BOLDair的復合材料外殼、壓縮結構和熱失控管理實現了高性能的電能存儲。

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BOLDair是一種專門的解決方案，可滿足飛機中使用的電力和混合動力推進系統的不同儲能需求。它的機身完全由復合材料制成，重量僅為52公斤。因此，就重量性能而言，它被認為是市場上性能最高的電池之一。

在尋求通過減排實現可持續航空的過程中，開發電動和混合動力推進系統已成為一個很有前途的解決方案。在這種背景下，高性能電池行業的杰出參與者Bold Valuative Technology（西班牙巴塞羅那）開發了一種名為BOLDair的高壓電池系統，專門為滿足電動和混合動力飛機驅動應用的獨特要求而設計。它的最大電能存儲容量為14.8千瓦時，標稱電壓為672伏，被設計為傳統電動起降（eCTOL）、無人機和其他非調節飛機的可靠高效電能存儲，使其能夠安全無排放地運行。

上圖展示了傳統電動起降（eCTOL）、無人機（UAV）和其他非管制飛機中儲能系統的

可能位置。這些存儲系統被設計為有效地存儲能量，并且可以集成到這些類型的飛機中

以增強性能。來源|大膽有價值的技術。

BOLDair電池的重量只有52公斤，比能量為每公斤285瓦時。這種性能是通過使用先進的復合材料和施工技術而實現的。電池外殼的核心是壓縮成型的雙層碳纖維增強聚合物（CFRP）單體外殼，提供了堅實的框架。為了確保電池正常運行和熱管理，采用了嵌入金屬熱橋的CFRP電池壓縮結構。此外，玻璃纖維增強聚合物（GFRP）面板用于電氣隔離?？偟膩碚f，這些復合材料結構表現出非凡的熱失控傳播魯棒性，這是航空應用的一個基本特征。

蓄電池系統設計概述

BOLDair利用了Bold Valuate Technology創始人豐富的復合材料工程專業知識，他們最初開始在開發高性能賽車的電池系統方面磨練自己的技能，特別關注一級方程式混合動力系統的儲電系統。

這里展示的是BOLDair電池系統的CAD渲染圖，其中詳細介紹了藍色、酒紅色和灰色色調的全復合結構中的獨特組件。值得一提的是，位于蓋子上的脊之間的灰色條帶表示壓縮結構。結合這些結構以增強電池系統的穩定性和耐久性。

Bold Valuate Technology電氣化項目經理奧斯卡·克雷斯波（Oscar Crespo）表示：“對BOLDair的技術要求具有挑戰性，需要卓越的重量效率、廣闊的操作窗口和卓越的安全功能。”。“這些要求使先進的復合材料成為BOLDair建筑的理想解決方案。”

因此，BOLDair擁有一種完全復合的結構，具有多種功能，包括電池壓縮、電氣隔離、EMC屏蔽和熱管理、振動抑制和熱失控傳播保護。復合材料在BOLDair設計中的應用展示了其在高性能環境中的多功能性和適應性，并展示了此類復合材料應用中未來技術進步的潛力。

蓄電池

圖為BOLDair電池系統的原型模型，旨在提供可靠、高性能的儲能解決方案。

電池選擇是BOLDair電池系統開發的起點，該系統采用具有硅和石墨陽極存儲化學物質的鋰離子電池，采用高能量密度袋電池形式。通過添加硅摻雜，系統的容量進一步增強，從而獲得更高的充電容量和更長的電池壽命。

克雷斯波強調：“袋式電池是扁平輕便的，由多層絕緣金屬層壓板組成，提供了高電池組能量密度。”。“這意味著電池可以在更小的空間內儲存更多的電力，非常適合用于飛機儲能系統。”

袋式電池以其高能量密度而聞名，按體積計，其最終產品利用率高達80%，顯著高于圓柱形電池的典型效率，圓柱形電池的效率在70-75%之間。這種高能量密度導致高重量性能特性和更高的能量轉換效率。

電池管理結構

袋狀電池的最佳功能、安全性和耐久性在很大程度上取決于保持活性材料的完整性。袋狀電池包含浸入電解質中的陽極、陰極和多孔聚合物隔膜。袋裝電池沒有剛性外殼，容易受到機械應力的影響，這可能導致內部短路、退化、電解質泄漏或熱失控。此外，電池在運行過程中因氣體產生或熱膨脹而膨脹的趨勢對層壓板密封構成了重大威脅，增加了暴露于外部污染物的風險。

BOLDair結合了由CFRP制成的復合材料壓縮結構，以在充電和放電循環過程中控制袋狀電池的膨脹。該結構設計用于在工作壓力下均勻壓縮電池區域，減輕局部應力并管理熱條件，確保電池的峰值性能。

設計結果

先進的復合材料使電池組的比能量達到每公斤285瓦時。

通過實施設計用于支撐袋單元的壓縮結構，減輕了袋單元對機械應力的脆弱性。

外殼材料的選擇和設計能夠實現熱失控耐久性，確保電池完好無損并連接到飛機框架上。

碳纖維以其高拉伸強度而聞名，每根纖維的應變至失效約為15%。然而，當在層壓板中實施時，這種應變可以降至1.5%。加載過程中剪切應力引起的層間剪切失穩是復合材料結構失效的主要原因。

