過去的十幾年間，鋰電池技術(shù)快速發(fā)展，其高倍率放電能力支持了eVTOL飛行器成為現(xiàn)實(shí)，然而，盡管eVTOL概念機(jī)和“產(chǎn)品”如雨后春筍般在世界各地出現(xiàn)，電池技術(shù)仍然是業(yè)界公認(rèn)的影響eVTOL產(chǎn)品走向成熟的最大障礙。

鋰電池使eVTOL載人飛行成為現(xiàn)實(shí)

而對于燃料電池，盡管已經(jīng)出現(xiàn)了半個世紀(jì)，并且經(jīng)歷了幾個快速發(fā)展期，但也僅在近幾年才成規(guī)模地用于地面車輛，由于氫氣的能量密度極高，氫燃料電池經(jīng)常被認(rèn)為是鋰電池在電動汽車和電動飛機(jī)應(yīng)用中的重要競爭者。

Alaka'iTechnologies公司的氫燃料電池eVTOL概念機(jī)，外觀設(shè)計(jì)非常漂亮，但不合理，可以預(yù)見，這款機(jī)型會爛尾.

在UAM行業(yè)研究中，有必要對鋰電池和氫燃料電池在eVTOL飛行器上的應(yīng)用前景作專題研究。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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主要優(yōu)缺點(diǎn)：

我們可以先看一下常規(guī)鋰電池系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)的組成，這將有助于闡明二者的優(yōu)缺點(diǎn)。

當(dāng)前階段汽車和飛機(jī)所采用的鋰電池系統(tǒng)通常由電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成。

典型鋰電池系統(tǒng)的組成

其中：

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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1、電池模組是鋰電池系統(tǒng)的核心，通常由一系列軟包或圓柱形電芯、周邊線路、單體管理單元組成；

2、熱管理系統(tǒng)用于使電池系統(tǒng)工作在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間；

3、電池管理系統(tǒng)用于檢測和管理電池系統(tǒng)的主要參數(shù)狀態(tài)、健康狀態(tài)、充放電等；

4、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用于提供堅(jiān)固密閉的結(jié)構(gòu)外殼，保證電池系統(tǒng)安全；

5、電氣系統(tǒng)指的是電池系統(tǒng)內(nèi)部線束、保險元件等。

從本質(zhì)上來說，燃料電池并不是傳統(tǒng)意義上的電池，而更像是一座發(fā)電站，典型的氫燃料電池系統(tǒng)包括電堆、升壓斬波電路、緩沖電池、氫氣供給和循環(huán)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲氫罐等。

其中：

1、電堆是燃料電池的核心系統(tǒng)，對于常見的質(zhì)子交換膜燃料電池，電堆由雙極板和膜電極組成，質(zhì)子交換膜就是膜電極的核心部分。氫氣和氧氣就是在電堆中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能；

2、升壓斬波電路用于穩(wěn)定燃料電池的輸出電壓；

3、緩沖電池用于增強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)輸出特性，以及啟動過程中的電能供應(yīng)；

4、氫氣供給和循環(huán)系統(tǒng)由多個閥、管路和泵構(gòu)成，用于為電堆供應(yīng)所需數(shù)量的氫氣，以及將管路中的低壓氫氣收集利用；

5、熱管理系統(tǒng)用于使電堆工作在合適的溫度區(qū)間內(nèi)；

6、控制系統(tǒng)用于燃料電池工作狀態(tài)的控制。

基于原理和構(gòu)成方面的區(qū)別，我們可以對二者的優(yōu)缺點(diǎn)，以及在eVTOL飛行器上的適用性進(jìn)行總結(jié)：

鋰電池氫燃料電池對比

綜合成本：綜合成本包括購買成本和使用成本，實(shí)際購買成本除了下表所列的主要部件（鋰電池電芯和氫燃料電池電堆）之外，鋰電池系統(tǒng)的其他部件也比氫燃料電池的其他部件要成熟和廉價。如果考慮到鋰電池價格還會持續(xù)降低，則氫燃料電池綜合成本在較長的時期內(nèi)都會高于鋰電池。

