Archer 针对eVTOL电池系统五大核心痛点的解决方案

电动垂直起降(eVTOL)飞机作为未来城市空中交通的核心载体，旨在满足高密度城区短距离(≤100英里/航班)、高频次(≥50架次/工作日)的载客通勤需求，通常需搭载4-6名乘客并提供低噪、低振的飞行体验。eVTOL飞机依赖分布式电力推进系统实现垂直起降、过渡飞行与水平巡航，其性能与安全性高度依赖高压电源(HVPS)系统及电池组件的可靠性。相较于传统航空设备，eVTOL电池需同时满足多重严苛要求：高频次充放电下的长寿命、极端工况下的热稳定性、 crash冲击下的结构强度、轻量化设计以提升续航，以及故障状态下的安全冗余能力。

当前，电池组件已成为制约eVTOL规模化应用的核心瓶颈之一。其不仅需为分布式推进系统提供稳定高压电力，还需适配环境控制系统(ECS)、低压电源系统(LVS)等多负载需求。随着eVTOL飞行场景向人口密集区域延伸，电池的热失控防护、故障隔离、气体排放控制等安全性能被提出更高要求。本文针对eVTOL电池组件的核心痛点，提出涵盖结构设计、安全防护、热管理、回收利用的一体化解决方案，为eVTOL的安全量产与商业化运营提供技术支撑。

在eVTOL飞机的技术演进中，传统电池组件逐渐暴露出多维度性能短板，难以适配其特殊运营需求，具体问题如下：

传统电池组中，电池单元多采用密集排列方式，未设置专用热隔离与气体阻挡结构。当单个电池发生热失控时，高温与可燃气体易快速扩散至相邻单元，引发连锁失效。数据显示，传统锂电池热失控时温度可飙升至800℃以上，且会释放大量有毒有害气体，而缺乏隔离设计的电池组中，热失控传播时间通常不足10秒，直接威胁飞行安全。此外，传统电池单元侧壁强度均匀，热失控时内部压力无法定向释放，易引发侧壁破裂(SWR)(图1)，导致高温 ejecta 飞溅，进一步加剧火灾蔓延。

图1 为展示示例性不良侧壁破裂现象的示意图

eVTOL飞机需具备垂直起降与常规跑道起降双重能力，可能面临紧急迫降或 crash 场景。传统电池组件多采用简单外壳封装，缺乏针对性的抗冲击结构设计，在碰撞载荷下易发生壳体破裂、电池单元移位，进而引发短路或热失控。同时，电池组安装于机翼内部(图2)，需兼顾轻量化与结构刚度，但传统设计往往难以平衡二者关系，导致电池组件在飞行振动中易出现连接松动、性能衰减等问题。

图2 为机翼的横截面视图，该机翼内部安装有电池组

eVTOL电池在高频次充放电与高功率输出过程中会产生大量热量，需通过冷却系统维持最佳工作温度(20-40℃)。当前冷却技术存在两大缺陷：一是流量分配不均，传统并行冷却管路中，不同位置电池包的流阻差异导致冷却液流量失衡，部分电池过热、部分电池过冷，影响整体性能与寿命；二是冷却与充电协同性差，多数系统依赖机载泵体驱动冷却液循环，增加了整机重量与能耗，且地面充电时缺乏高效热管理手段。此外，传统冷却系统多采用单一介质与结构，难以适配eVTOL电池的动态负载特性。

传统电池组的过流、短路防护多依赖单一保险丝或接触器，一旦控制单元(如电池管理系统BMS)失效，防护机制将完全瘫痪。例如，当BMS故障无法触发熔断时，短路电流会持续作用于电池与负载，引发起火或爆炸。同时，电池组与推进系统的连接多为单一路径，缺乏备份供电设计，单个电池失效可能导致对应推进单元停机，影响飞行姿态控制。此外，传统电池的排气设计缺乏定向引导，热失控气体易在电池包内部积聚，导致压力骤升引发二次破裂。

eVTOL电池在航空场景下的性能衰减速度较快，当能量存储容量、功率输出能力低于阈值时，便被判定为报废。但这些电池仍具备满足民用储能需求的剩余性能，传统设计未考虑二次利用的兼容性，电池接口、管理系统均为航空专用，难以直接适配家庭储能、电网备份等场景，导致资源浪费与回收成本高企。

