一种eVTOL动力电池地面空中协同控温方案

随着全球对绿色交通的需求日益迫切，电动飞机作为零排放、低噪声的新型交通工具，成为航空领域的研发热点。电池包作为电动飞机的核心动力源，其工作温度直接影响能量输出效率、循环寿命及安全性。研究表明，动力电池的最佳工作温度区间为20-40℃，当温度低于0℃时，容量会骤降30%以上；高于50℃时，不仅容量衰减加速，还可能引发热失控风险。

电动飞机的电池包通常分布在机翼、撑杆等部位(如图1所示)，在飞行过程中，电池包既要承受高空低温环境的考验，又要应对大功率放电产生的大量热量。因此，一套高效、轻量化的温度管理系统是保障电动飞机安全飞行的关键。现有技术在地面预热与空中温控的整合上存在明显短板，亟需创新方案解决这一矛盾。

图1 为电动飞机的结构示意图

现有电动飞机电池包温度管理系统普遍采用“冷却+加热”两套独立设备，这种分离式设计存在诸多弊端。

从结构复杂性来看，冷却系统通常由液冷管路、水泵、散热器及风扇组成，通过冷却液循环将电池热量导出，再经风扇强制风冷散热；加热系统则依赖电加热膜、PTC加热器或热泵，通过直接接触或热风循环为电池升温。两套系统的管路、控制模块及动力装置相互独立，导致机舱内管路布局混乱，增加了设备间的兼容性风险。例如，冷却系统的液冷管路与加热系统的电缆可能因振动摩擦造成破损，引发冷却液泄漏或电路短路。

在重量控制方面，分离式设计显著增加了机载设备重量。以典型电动飞机为例，独立冷却系统的散热器和风扇约重8-12kg，加热系统的PTC加热器及控制模块约重5-8kg，合计占电池系统总重的15%-20%。额外的重量不仅降低了飞机的有效载荷，还增加了能耗——每增加1kg重量，续航里程会减少0.5-1km。

从运行效率角度分析，两套系统的独立工作模式存在能量浪费。地面预热阶段，加热系统需消耗电池自身电量，可能导致起飞前电量损失5%-10%；空中冷却时，风扇和水泵的独立运行会额外消耗10%-15%的飞行电量。此外，系统切换过程中存在温度波动，例如从地面加热切换到空中冷却时，约有3-5分钟的温度调节滞后，可能导致电池性能短暂下降。

维护成本也是不可忽视的问题。两套系统需分别进行定期检修：冷却系统的冷却液更换周期为3个月，加热系统的电热元件检测周期为1个月，综合维护成本比整合系统高40%以上。同时，独立的控制逻辑增加了故障排查难度，约60%的温度相关故障需要同时检查两套系统，延长了停机时间。

本文提出的一体化温度管理系统通过“地面预处理+空中协同控温”的设计，解决了现有技术的痛点。该系统由地面温度控制装置3、换热器4及机载温度控制装置5三部分组成，实现了地面与空中温度管理的无缝衔接，同时大幅降低了机载设备重量。

如图2、3所示，系统采用“地面-空中”协同模式：地面温度控制装置3负责起飞前的温度调节，机载温度控制装置5负责飞行中的实时温控，两者通过换热器4实现能量传递。这种设计的核心优势在于：地面设备不随飞机升空，仅保留轻量化的机载模块，使系统总重降低40%-50%。

图2 为地面温度控制装置的结构示意图

图3 为机载温度控制装置的结构示意图

具体连接关系为：地面温度控制装置3通过地面管路33连接换热器4的第一冷却液进口42和第一冷却液出口43；机载温度控制装置5通过机载管路52连接换热器4的第二冷却液进口44和第二冷却液出口45(如图4所示)。电池包2内部的冷板通过机载管路52与换热器4形成闭合回路，确保冷却液能在电池包与换热器间循环流动。

图4 为换热器的结构示意图

1. 地面温度控制装置3

• 组成：包括地面冷却液温度控制设备31、地面水泵32及地面管路33(如图2所示)。

• 功能：地面冷却液温度控制设备31可存储50-200L冷却液(介质为乙二醇/水混合液，冰点-40℃)，并通过内置加热棒和制冷模块将温度调节至5-35℃。地面水泵32采用变频控制，流量可在5-20L/min范围内调节，通过地面管路33将温控后的冷却液输送至换热器4。

