航空专用电池-1
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了 BOLDair 高压电池系统，该系统是专门为满足电动和混合动力飞机驱动应用的独特要求而设计的。BOLDair 采用了先进的复合材料和施工技术，实现了高性能的电能存储。其完全复合的结构具有多种功能，包括电池压缩、电气隔离、EMC 屏蔽和热管理、振动抑制和热失控传播保护。
BOLDair 的复合材料外壳、压缩结构 和热失控管理实现了高性能的电能存储。
BOLDair 是一种专门的解决方案，可满足飞机中使用的电力和混合动力推进系统的不同储能需求。 它的机身完全由复合材料制成，重量仅为 52 公斤。 因此，就重量性能而言，它被认为是市场上性能最 高的电池之一。
在寻求通过减排实现可持续航空的过程中， 开发 电动和混合动力推进系统已成为一个很有前途的解决 方案。在这种背景下， 高性能电池行业的杰出参与者 Bold Valuative Technology（西班牙巴塞罗那） 开发了 一 种名为 BOLDair 的高压电池系统， 专门为满足电动和混合动力飞机驱动应用的独特要求而设计。它的最大 电能存储容量为 14.8 千瓦时，标称电压为 672 伏，被 设计为传统电动起降（eCTOL）、无人机和其他非调 节飞机的可靠高效电能存储，使其能够安全无排放地 运行。
上图展示了传统电动起降（eCTOL）、无人 机（UAV）和其他非管制飞机中储能系统的 可能位置。这些存储系统被设计为有效地存 储能量，并且可以集成到这些类型的飞机中 以增强性能。来源|大胆有价值的技术。
BOLDair 电池的重量只有 52 公斤，比能量为每公 斤 285 瓦时。这种性能是通过使用先进的复合材料和施 工技术而实现的。电池外壳的核心是压缩成型的双层碳纤维增强聚合物（CFRP）单体外壳，提供了坚实的框架。 为了确保电池正常运行和热管理，采用了嵌入金属热桥 的 CFRP 电池压缩结构。此外， 玻璃纤维增强聚合物 （GFRP）面板用于电气隔离。总的来说，这些复合材料 结构表现出非凡的热失控传播鲁棒性，这是航空应用的 一个基本特征。
蓄电池系统设计概述
BOLDair 利用了 Bold Valuate Technology 创始人丰 富的复合材料工程专业知识，他们最初开始在开发高性 能赛车的电池系统方面磨练自己的技能，特别关注一级 方程式混合动力系统的储电系统。
这里展示的是 BOLDair 电池系统的 CAD 渲染图， 其中详细介绍了蓝色、酒红色和灰色 色调的全复 合结构中的独特组件。值得一提的是，位于盖子 上的脊之间的灰色条带表示压缩结构。结合这些 结构以增强电池系统的稳定性和耐久性。
Bold Valuate Technology 电气化项目经理奥斯卡 · 克雷 斯波（ Oscar Crespo） 表示：“ 对 BOLDair 的技术要求具 有挑战性， 需要卓越的重量效率、广阔的操作窗口和 卓越的安全功能。 ” 。“ 这些要求使先进的复合材料 成为 BOLDair 建筑的理想解决方案。 ”
因此，BOLDair 拥有一种完全复合的结构， 具有 多种功能， 包括电池压缩、电气隔离、 EMC 屏蔽和热 管理、振动抑制和热失控传播保护。复合材料在BOLDair 设计中的应用展示了其在高性能环境中的多 功能性和适应性，并展示了此类复合材料应用中未来 技术进步的潜力。
蓄电池
图为 BOLDair 电池系统的原型模型，旨在提供 可靠、高性能的储能解决方案。
电池选择是 BOLDair 电池系统开发的起点， 该系 统采用具有硅和石墨阳极存储化学物质的锂离子电
池，采用高能量密度袋电池形式。通过添加硅掺杂， 系统的容量进一步增强，从而获得更高的充电容量和 更长的电池寿命。
克雷斯波强调： “ 袋式电池是扁平轻便的，由多层 绝缘金属层压板组成， 提供了高电池组能量密度。 ” 。 “ 这意味着电池可以在更小的空间内储存更多的电力， 非常适合用于飞机储能系统。 ”