针对当前eVTOL电池组件的技术痛点，本文提出涵盖结构设计、安全防护、热管理、排气控制、电池优化与二次利用的一体化解决方案，通过多维度创新实现电池组件的性能跃升。

本方案核心创新在于设计了两种高性能电池单元组织装置——泡沫电池架与蜂窝芯复合结构，通过材料选型与结构优化，同时解决热失控传播、气体泄漏与结构强度三大问题。

泡沫电池架520是电池单元530的核心承载与隔离部件，其结构由套管820、顶片810、泡沫材料830及可选底片840组成(图3A)。顶片810采用玻璃纤维复合材料(如FR4或FR5层)，作为套管820的定位基准，确保浇铸前各套管的位置精度；套管820为碳纤维复合材料制成的圆柱形结构，用于形成容纳电池单元530的腔室，无需后续机械加工即可保证腔室尺寸精度；泡沫材料830采用阻燃型闭孔聚氨酯泡沫，具有低导热系数(≤0.03W/(m·K))、高介电强度与气体阻隔性，浇铸后包裹于套管820外部形成整体结构(图3B)；部分设计中增加的底片840与顶片810材质一致，进一步提升结构稳定性(图3D)。

图3A 为展示泡沫电池支架示例性结构的示意图

图3B 为展示图3A中泡沫电池支架(用于规整电池单元)的示例性铸造工艺的示意图

图3C 为展示图3A中泡沫电池支架经铸造后的示例性成品结构的示意图

图3D 为展示图8A中泡沫电池支架经铸造后的另一种示例性成品结构的示意图

该装置的核心功能通过以下设计实现：一是热隔离，泡沫材料830与套管820均为热绝缘材料，将电池单元530划分为多个电池组960(图4)，每组包含7个并联电池(1S-7P)，组间通过泡沫材料实现热隔离，相邻电池组的间距≤1.5mm，相邻电池列的间距≤10.0mm，有效阻断热传导与对流；二是气体阻挡，闭孔泡沫结构与碳纤维套管共同形成气体屏障，防止单个电池热失控时释放的气体侵入相邻电池组；三是结构定位，顶片810的定位功能确保电池单元530的排列精度，为后续电连接与冷却系统适配提供基础。

图4 为泡沫电池支架的俯视图

泡沫电池架520的制造采用浇铸工艺(图3B)：首先将套管820固定于顶片810的预设位置，随后将多羟基化合物与异氰酸酯按比例混合形成聚氨酯泡沫材料830，浇铸于模具中包裹套管820，待发泡固化后形成成品(图3C)。该工艺可实现复杂形状的一体化成型，减少材料浪费与加工步骤，同时保证结构轻量化。

为进一步提升电池组的抗冲击能力与气体阻隔效果，本方案在泡沫电池架基础上集成了蜂窝芯结构2332(图5)。该结构由阻燃间位芳纶材料(如Nomex)或不锈钢制成，形成多个六边形单元格2410(图6)，每个单元格容纳一个电池单元2320，单元格内填充泡沫材料2334，与电池单元2320紧密贴合。蜂窝芯结构2332与电池包外壳2350、热交换器板2310共同构成三明治结构，在最小重量下实现高刚度，可承受eVTOL crash时的冲击载荷。

