钜大LARGE | 点击量：1643次 | 2021年04月22日
锂电池与燃料电池哪种更适用于eVTOL?
过去的十几年间，锂电池技术快速发展，其高倍率放电能力支持了eVTOL飞行器成为现实，然而，尽管eVTOL概念机和“产品”如雨后春笋般在世界各地出现，电池技术仍然是业界公认的影响eVTOL产品走向成熟的最大障碍。
锂电池使eVTOL载人飞行成为现实
而对于燃料电池，尽管已经出现了半个世纪，并且经历了几个快速发展期，但也仅在近几年才成规模地用于地面车辆，由于氢气的能量密度极高，氢燃料电池经常被认为是锂电池在电动汽车和电动飞机应用中的重要竞争者。
Alaka'iTechnologies公司的氢燃料电池eVTOL概念机，外观设计非常漂亮，但不合理，可以预见，这款机型会烂尾.
在UAM行业研究中，有必要对锂电池和氢燃料电池在eVTOL飞行器上的应用前景作专题研究。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
主要优缺点：
我们可以先看一下常规锂电池系统和燃料电池系统的组成，这将有助于阐明二者的优缺点。
当前阶段汽车和飞机所采用的锂电池系统通常由电池模组、热管理系统、电池管理系统、结构系统和电气系统等部分组成。
典型锂电池系统的组成
其中：
1、电池模组是锂电池系统的核心，通常由一系列软包或圆柱形电芯、周边线路、单体管理单元组成；
2、热管理系统用于使电池系统工作在适当的温度区间；
3、电池管理系统用于检测和管理电池系统的主要参数状态、健康状态、充放电等；
4、结构系统用于提供坚固密闭的结构外壳，保证电池系统安全；
5、电气系统指的是电池系统内部线束、保险元件等。
从本质上来说，燃料电池并不是传统意义上的电池，而更像是一座发电站，典型的氢燃料电池系统包括电堆、升压斩波电路、缓冲电池、氢气供给和循环系统、热管理系统、控制系统、储氢罐等。
其中：
1、电堆是燃料电池的核心系统，对于常见的质子交换膜燃料电池，电堆由双极板和膜电极组成，质子交换膜就是膜电极的核心部分。氢气和氧气就是在电堆中发生化学反应而产生电能；
2、升压斩波电路用于稳定燃料电池的输出电压；
3、缓冲电池用于增强燃料电池系统的动态输出特性，以及启动过程中的电能供应；
4、氢气供给和循环系统由多个阀、管路和泵构成，用于为电堆供应所需数量的氢气，以及将管路中的低压氢气收集利用；
5、热管理系统用于使电堆工作在合适的温度区间内；
6、控制系统用于燃料电池工作状态的控制。
基于原理和构成方面的区别，我们可以对二者的优缺点，以及在eVTOL飞行器上的适用性进行总结：
锂电池氢燃料电池对比
综合成本：综合成本包括购买成本和使用成本，实际购买成本除了下表所列的主要部件（锂电池电芯和氢燃料电池电堆）之外，锂电池系统的其他部件也比氢燃料电池的其他部件要成熟和廉价。如果考虑到锂电池价格还会持续降低，则氢燃料电池综合成本在较长的时期内都会高于锂电池。
能源利用效率：下图显示了锂电池和氢燃料电池能量损耗的环节和综合利用率，可见，在当前的技术条件下，锂电池对电能的利用率要比氢燃料电池高出很多。但随着制氢、储氢技术的不断提升，氢燃料电池的能量利用率也会有一定程度的提升。
锂电池和氢燃料电池的能量利用率
充电/加氢时间：由于当前阶段的加氢站普及程度远比不上充电桩，因此加氢时间短的优势难以体现，但锂电池的低充电速度是eVTOL的运行时长重要限制因素。
寿命：氢燃料电池寿命通常可以达到5000-10000小时，与车用锂电池寿命相比还较短，但用于eVTOL的锂电池放电倍率通常超过2C，换算下来，1000次的充放电寿命仅相当于500小时左右，因此氢燃料电池的寿命在eVTOL应用上反倒成为优势。
安全性：锂电池的安全性问题在于过充、过放、过流、过温等条件下的起火风险，因此需要热管理系统、电池管理系统、密封外壳等措施进行避免；氢燃料电池的安全性问题在于氢气泄漏后极易爆炸，因此需要在储氢供氢环节尽量避免泄漏。
工作温度：锂电池高效安全的工作温度范围通常为0-40℃，氢燃料电池在启动后即可依靠自身发热维持电堆的高效工作温度（约60-80℃），二者都需要热管理系统进行温度控制。
