eVTOL电池系统动态跌落测试样品与测试设置详解

电动垂直起降(eVTOL)飞行器作为未来城市交通的革命性载体，正逐步打破传统运输模式的边界，在救灾支援、医疗急救运输、城市短途载客(类出租车服务)及包裹配送等领域展现出巨大应用潜力。这类新型飞行器通过采用创新材料、独特设计及混合或全电动推进系统，精准适配城市复杂环境与多样化任务需求。其中，储能系统(ESS)作为核心动力支撑，由大量电池模块、电池管理系统、线缆、传感器及相关硬件构成，其安全性与耐撞性直接决定了eVTOL飞行器的适航能力与运营安全。

然而，由于混合及全电动动力系统的新颖性，当前适航认证体系在eVTOL关键组件认证方面存在明显缺口，尤其是ESS的耐撞性认证尚未形成统一标准。为填补这一技术空白、支撑行业标准制定，美国国家航空航天局(NASA)依托革命性垂直升力技术(RVLT)项目，开展了系列eVTOL储能系统模块级动态跌落测试。本文将详细梳理该测试的研究背景与目标、测试样品的选型与配置，以及测试设置的全面设计，为理解后续测试结果与行业技术发展提供基础支撑。

eVTOL飞行器的核心技术突破在于其动力系统的电动化转型，相较于传统燃油飞行器，其采用混合或全电动推进方式，搭配多样化升力生成装置，具备垂直起降、低空低速飞行、灵活机动等优势，能够高效利用城市低空资源，缓解地面交通压力。在实际应用场景中，eVTOL可快速响应自然灾害现场的人员转移与物资投送需求，为偏远地区或交通拥堵区域的医疗急救提供“空中通道”，同时也能作为城市内短途出行的便捷工具，以及末端物流配送的高效解决方案。这些应用场景对eVTOL的可靠性、安全性提出了极高要求，而储能系统作为动力核心，其在碰撞等极端工况下的稳定性与安全性成为制约eVTOL适航认证与规模化应用的关键因素。

在美国，所有飞行器系统必须通过适航认证方可投入运营，但针对eVTOL储能系统的耐撞性认证，当前缺乏直接对应的专项法规。由于ESS在eVTOL中承担主要推进动力功能，现有航空认证体系中无专门覆盖该场景的 crashworthiness(耐撞性)要求。目前最具参考性的是旋翼机(包括正常类与运输类)燃油系统认证标准——《联邦法规汇编》第14篇第27部分第952节(14 CFR §27.952)“燃油系统抗撞性”，该标准规定最关键的燃油箱需通过50英尺高度跌落测试。鉴于ESS认证的法规缺口，行业正尝试将该燃油系统标准应用于eVTOL储能系统的认证评估。

在联邦公报中，已有两个案例(涉及Joby Aero公司JAS4–1型动力升力飞行器与Archer Aviation公司M001型动力升力飞行器)探讨了依据14 CFR §21.17(b)条款对eVTOL进行认证的路径。该条款适用于“尚未制定适航标准的特殊类别飞行器”，允许从现有14 CFR §23、25、27、29、31、33、35等部分提取相关要求，并补充飞行器专属条款。这两个案例均明确提出，将新增ESS相关要求，“纳入储能系统耐撞性条款以契合§27.952的核心意图，并删除液体燃油系统专属要求”，新增条款明确“每个储能系统应设计为在所有可能的运行条件下保持能量，并在紧急着陆或其他可生存的碰撞(坠机着陆)后最大限度降低对乘员的危害”。然而，上述案例均未规定具体的合规方法(Means of Compliance)，也未明确通过认证的性能指标要求。值得注意的是，欧洲航空安全局(EASA)在其《特殊条件VTOL》文件中，已将50英尺跌落测试(MOC VTOL.2325(a)(4))列为储能系统耐撞性认证的合适合规方法。