图5 为展示示例性电池组横截面视图的示意图

图6 为展示泡沫电池支架示例性分解视图的示意图

蜂窝芯结构2332的制造可采用三种工艺(图7A-C)：一是膨胀法(图7A)，将箔材2510印刷 adhesive 线2512后堆叠、热压固化形成蜂窝块2514，切割成片2516后膨胀得到成品2518；二是波纹法(图7B)，将箔材2520通过波纹辊2522形成波纹片2524，涂抹 adhesive 后堆叠固化为蜂窝块2526；三是切割折叠法(图7C)，将箔材2530切割折叠后插入六边形工具2534，固化后移除工具形成成品。三种工艺均可根据需求调整蜂窝芯的厚度与单元格尺寸，适配不同电池包设计。

图7 分别展示了蜂窝芯结构的示例性制造工艺

该复合结构的核心优势在于：六边形单元格2410的封闭性可有效阻挡热失控气体在电池单元间扩散，相较于传统泡沫隔离，气体泄漏率降低60%以上；蜂窝芯的高比强度特性使电池包2300的抗冲击能力提升3倍，满足eVTOL的 crash 安全要求；泡沫材料2334与蜂窝芯的协同作用，进一步优化了热隔离效果。

本方案通过冗余防护机制与备份供电设计，彻底解决传统电池组件安全机制单一的问题，确保单点故障不引发系统失效。

pyro熔断器314是电池组120的核心故障隔离部件，安装于HV接线盒122的高压回路中(图8A)，与常规熔断器316配合实现过流与短路防护。该系统的创新点在于双重触发机制与双电源供电设计：

图8A 为展示高压接线盒示例性电路图的示意图

双重触发机制由数字电路(BMS 320)与模拟电路(PRT板730)组成(图8B)。BMS 320通过电流传感电阻R3、R4、R6实时监测回路电流，当电流超过第一阈值(可根据温度动态调整)时，输出控制信号(如EE1 PYRO CONTROL)至 pyro熔断器驱动器734，触发 pyro熔断器314熔断，切断故障回路；若BMS 320失效未触发熔断，PRT板730的控制逻辑电路732(模拟电路)将基于同一电流传感器信号，当电流超过第二阈值(高于第一阈值)时，直接驱动 pyro熔断器314熔断，形成冗余保护。

图8B 为展示烟火保险丝激活过程的示例性框图

双电源供电由内部DC-DC转换器710与外部DC-DC转换器720组成，二者均从电池堆组件124获取高压电(520V-870V)，转换为低压电为BMS 320与PRT板730供电。当其中一个转换器故障时，另一个可无缝切换，确保防护系统的持续供电。

eVTOL飞机的电池系统采用三组独立的成对电池包单元160、162、164(图9A)，每组包含两个电池101-106，通过HV交联总线130、132、134实现电连接。以第一组160为例，电池101直接为电气发动机170、171供电，电池102直接为电气发动机172、173供电，HV交联总线130使二者形成备份关系：当电池101失效时，电池102通过总线130为发动机170、171供电；反之亦然。每组成对电池包单元可同时为4个对称布置的电气发动机供电，即使单个电池失效，备份电池仍能以略低功率维持发动机运行，确保飞行姿态可控。

图9A 为一种电动垂直起降飞行器的示意图

此外，每组电池包单元均配置了多重熔断器：电池与发动机之间的熔断器110-121、电池与充电器之间的充电熔断器140-150，以及电池输出端的 pyro熔断器190(图9B)，形成多层次故障隔离，防止故障扩散至其他系统。

图9B 示出了图9A中其中一个电池的示例性实施例

针对传统冷却系统流量不均、能耗高的问题，本方案设计了四种冷却液管路架构(图10A-D)，并结合热交换器板实现电池组的精准温控。

图10A-D 分别展示了高压冷却分配子系统中电池冷却的多种设计方案

四种架构均采用单一冷却液入口1610与出口1620，便于地面充电时快速连接外部泵体(无需机载泵)，降低整机重量。各架构的设计特点如下：

• U-flow型(图10A)：入口1610与出口1620位于同一侧，冷却液向下流入六个并联的电池包120，再向上返回出口，形成U形流路。该架构的优势是进出口布局紧凑，适配eVTOL机翼的安装空间，但需通过管路直径优化平衡流量。