能源利用效率：下圖顯示了鋰電池和氫燃料電池能量損耗的環(huán)節(jié)和綜合利用率，可見，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，鋰電池對電能的利用率要比氫燃料電池高出很多。但隨著制氫、儲氫技術(shù)的不斷提升，氫燃料電池的能量利用率也會有一定程度的提升。

鋰電池和氫燃料電池的能量利用率

充電/加氫時間：由于當(dāng)前階段的加氫站普及程度遠(yuǎn)比不上充電樁，因此加氫時間短的優(yōu)勢難以體現(xiàn)，但鋰電池的低充電速度是eVTOL的運(yùn)行時長重要限制因素。

壽命：氫燃料電池壽命通?？梢赃_(dá)到5000-10000小時，與車用鋰電池壽命相比還較短，但用于eVTOL的鋰電池放電倍率通常超過2C，換算下來，1000次的充放電壽命僅相當(dāng)于500小時左右，因此氫燃料電池的壽命在eVTOL應(yīng)用上反倒成為優(yōu)勢。

安全性：鋰電池的安全性問題在于過充、過放、過流、過溫等條件下的起火風(fēng)險，因此需要熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、密封外殼等措施進(jìn)行避免；氫燃料電池的安全性問題在于氫氣泄漏后極易爆炸，因此需要在儲氫供氫環(huán)節(jié)盡量避免泄漏。

工作溫度：鋰電池高效安全的工作溫度范圍通常為0-40℃，氫燃料電池在啟動后即可依靠自身發(fā)熱維持電堆的高效工作溫度（約60-80℃），二者都需要熱管理系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。

啟動速度：鋰電池電芯的啟動速度是毫秒級的，考慮到電池管理系統(tǒng)的啟動速度，通常可以在5s以內(nèi)達(dá)到全功率運(yùn)行的條件；而氫燃料電池需要至少30s的啟動時間才能穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步需要更長的時間達(dá)到全功率運(yùn)行狀態(tài)。因此氫燃料電池在實(shí)際應(yīng)用中通常會并聯(lián)一套鋰電池或鎳氫電池，用于氫燃料電池的啟動，以及啟動完畢之前的對外供能。但氫燃料電池應(yīng)用于eVTOL飛行器時，其啟動過程中可以同時進(jìn)行整機(jī)飛前檢查時間，因此60s以內(nèi)的完全啟動時間不會對eVTOL飛行器造成大的障礙。

能量密度：高能量密度的電池系統(tǒng)有助于eVTOL的長續(xù)航，但鋰電池和氫燃料電池的能量密度無法直接比較，對于固定型號的鋰電池電芯，能量密度是相對固定的，而氫燃料電池的能量完全存儲在氫氣中，因此，氫氣儲量占燃料電池系統(tǒng)的比例就直接影響能量密度。當(dāng)前階段，氫氣的能量密度約為鋰電池能量密度的200倍，以儲氫罐儲氫密度5%計(jì)算，則儲氫罐能量密度約為鋰電池的10倍。因此，儲氫罐在電池系統(tǒng)中的質(zhì)量占比越大，氫燃料電池的能量密度越明顯。

功率密度：功率密度也是電池系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，特別是在eVTOL應(yīng)用中，對功率的需求非常大，高功率密度的電池系統(tǒng)有助于降低起飛重量。當(dāng)前階段，功率型鋰電池的額定功率密度可以超過2kw/kg，能量型鋰電池的額定功率密度不超過1kw/kg；氫燃料電池系統(tǒng)（加儲氫罐）的功率密度通常不超過0.5kw/kg。

輸出壓降：鋰電池開路電壓和額定功率電壓相差不超過20%，而氫燃料電池的該指標(biāo)可以達(dá)到50%，因此氫燃料電池通常會搭配升壓電路來維持額定電壓。

氫燃料電池輸出電流增加時，壓降非常明顯

動態(tài)響應(yīng)速度：鋰電池的功率變化可以在極短時間內(nèi)完成，而氫燃料電池的原理導(dǎo)致其輸出功率無法快速變化，因此氫燃料電池通常會搭配鋰電池或鎳氫電池工作，用于啟動和提供快速變化的功率輸出。