为解决eVTOL储能系统耐撞性研究的技术空白，支撑行业认证标准制定，NASA在RVLT项目框架下启动了专项研究，通过系列垂直跌落测试评估不同配置下ESS模块的性能表现。该研究的核心目标并非依据现有或拟议认证要求对ESS模块进行合规性认证，而是通过测试揭示ESS模块在不同冲击工况下的基础影响因素、失效模式与作用机制，为后续防护结构设计、测试条件制定提供理论与数据支撑，并向行业共享测试成果。

研究整体分为三个阶段：第一阶段(本文聚焦阶段)在无外部缓冲或附加结构的条件下，对ESS模块进行不同姿态的50英尺跌落测试，重点分析加载环境；第二阶段与第三阶段将基于第一阶段结果展开，其中第二阶段已于2024年实施，针对部分测试姿态加入缓冲结构，模拟更贴近实际安装的场景(同时保持飞行器无关性)；第三阶段计划测试带电状态的模块，目前仍处于方案制定阶段。

本次测试选用的储能模块为电力系统公司(EPS)研发的电动推进离子核心(EPIC)能量模块，该模块是eVTOL储能系统的典型代表，其核心参数与合规性设计为测试结果的行业参考价值提供了保障。每个EPIC模块重量约24.5磅(约11.11kg)，额定功率为2.3千瓦时(kWh)，完全符合美国联邦航空管理局(FAA)《技术标准规定：可充电锂电池及电池系统》(TSO-179b)与联合国《试验和标准手册(第七修订版)》(UN38.3)的相关要求，具备良好的技术成熟度与行业代表性。

模块的物理结构设计中，通风口处配有红色保护盖(测试过程中已移除)，其整体外观如图1所示。该模块的结构设计与性能参数，使其能够模拟eVTOL实际应用中的储能单元特性，测试结果对同类储能系统的研发与认证具有直接参考意义。

图1 电动动力系统(EPS)电动推进离子核心(EPIC)储能系统(ESS)模块

所有测试模块均采用零电荷状态(zero-state-of-charge)进行测试，这一状态选择是基于测试安全性与后续分析需求的综合考量。热失控(TR)是锂电池在冲击、短路等极端条件下可能发生的严重安全事故，表现为温度急剧升高、释放有毒气体甚至燃烧爆炸，会对测试人员安全造成威胁，同时也会破坏模块内部结构，导致无法准确识别原始损伤类型与位置。

采用零电荷状态可最大限度降低(但无法完全消除)测试过程中热失控的风险，确保测试人员能够安全开展后续的模块拆解与法医分析，精准定位损伤部位、判断损伤类型，为揭示ESS模块的失效机制提供可靠的物理样本支撑。

本次测试共选取4个不同的模块姿态进行跌落测试，每个模块仅测试一次，且每个姿态均以通风口为参考基准。4个测试姿态分别为：正立(Rightside Up)、倒立(Upside Down)、侧向(Sideways)、平面(Flatwise)。由于剩余两个可能的姿态与上述测试姿态呈对称关系，其力学响应与损伤模式具有相似性，因此未纳入测试范围，以优化测试资源配置，聚焦核心姿态的关键数据。

为全面评估测试前后模块的健康状态，测试流程中设置了完善的诊断测量方案。测试前与测试后均对模块进行检测，核心测量指标包括：电池单体电压(cell-level voltage)、模块温度(temperature)，以及模块内部各电池之间的连续性(continuity)。这些指标能够直接反映模块的电气连接状态与热稳定性，为判断模块是否发生内部损伤、短路等问题提供关键数据支撑——若测试后电压与连续性保持正常，说明内部损伤(若存在)未影响核心电气功能；若出现电压异常或连续性中断，则提示可能存在严重的内部结构破坏或短路故障。

本次测试在国家航空研究院(NIAR)的户外跌落测试设施开展，由NIAR专业测试团队执行操作。测试严格遵循14 CFR §27.952的标准要求，并参考相关文献推荐的测试流程实施。测试的核心环境设计为：模块撞击刚性表面，周围无任何附加结构或缓冲装置。

