简单可靠。此时，机翼下蒙皮4的内表面集成有液冷回路13，能够直接为电芯2降温，保证电芯在适宜的温度下工作。

3. 多层电芯布置：当电芯2设置为多层时，每层电芯2之间通过支撑板3进行支撑和隔离(图1)。支撑板3不仅起到结构支撑作用，其内部还集成了液冷回路13，可将支撑板3直接作为液冷板使用。通过泵M驱动液冷回路13内的冷却介质循环流动，能够高效吸收各层电芯2产生的热量，并将热量传导至机翼下蒙皮4或机翼上蒙皮1，再通过飞行过程中的对流作用将热量散发出去，实现良好的散热效果。此外，电芯2底部通过导热胶固定在支撑板3上，进一步增强了热量传递效率。

为了提高系统的安全性和可靠性，在机翼前梁6与机翼后梁7之间设置有机翼结构肋5(图2)。通过机翼结构肋5、机翼前梁6和机翼后梁7的组合作用，将机翼内的空腔分割为多个独立的小空腔。每个小空腔内设置多个电芯2，这些电芯通过串联或并联的方式构成一个整体的电芯组，再通过高压线缆将各个独立小空腔内的电芯组连接起来，形成完整的动力电池系统。

图2 为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的

动力电池集成系统中的机翼内电芯布置的俯视图

这种小空腔的划分方式具有重要意义：一方面，相邻的两条机翼结构肋5为电芯2两侧提供了所需的预紧力，使电芯2的固定更加牢固，有效应对飞行过程中的振动和冲击；另一方面，当单个电芯发生热失控时，独立的小空腔能够阻止热量和火焰的快速蔓延，将影响范围控制在单个小空腔内，极大地提高了系统的安全性。

1. 机翼前梁：在每个小空腔的机翼前梁6上集成了正负极功率接口a、低压通讯接口b和液冷回路进口c(图3)。正负极功率接口a用于实现电芯组与外部电路的功率连接，保证电能的传输；低压通讯接口b用于电池管理模块与电芯组之间的信息交互，实时监测电芯的工作状态，如电压、温度等；液冷回路进口c则是冷却介质进入液冷回路13的通道，为散热系统提供冷却介质。

图3 为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的

动力电池集成系统中的机翼前梁的布置示意图

2. 机翼后梁：每个小空腔的机翼后梁7上布置有液冷回路出口e和泄压阀及/或防爆阀d(图4)。液冷回路出口e是冷却介质流出液冷回路13的通道，与液冷回路进口c配合形成冷却介质的循环路径；泄压阀和防爆阀d在电芯2发生热失控时能够快速开启，将小空腔内的高温高压气体和火焰排出，降低空腔内的压力和温度，进一步遏制热失控的扩散，提高系统的安全防护能力。

图4 为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的

动力电池集成系统中的机翼后梁的布置示意图

1. 导热片设置：在小空腔内的每个电芯2之间设置有导热片8，导热片8的一端与支撑板3接触(图5)。导热片8能够将电芯2产生的热量快速传递至支撑板3，再通过支撑板3内部的液冷回路13将热量带走，增强了热量传递的效率和均匀性，避免电芯2局部温度过高。

2. 液冷回路布置：每个电芯2之间均布置有液冷回路13(图5)，这种密集的布置方式能够确保每个电芯都能得到充分的冷却，使电芯之间的温度保持一致，避免因温度不均衡导致的电池性能差异，提高了动力电池系统的整体稳定性和使用寿命。

图5 为本发明实施例一提供的一种电动飞行器的

动力电池集成系统中电芯的导热方式示意图

飞行器在起飞前和降落后，需要通过地面冷却设备9对动力电池系统进行温度调节。地面冷却设备9与机载的液冷回路13之间通过进水管路11和回水管路12实现连接(图6)。在泵M的驱动下，液冷回路13内的冷却介质通过进水管路11进入地面冷却设备9，经过制冷或加热处理后，再通过回水管路12返回液冷回路13，形成循环。

图6 为本发明实施例一提供的地面冷却设备与机载的

液冷回路之间的连接方式示意图

这种连接方式能够在飞行器地面停留期间，快速将动力电池系统的温度调节至适宜范围，为飞行过程中的高效工作做好准备，同时也为降落后的充电过程提供了稳定的温度环境，保证充电效率和安全性。

1. 起飞前准备阶段：在飞行器起飞前，动力电池系统连接地面冷却设备9，电池管理模块根据外部环境温度进行调温。例如，在冬季环境温度较低时，对电池系统进行加热；在夏季环境温度较高时，对电池系统进行制冷，最终将动力电池系统的温度调节至电芯最佳工作温度区间(15℃-35℃)，为飞行过程中的高效放电做好准备。

2. 飞行阶段：飞行器起飞时，动力电池系统与地面冷却设备9断开连接。在飞行过程中，电池管理模块根据动力电池系统的放电工况计算得出电芯的产热量Q1，同时根据外界环境温度、飞行速度和换热面积计算得出冷却介质固定流速下的散热量Q2。当产热量Q1大于散热量Q2时，电池管理模块调高泵M的转速，增加液冷回路13中冷却介质的流速，从而提高散热量，使产热量与散热量达到平衡(Q1=Q2)；当产热量Q1小于散热量Q2时，调低泵M的转速，降低冷却介质的流速，减少散热量，同样使产热量与散热量保持平衡。通过这种动态调节机制，确保电芯始终工作在最佳温度范围内，维持稳定的功率输出能力。此外，电芯产生的热量还可以通过液冷回路13带至机舱区域，实现对驾驶舱温度的调节，提高能源利用效率。

3. 降落后阶段：飞行器降落后，电池管理模块对动力电池系统进行充电，同时动力电池系统重新连接地面冷却设备9，由地面冷却设备9调节动力电池系统的温度至适合充电的温度(例如25℃)，保证充电过程的高效性和安全性，为下一次飞行做好准备。

综上所述，本文提出的电动飞行器动力电池系统通过结构创新、高效散热设计和智能管理方法，有效解决了现有技术存在的能量密度低、散热效率差、安全性不足等问题，显著提升了电动飞行器的续航能力、运行安全性和经济性，为电动飞行器的实用化和产业化发展提供了有力的技术保障。