启动速度：锂电池电芯的启动速度是毫秒级的，考虑到电池管理系统的启动速度，通常可以在5s以内达到全功率运行的条件；而氢燃料电池需要至少30s的启动时间才能稳定运行，进一步需要更长的时间达到全功率运行状态。因此氢燃料电池在实际应用中通常会并联一套锂电池或镍氢电池，用于氢燃料电池的启动，以及启动完毕之前的对外供能。但氢燃料电池应用于eVTOL飞行器时，其启动过程中可以同时进行整机飞前检查时间，因此60s以内的完全启动时间不会对eVTOL飞行器造成大的障碍。
能量密度：高能量密度的电池系统有助于eVTOL的长续航，但锂电池和氢燃料电池的能量密度无法直接比较，对于固定型号的锂电池电芯，能量密度是相对固定的，而氢燃料电池的能量完全存储在氢气中，因此，氢气储量占燃料电池系统的比例就直接影响能量密度。当前阶段，氢气的能量密度约为锂电池能量密度的200倍，以储氢罐储氢密度5%计算，则储氢罐能量密度约为锂电池的10倍。因此，储氢罐在电池系统中的质量占比越大，氢燃料电池的能量密度越明显。
功率密度：功率密度也是电池系统的关键参数，特别是在eVTOL应用中，对功率的需求非常大，高功率密度的电池系统有助于降低起飞重量。当前阶段，功率型锂电池的额定功率密度可以超过2kw/kg，能量型锂电池的额定功率密度不超过1kw/kg；氢燃料电池系统（加储氢罐）的功率密度通常不超过0.5kw/kg。
输出压降：锂电池开路电压和额定功率电压相差不超过20%，而氢燃料电池的该指标可以达到50%，因此氢燃料电池通常会搭配升压电路来维持额定电压。
氢燃料电池输出电流增加时，压降非常明显
动态响应速度：锂电池的功率变化可以在极短时间内完成，而氢燃料电池的原理导致其输出功率无法快速变化，因此氢燃料电池通常会搭配锂电池或镍氢电池工作，用于启动和提供快速变化的功率输出。
未来用于eVTOL的前景
从前文锂电池和氢燃料电池的对比，可以发现锂电池在eVTOL应用中的优势在于功率密度、动态响应特性、综合成本等方面占优，而氢燃料电池在能量密度、加氢时间和寿命等方面优势明显。当然，前文的对比均以当前技术条件为基准进行的，而二者都处于高速发展阶段，考虑面向未来的eVTOL应用时，应当识别出5-10年内可能的进展，以及难以突破的技术环节。
对于锂电池，虽然多种新型电池技术的研究一直在进行，近年来锂电池产品的能量密度增幅均在每年5-10%，且这种速度会持续多年，例如，“中国制造2025”规划也将锂电池能量密度目标定为2025年400wh/kg，2030年500wh/kg，因此锂电池最大的短板在未来将会是一个持续缓慢改善的过程；充电速度方面，石墨烯负极等技术也已经有所突破，因此锂电池充电速度也将是持续改进的过程，但距离5分钟的加油、加氢时间还有非常遥远的距离；锂电池共工作温度范围窄的问题则在短期内看不到解决的希望。
基于以上判断，锂电池在未来的不断发展过程中，将越来越适合于eVTOL应用，特别是2030年后，以锂电池为动力的eVTOL飞行器续航里程将具有实用价值。
对于氢燃料电池，其功率密度可以通过新型催化剂、立体流道双极板等技术予以改进，参考燃料电池发展历程，功率密度的提升将会是缓慢的过程；除此之外，动态响应特性、储氢罐储氢密度、输出压降、启动速度等特性则难以在短期内有所改善。
基于以上判断，氢燃料电池在未来不断发展过程中，更适合于低功率长时间运行的飞行阶段，例如，通过与锂电池或超级电容组成混合动力系统，应用于倾转旋翼机型，则即能够提供垂直起降的高功率，又能实现固定翼模态飞行时的长续航能力。
因此，很难说锂电池和氢燃料电池哪个更适用于eVTOL，正如讨论何种构型更适用于eVTOL一样，无法避开具体的应用场景。
后记
尽管我们需要研究何种能源更适合于eVTOL飞行器，但从本质上说，eVTOL机型性能的提升绝对不能单纯依靠能源系统的进步，而应从飞行器设计自身特性出发，通过改进空气动力学设计、轻量化设计、总体布局等环节，提升飞行器自身的效率。
我们应当看到部分厂商固守多旋翼布局，寄希望于短期内找到仅需要20分钟续航时间的应用场景，长期内电池技术飞速发展；也应当看到部分厂商的创新构型设计已经能够在当前的电池技术条件下，实现60分钟以上的续航时间。
事实上，设计水平导致的续航时间/里程的差别，在短期内不会被电池技术的提升所掩盖，相反，好的设计更能发挥出未来电池的潜力。
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