• Z-flow型(图10B)：入口1610与出口1620分别位于两侧，冷却液呈Z形流经六个电池包120。该架构通过对称设计使各电池包的流阻一致，流量分配均匀性优于U-flow型，可采用小尺寸软管降低重量。

• 改进U-flow型(图10C)：在入口1610与各电池包之间增设定制化限流阀1630，通过调整限流阀的孔径(3-4mm)实现各支路的压力降均衡，确保流量均匀的同时，保持进出口同侧的优势，适配中等尺寸软管。

• 改进Z-flow型(图10D)：增加机内回流管1640，使入口1610与出口1620位于同一侧，同时保留Z-flow型的流阻一致性优势，通过不同尺寸软管平衡流量，适配小尺寸软管设计。

实际应用中，基于改进U-flow型架构的冷却系统(图11)表现最优：通过限流阀1730的精准匹配，六个电池包120的冷却液流量偏差≤5%，温度一致性控制在±2℃以内；冷却系统工作压力≤100psi，无需专用高压连接器；地面充电时，外部泵体驱动水-乙二醇(WEG)冷却液循环，实现充电与冷却的协同作业，避免电池过热。

图11 为基于图10C中冷却液管路结构的示例性电池冷却系统示意图

热交换器板1500通过导热胶粘剂(如阻燃丙烯酸胶)固定于电池包外壳510与泡沫电池架520之间(图12)，其表面与电池单元530的底部紧密贴合，将电池产生的热量传导至冷却液。热交换器板1500采用铝合金材质，表面设计有微通道结构，增大换热面积；冷却液在通道内流动时与板体进行热交换，将热量带出电池包。该设计的换热效率较传统风冷提升4倍，可将电池工作温度控制在20-40℃的最佳范围。

图12 为展示示例性换热器板的示意图

为解决传统电池热失控时气体排放无序、侧壁破裂(SWR)等问题，本方案设计了定向排气系统与电池单元结构优化方案。

排气瓣组件550安装于电流收集器540上方，由机械支撑层552与排气瓣层554组成(图13)，与电池包外壳570共同形成头部空间558(图15)。机械支撑层552为柔性硅酮泡沫材料，通过压敏胶粘剂(PSA)固定于电流收集器540，起到缓冲与密封作用；排气瓣层554采用柔性陶瓷或热塑性聚酰亚胺材料，耐温≥800℃，表面通过激光切割形成星形或多悬臂结构的排气瓣，每个排气瓣对应一个电池单元530(图14A)。

图13 为展示示例性通风阀组件的示意图

图14A 为展示图13中通风阀组件局部放大图的示意图

图14B 为沿图 14A 中A - A线的横截面视图示意图

图15 为电池组外壳的横截面视图示意图

热失控发生时，电池单元530释放的气体在通风歧管556(机械支撑层与排气瓣层之间的空间)内积聚，当压力达到阈值(0.5-1.0MPa)时，排气瓣的悬臂结构发生变形，气体通过排气瓣进入头部空间558(图14B)，最终经电池包的压力释放装置(如爆破阀)排出机外。该设计的优势在于：定向引导气体排放，避免高温气体直接冲击相邻电池；排气瓣层554可阻挡电池 ejecta 飞溅，保护周边组件；头部空间558(高度约20mm)减少了气体在电池包内的滞留时间，降低对流换热导致的热传播。

针对热失控时易发生的侧壁破裂问题，本方案对圆柱形电池单元进行了两处结构优化：一是上部加厚设计(图16A)，电池单元2000的上部2010(顶部1/3区域)壁厚较下部2020增加20-30%，该区域是SWR的高发部位，加厚设计可提升抗压能力；二是金属套筒加固(图17)，电池单元2200的上部套设金属套筒2210，通过冲压或拉伸工艺成型，进一步增强侧壁强度。