尽管标准中提及“在结构内部”测试以模拟实际安装状态，但本次测试选择单独对模块进行测试，主要基于两方面原因：一是为响应研究目标，聚焦模块本身在冲击载荷下的基础力学响应与失效机制，避免外部结构的缓冲或约束作用干扰测试结果，确保能够准确识别模块自身的耐撞性能；二是模拟eVTOL储能系统可能的极端安装场景——部分应用中ESS模块可能未配备显著的缓冲结构，单独测试能够覆盖这一工况需求。

测试采用NIAR自主研发的 trolley(滑车)与导向线系统作为核心加载装置(该系统已用于此前的ESS测试项目，其工作原理为：将测试模块通过电缆悬挂在滑车下方，通过提升装置将滑车与模块一同升至距离刚性冲击面50英尺(约15.24米)的高度；释放后，滑车与模块沿导向线自由下落，模块先于滑车的制动系统接触冲击面，从而实现接近自由落体的刚性表面冲击测试条件，确保测试载荷与实际跌落场景的一致性。

测试装置的关键状态如图2与图3所示，其中图2展示了测试模块处于提升初始阶段的状态，图3展示了模块被提升至50英尺测试高度时的状态。导向线系统的设计保证了模块跌落过程中的姿态稳定性，避免因气流等外部因素导致姿态偏移，确保测试姿态与预设一致，提升测试数据的可靠性。

图2 测试样品起吊初始状态

图3 测试样品起吊到位状态

为精准捕捉测试过程中的关键物理参数，每个测试模块均配备了完善的仪器仪表，核心测量指标包括加速度(acceleration)、温度(temperature)与变形(deformation)，其中加速度与温度数据通过直接安装在模块上的传感器采集，变形数据通过后续摄影测量技术获取。

每个模块共安装3个加速度计，分为两种规格以覆盖不同的测量范围与测量需求：

• 2个高量程加速度计(满量程20,000-g)：编号分别为SN 1631与SN 1632，安装在模块外壳组件(Enclosure Assembly)的两个对角位置，且位于朝上表面或其附近区域。该安装位置选择基于模块结构特性——角落区域为外壳的刚性部位，能够捕捉到冲击过程中的峰值加速度，同时也能监测到非标准冲击事件(如姿态偏移导致的非预期撞击)，并记录关键事件的时间节点。

•  1个低量程加速度计(满量程2000-g)：编号为Accel 2000，安装在朝上表面的中部区域。该位置为模块的非支撑/柔性区域，能够反映模块整体的平均加速度响应，与角落刚性区域的峰值加速度形成对比，全面揭示模块不同部位的力学响应差异。

加速度计的安装布局如图4所示(模块仪器仪表示意图)，其量程选择与安装位置设计，能够兼顾冲击过程中的极端峰值测量与整体响应捕捉，为分析模块的受力分布与结构变形提供精准的力学数据。

图4 模块传感设备安装示意图

每个模块安装4个热电偶(thermocouples)，用于实时监测测试过程中及测试后的模块温度变化，核心目的是捕捉热失控的早期迹象。热电偶的安装位置为：2个安装在模块的非漆面侧面，2个安装在朝上表面，具体位置未进行严格限定，但确保能够覆盖模块的关键区域。温度数据能够直接反映模块是否发生内部短路、电池破损等问题——若出现无外部加热情况下的温度急剧升高，即提示可能发生热失控风险，需及时采取安全措施。

为捕捉模块在冲击过程中的动态变形过程，同时验证冲击速度与冲击角度，测试中采用了高速摄影测量技术，核心依托数字图像相关(digital image correlation)方法实现变形追踪。

测试前，每个模块的两个表面被喷涂随机散斑图案(stochastic speckle pattern)，如图5所示(测试模块摄影测量喷涂表面示例)。该图案为数字图像相关技术提供了清晰的特征点，能够通过对比冲击前后的图像序列，精准计算模块表面的位移与应变分布。同时，模块表面还粘贴了黄黑相间的“领结”靶标(bowtie targets)，用于通过图像分析确认冲击瞬间的速度与角度，为加速度数据的解读提供补充依据。