袋式电池以其高能量密度而闻名， 按体积计， 其 最终产品利用率高达 80%，显著高于圆柱形电池的典 型效率， 圆柱形电池的效率在 70-75%之间。这种高能 量密度导致高重量性能特性和更高的能量转换效率。
电池管理结构
袋状电池的最佳功能、安全性和耐久性在很大程 度上取决于保持活性材料的完整性。袋状电池包含浸 入电解质中的阳极、阴极和多孔聚合物隔膜。袋装电 池没有刚性外壳，容易受到机械应力的影响， 这可能 导致内部短路、退化、电解质泄漏或热失控。此外， 电池在运行过程中因气体产生或热膨胀而膨胀的趋势对层压板密封构成了重大威胁， 增加了暴露于外部污 染物的风险。
BOLDair 结合了由 CFRP 制成的复合材料压缩结 构，以在充电和放电循环过程中控制袋状电池的膨胀。该结构设计用于在工作压力下均匀压缩电池区域，减轻局部应力并管理热条件， 确保电池的峰值性 能。
设计结果
先进的复合材料使电池组的比能量达到每公斤 285 瓦时。
通过实施设计用于支撑袋单元的压缩结构， 减轻 了袋单元对机械应力的脆弱性。
外壳材料的选择和设计能够实现热失控耐久性， 确保电池完好无损并连接到飞机框架上。
碳纤维以其高拉伸强度而闻名， 每根纤维的应变 至失效约为 15%。然而，当在层压板中实施时，这种 应变可以降至 1.5%。加载过程中剪切应力引起的层间 剪切失稳是复合材料结构失效的主要原因。
克雷斯波指出： “ 设计具有特定应变特性的层压板 以补偿剪切不稳定性， 对于开发在压缩条件下运行良 好的复合材料结构至关重要。 ” 。 “BOLDair 的单元压 缩结构通过调整纤维配置和基体性能来抵消剪切，从 而提高复合材料的强度并防止失效，从而有效地解决了这一问题。 ”
值得注意的是，有效的热管理对于减缓电池内热 点的形成以及抑制细胞老化和失效至关重要。 BOLDair 使用由铝散热片制成的导电热桥， 该散热片构建在复 合压缩结构内部，与袋状电池的最热部分接触，并将热量从芯体向外排出， 在那里热量可以消散到安装在 高压区域上方的冷却盖中，并被动地提取到周围环境中。
克雷斯波指出： “碳纤维是压缩结构中使用的增强 材料，由于其石墨晶体结构而具有导电性。 ” 。“ 因此，BOLDair 系统通过实施由低克数 GFRP 复合材料 层和介电涂层制成的电绝缘结构， 防止单元和 CFRP 结构之间的任何电流短路，从而使单元内的安装与周 围的 CFRP 压缩结构分离。 GFRP 结构不仅提供隔离， 还提供额外的结构加固。 ”
BOLDair 外壳结构
双层 CFRP 单体结构包含电池、 GFRP 隔离和CFRP 压缩部件，用作电池的保护装置。外壳的 CFRP 结构使用了斜纹编织图案预浸料。这种特殊的编织物 在生产过程中表现出非凡的悬垂性，在应用过程中也 表现出显著的剪切强度，非常适合生产复杂的形状。
此 CAD 渲染展示了顶部面板肋，通过阻止振动能 量并确保高阻尼比，减少共振损伤并优化负载弹性。
准各向同性叠层结构在所有方向上均匀分布刚度 特性，确保在重量减轻和热性能和结构性能之间达到 最佳平衡。这种叠层结构在受到来自多个方向的载荷 条件时特别有益，因为它有助于在整个层压板上均匀 分布应变， 减少可能导致疲劳和故障的应力集中的可 能性。 克雷斯波强调，“外部载荷将通过安装点从车辆 转移到电池，因此这种叠层结构适合将载荷均匀地分 布在整个外壳上。”
单体外壳还具有专门的支撑和密封功能，用于电 气连接的连接端口， 在保持外壳完整性的同时实现必 要的功能。双层外壳 CFRP 顶板完成了 BOLDair 系统 的外部外壳。顶板内精心设计的肋条提高了刚度重量 比，增加了固有频率， 显著降低了共振损坏的风险。顶板的肋条定位和尺寸设计用于阻止振动能量的传 播，确保高阻尼比并优化结构的负载弹性。
此外，肋的截面形状设计允许在更广泛的表面积 上进行散热。“肋的截面形状设计是通过有限元分析确 定的，考虑了机械性能标准，其中考虑了电池内部压 力超过其设计极限的‘超压’情况，以及在模拟负载 条件下最小化重量，” 克雷斯波指出。