图16A 为展示示例性圆柱形电池单元的示意图

图16B 为展示示例性顶部通风区域的示意图

图17 为展示另一种示例性圆柱形电池单元的示意图

同时，电池单元的顶 vent区域2030(图16B)采用多层结构设计：金属外护套2032提供结构支撑，塑料嵌件2034固定 vent盘2040， vent盘2040设有刻痕2042，底部圆盘2036的通孔2038与正极帽2044的 vent孔2046形成排气通道。热失控时，内部压力达到阈值(1.5-2.0MPa)时， vent盘2040沿刻痕2042破裂，气体经通孔2038、 vent孔2046定向排出，避免侧压过高导致SWR(图18)。

图18 为展示示例性顶部通风现象的示意图

为进一步提升热失控防护能力，本方案在电池单元与泡沫材料之间增设PCM套管2710(图19)。PCM套管2710为聚酯薄膜(Mylar)制成的袋状结构，内部填充泻盐(MgSO4·7H2O， epsomite)，袋体一侧设有热封接缝2712，邻近通风空间2740。

图19 为展示示例性泡沫电池支架横截面视图的示意图

泻盐的相变特性使其在热失控时发挥关键作用：当电池温度升至60℃(接近热失控阈值)时，泻盐开始脱水(图20A的DSC曲线2810)，吸收大量潜热(约200J/g)；随着温度升高，脱水加速，释放的水分子在通风空间2740内蒸发为蒸汽，进一步吸收热量(图20B的TGA曲线2830)，并随排气系统排出电池包。该过程可将电池包内的峰值温度降低150-200℃，延缓热失控传播速度，为飞行员提供更多应急处置时间。

图20A 为泻盐脱水与水合过程的示例性差示扫描量热分析图

图20B 为泻盐的示例性热重分析图

为提升电池全生命周期利用率，本方案设计了适配航空与民用储能场景的通用电池架构，使eVTOL退役电池可直接repurposed用于家庭储能等二次应用。

repurposed电池系统的核心是模块化设计与接口兼容性(图18)：退役电池1810保留原有的电池管理系统(BMS)核心功能，仅需更换高压接线盒(HVJB)，将航空专用HVJB替换为家庭储能专用HVJB；电池接口1815采用标准化DC/DC接口，兼容航空推进系统与家庭逆变器1820；逆变器1820的电压、电流、功率等参数按宽范围设计，同时满足航空高压需求与家庭低压供电(如220V AC)。

图21 为展示示例性家用电源系统的示意图

家庭储能系统1800的组成包括：repurposed 电池1810、电池接口1815、逆变器1820、线路滤波器1825、开关设备1830(图21)。开关设备1830可实现电网1850与储能系统的切换，当电网停电时，电池1810通过逆变器1820为家庭用电线路1840供电；电网正常时，可通过逆变器将多余电能反馈至电网。

该系统的拓展应用包括直流快充(DCFC)：两个repurposed电池并联后，通过定制DC/DC接口可为电动汽车充电，充电速度较传统家用充电桩提升25倍，较V3超级充电桩快40-80%(图22)。此外，repurposed电池的低内阻特性使其可作为逆变器1910的散热体，无需额外强制冷却，降低系统噪音与体积。

图22 为展示图21中示例性家用电源系统的电子开关系统示意图

本文提出的eVTOL飞机改进型电池组件系统，通过结构创新、安全冗余、热管理优化、排气控制与二次利用设计，全面解决了当前技术存在的热失控传播、安全机制单一、冷却不均、结构强度不足与回收困难等问题。泡沫电池架与蜂窝芯复合结构实现了热隔离与结构强化的双重目标； pyro熔断器冗余系统与备份供电架构提升了故障容错能力；多模式冷却系统确保了温度一致性与轻量化；定向排气与相变材料集成延缓了热失控传播；标准化模块化设计实现了电池的全生命周期利用。

来源：公开信息，要点纵航整理

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