图5 用于摄影测量的模块表面涂覆示意图

高速摄像机的技术参数设置为：分辨率通常为100万像素，数据采集帧率在5-10kHz之间，能够清晰记录冲击过程中毫秒级的动态变化。此外，测试中还同步使用红外摄像机(infrared cameras)与实时摄像机(real-time cameras)，从不同维度捕捉测试过程，为后续分析提供多源视觉数据支撑。需要说明的是，摄影测量的详细变形分析结果将在报告第二部分(Part 2)中展开阐述。

所有加速度计与热电偶的数据均通过外置数据采集系统(offboard data acquisition system)采集，采集频率设定为100kHz，能够满足冲击过程中短脉冲信号的捕捉需求——冲击载荷的持续时间通常为毫秒级，高采集频率可确保不丢失关键信号特征。

由于每个测试姿态的模块方向(北、南、东、西)无法完全统一(测试场地环境与模块悬挂方式导致)，数据记录时同时标注了测试场地的方位坐标与模块自身的相对位置，确保后续分析中能够准确对应测量位置与力学响应的关系。

数据处理过程中，采用了前向与后向4阶1000Hz低通巴特沃斯滤波器(Butterworth filter)对加速度数据进行滤波处理，而非行业常用的SAE J211滤波方法。这一滤波方案的选择是基于测试数据的特性：冲击过程中加速度脉冲的持续时间极短，且具有特殊的脉冲形态，低频率滤波器会严重低估初始峰值加速度，并导致显著的信号损失。

通过对不同截止频率的对比分析(分析过程未在本文呈现)，确定1000Hz为最低合适截止频率——该频率下，初始峰值信号的差异仅为2.7%，整个脉冲信号的差异为1.4%，能够最大限度保留原始信号特征；若采用更低频率(如500Hz)，则会导致初始峰值严重失真，信号损失比例显著增加。因此，本文呈现的所有加速度数据均基于1000Hz滤波频率处理，除非另有说明。

此外，数据时间轴的基准设定为：时间零点(t=0)对应模块首次接触冲击表面的瞬间，该时间点通过分析高速摄像机的图像序列确定，确保所有测试数据的时间同步性，为跨姿态对比分析提供统一的时间基准。

为确保测试安全，同时完整记录模块的损伤状态，测试后制定了分阶段的安全监测与检查流程，具体步骤如下：

每个模块冲击后，保持其测试后的原始状态不被扰动，静置1小时。在此期间，通过热电偶持续监测模块温度变化，若观察到温度不受控升高(潜在热失控迹象)，立即将模块从冲击场地转移至大型浸泡槽(dunk tank)中，通过液体浸泡抑制热失控发展，避免安全事故。

若1小时静置期间模块温度保持稳定，无热失控迹象，则对模块进行初步检查。检查内容包括：

• 外观状态：观察模块的整体结构完整性，是否存在明显变形、破损；

• 安全隐患迹象：通过嗅觉判断是否存在电解质泄漏(特征气味)，通过视觉观察是否有火花、烟雾或火焰产生；

• 电气性能：记录内部温度数据与电池单体电压(若可获取)，验证模块内部的电气连续性。

初步检查完成后，将模块转移至户外封闭存储区域，继续监测24小时。24小时后再次检查模块的温度与状态，确认无延迟性热失控风险或状态变化，确保模块处于安全状态后，再开展后续的拆解与法医分析(post-test forensics)。

测试后的模块存储状态如图6所示(户外存储容器中的测试模块)，该分阶段监测流程既保障了测试人员与场地的安全，又能完整捕捉模块在冲击后的状态演变，避免因即时检查遗漏延迟性损伤或安全风险，为后续的损伤分析提供完整的样本状态记录。

图6 室外储存中的测试样品