• 优势：利用地面电源工作，避免消耗机载电池电量；大容量冷却液储备可快速将电池包温度从-20℃加热至25℃(约15分钟)，或从50℃冷却至30℃(约10分钟)。

2. 换热器4

• 结构：采用长方体铝制壳体，外表面分布有换热翅片41(如图4所示)，翅片厚度0.3mm、间距2mm，可增加300%的散热面积。顶部设有液位观察窗46，侧面安装单向透气阀47(工作压力0.1-0.3MPa)，内部嵌入PT100温度传感器48(测量精度±0.5℃)。

• 接口：第一冷却液进口42和第一冷却液出口43直径16mm，连接地面管路；第二冷却液进口44和第二冷却液出口45直径12mm，连接机载管路，实现双回路独立流通。

• 规格：提供三种型号(容积5L、10L、15L)，通过M8螺栓固定于机身11或机翼13(如图5、6所示)，适配不同机型需求。

图5 为换热器的安装位置示意图一

图6 为换热器的安装位置示意图二

3. 机载温度控制装置5

• 组成：包括机载水泵51和机载管路52(如图3所示)。机载水泵51重量仅1.2kg，流量3-10L/min，功耗8-15W；机载管路52采用耐高压硅胶管(工作压力1MPa)，内径10mm，弯曲半径≥50mm。

• 连接方式：机翼电池包21和撑杆电池包22通过机载管路52并联(如图3所示)，确保各电池包流量均匀(偏差≤5%)；也可串联以提高换热效率，适应高功率放电场景。

1. 地面预处理阶段

• 连接：将地面管路33与换热器4的第一冷却液进口42、第一冷却液出口43对接，机载管路52保持通路。

• 温控：根据环境温度设定目标值(如冬季目标25℃)，地面冷却液温度控制设备31将冷却液调至对应温度，地面水泵32以15L/min流量输送至换热器4。

• 循环：机载水泵51同步工作(流量8L/min)，使电池包冷板与换热器4形成循环，通过热交换将电池包温度调节至20-30℃。温度传感器48实时监测，达标后关闭地面水泵32并断开地面管路连接。

2. 飞行阶段

• 低温场景(环境温度-30℃)：机载水泵51关闭，换热器4内的冷却液(约10L)作为保温介质，减少电池包散热，配合电池自身放电发热维持温度≥15℃。

• 高温场景(电池温度≥40℃)：机载水泵51启动(流量10L/min)，将电池包热量带入换热器4，通过飞行气流(速度100-300km/h)与换热翅片41换热，散热功率可达500-1500W，使电池温度稳定在35±2℃。

• 压力调节：当飞行高度变化导致换热器4内外压差超过0.2MPa时，单向透气阀47自动开启平衡压力，避免管路爆裂。

3. 应急处理

• 若温度传感器48检测到电池包温度≥55℃，机载水泵51自动切换至最大流量(10L/min)，同时通过飞控系统发出警告，提示飞行员降低功率输出。

• 液位观察窗46显示冷却液不足(低于1/3)时，地面维护人员需补充冷却液并检查管路密封性。

1. 轻量化设计：移除机载加热设备和大型散热器，系统总重降至3-5kg(传统系统8-15kg)，提升飞机续航里程8%-12%。

2. 能量高效利用：地面预处理阶段利用市电，避免电池电量损耗；飞行中通过气流自然散热，风扇能耗降低80%。

3. 快速响应：双回路设计使地面预热/冷却速度提升50%，满足短时间周转需求(如通勤航班30分钟内完成温度调节)。

4. 兼容性强：支持机翼电池包21与撑杆电池包22的串/并联切换，适配不同放电功率场景(如起飞阶段串联提高流量，巡航阶段并联均衡温度)。

5. 安全可靠：单向透气阀47和温度传感器48的双重保护，使系统故障率降低至0.5次/千小时(传统系统2-3次/千小时)。

• 短途通勤飞机：每日8-10架次周转，地面预处理可快速将电池包温度调节至最佳区间，确保每次起飞性能稳定。

• 高空作业无人机：在-30℃至40℃的环境中，通过换热器4的保温与散热切换，维持电池包温度稳定，保障任务续航。

• 多气候区运营：同一套系统可适应热带(高温散热)与寒带(低温保温)环境，减少机型适配成本。

综上所述，该温度管理系统通过整合地面与机载资源，在轻量化、高效能与安全性之间实现了平衡，为电动飞机的商业化运营提供了关键技术支撑。

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