未來用于eVTOL的前景

從前文鋰電池和氫燃料電池的對比，可以發(fā)現(xiàn)鋰電池在eVTOL應(yīng)用中的優(yōu)勢在于功率密度、動態(tài)響應(yīng)特性、綜合成本等方面占優(yōu)，而氫燃料電池在能量密度、加氫時間和壽命等方面優(yōu)勢明顯。當(dāng)然，前文的對比均以當(dāng)前技術(shù)條件為基準(zhǔn)進(jìn)行的，而二者都處于高速發(fā)展階段，考慮面向未來的eVTOL應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)識別出5-10年內(nèi)可能的進(jìn)展，以及難以突破的技術(shù)環(huán)節(jié)。

對于鋰電池，雖然多種新型電池技術(shù)的研究一直在進(jìn)行，近年來鋰電池產(chǎn)品的能量密度增幅均在每年5-10%，且這種速度會持續(xù)多年，例如，“中國制造2025”規(guī)劃也將鋰電池能量密度目標(biāo)定為2025年400wh/kg，2030年500wh/kg，因此鋰電池最大的短板在未來將會是一個持續(xù)緩慢改善的過程；充電速度方面，石墨烯負(fù)極等技術(shù)也已經(jīng)有所突破，因此鋰電池充電速度也將是持續(xù)改進(jìn)的過程，但距離5分鐘的加油、加氫時間還有非常遙遠(yuǎn)的距離；鋰電池共工作溫度范圍窄的問題則在短期內(nèi)看不到解決的希望。

基于以上判斷，鋰電池在未來的不斷發(fā)展過程中，將越來越適合于eVTOL應(yīng)用，特別是2030年后，以鋰電池為動力的eVTOL飛行器續(xù)航里程將具有實(shí)用價值。

對于氫燃料電池，其功率密度可以通過新型催化劑、立體流道雙極板等技術(shù)予以改進(jìn)，參考燃料電池發(fā)展歷程，功率密度的提升將會是緩慢的過程；除此之外，動態(tài)響應(yīng)特性、儲氫罐儲氫密度、輸出壓降、啟動速度等特性則難以在短期內(nèi)有所改善。

基于以上判斷，氫燃料電池在未來不斷發(fā)展過程中，更適合于低功率長時間運(yùn)行的飛行階段，例如，通過與鋰電池或超級電容組成混合動力系統(tǒng)，應(yīng)用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)型，則即能夠提供垂直起降的高功率，又能實(shí)現(xiàn)固定翼模態(tài)飛行時的長續(xù)航能力。

因此，很難說鋰電池和氫燃料電池哪個更適用于eVTOL，正如討論何種構(gòu)型更適用于eVTOL一樣，無法避開具體的應(yīng)用場景。

后記

盡管我們需要研究何種能源更適合于eVTOL飛行器，但從本質(zhì)上說，eVTOL機(jī)型性能的提升絕對不能單純依靠能源系統(tǒng)的進(jìn)步，而應(yīng)從飛行器設(shè)計(jì)自身特性出發(fā)，通過改進(jìn)空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、總體布局等環(huán)節(jié)，提升飛行器自身的效率。

我們應(yīng)當(dāng)看到部分廠商固守多旋翼布局，寄希望于短期內(nèi)找到僅需要20分鐘續(xù)航時間的應(yīng)用場景，長期內(nèi)電池技術(shù)飛速發(fā)展；也應(yīng)當(dāng)看到部分廠商的創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠在當(dāng)前的電池技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)60分鐘以上的續(xù)航時間。

事實(shí)上，設(shè)計(jì)水平導(dǎo)致的續(xù)航時間/里程的差別，在短期內(nèi)不會被電池技術(shù)的提升所掩蓋，相反，好的設(shè)計(jì)更能發(fā)揮出未來電池的潛力。