克雷斯波指出：“設計具有特定應變特性的層壓板以補償剪切不穩定性，對于開發在壓縮條件下運行良好的復合材料結構至關重要。”。“BOLDair的單元壓縮結構通過調整纖維配置和基體性能來抵消剪切，從而提高復合材料的強度并防止失效，從而有效地解決了這一問題。”

值得注意的是，有效的熱管理對于減緩電池內熱點的形成以及抑制細胞老化和失效至關重要。BOLDair使用由鋁散熱片制成的導電熱橋，該散熱片構建在復合壓縮結構內部，與袋狀電池的最熱部分接觸，并將熱量從芯體向外排出，在那里熱量可以消散到安裝在高壓區域上方的冷卻蓋中，并被動地提取到周圍環境中。

克雷斯波指出：“碳纖維是壓縮結構中使用的增強材料，由于其石墨晶體結構而具有導電性。”。“因此，BOLDair系統通過實施由低克數GFRP復合材料層和介電涂層制成的電絕緣結構，防止單元和CFRP結構之間的任何電流短路，從而使單元內的安裝與周圍的CFRP壓縮結構分離。GFRP結構不僅提供隔離，還提供額外的結構加固。”

BOLDair外殼結構

雙層CFRP單體結構包含電池、GFRP隔離和CFRP壓縮部件，用作電池的保護裝置。外殼的CFRP結構使用了斜紋編織圖案預浸料。這種特殊的編織物在生產過程中表現出非凡的懸垂性，在應用過程中也表現出顯著的剪切強度，非常適合生產復雜的形狀。

此CAD渲染展示了頂部面板肋，通過阻止振動能量并確保高阻尼比，減少共振損傷并優化負載彈性。

準各向同性疊層結構在所有方向上均勻分布剛度特性，確保在重量減輕和熱性能和結構性能之間達到最佳平衡。這種疊層結構在受到來自多個方向的載荷條件時特別有益，因為它有助于在整個層壓板上均勻分布應變，減少可能導致疲勞和故障的應力集中的可能性。克雷斯波強調，“外部載荷將通過安裝點從車輛轉移到電池，因此這種疊層結構適合將載荷均勻地分布在整個外殼上。”

單體外殼還具有專門的支撐和密封功能，用于電氣連接的連接端口，在保持外殼完整性的同時實現必要的功能。雙層外殼CFRP頂板完成了BOLDair系統的外部外殼。頂板內精心設計的肋條提高了剛度重量比，增加了固有頻率，顯著降低了共振損壞的風險。頂板的肋條定位和尺寸設計用于阻止振動能量的傳播，確保高阻尼比并優化結構的負載彈性。

此外，肋的截面形狀設計允許在更廣泛的表面積上進行散熱。“肋的截面形狀設計是通過有限元分析確定的，考慮了機械性能標準，其中考慮了電池內部壓力超過其設計極限的‘超壓’情況，以及在模擬負載條件下最小化重量，”克雷斯波指出。

核心材料

CAD渲染顯示了BOLDair電池外殼內的單體結構，該結構由高強度聚合物泡沫芯材支撐的內層和外層組成。

BOLDair電池外殼中的單體結構由高強度聚合物泡沫芯材支撐的內外蒙皮組成。該核心在促進兩個表皮之間的交互方面發揮著至關重要的作用，并提供了額外的功能。克雷斯波評論道：“特定應用中泡沫的選擇在很大程度上受到比強度需求的影響；它需要高壓縮強度和低密度，以增加CFRP表皮之間橫截面的慣性矩，而重量損失最小。”。“此外，確保所選泡沫材料能夠在相對較高的溫度下工作也是至關重要的。”

BOLDair的內部復合材料壓縮和隔熱結構采用手工疊層和熱壓罐固化制造。壓縮成型技術用于構建雙層單體外殼和蓋子，從而實現精確的尺寸精度和強度。外殼和頂板部件是通過手動將芯材放置在它們各自的壓縮模具中的預浸料層之間而形成的。

復合材料嵌入件嵌入整個芯體，并與表皮接口，以在應用緊固件或連接器的位置提供結構加固。插入件設計確保載荷在復合材料結構上更均勻地分布，從而降低應力集中以及由于機械載荷或振動而導致的分層或失效的風險。克雷斯波解釋道：“界面層用于連接插入物和CFRP蒙皮。”。“這些層有助于保持復合材料單體車身的結構完整性和耐用性。”

該CAD模型顯示（粉紅色）復合材料插入件加固核心和與表皮的接口，以提供應用緊固件

或連接器的結構支撐。

克雷斯波強調：“BOLDair結構的每個元件中使用的預浸材料都是由原始纖維材料制成的，層壓板內部有長纖維，可在其工作區域內獲得最佳性能。”。“盡管材料的確切基材成分是專有的，但碳纖維預浸料的固結在預浸料系統的常規固結溫度范圍內。”

熱失控安全殼

BOLDair系統側面安裝了一個先進的3D打印歧管，用于通風和冷卻。

BOLDair電池組的復合壓縮結構和外殼設計用于提供熱失控安全殼，以確保安全可靠的運行。熱失控是一種自發的、高度破壞性的放熱反應，由于其組成材料之間的化學反應，可能在電池內發生。這種反應導致溫度升高，從而導致自加熱，并最終導致電池的機械和電氣故障。

克雷斯波解釋說：“在熱失控的情況下，釋放的能量可能相當可觀。”。“如果氣體排放系統設計不當，這種能量的大小可能相當于爆炸。爆炸過程中產生的火焰會引發爆燃，導致熔融金屬顆粒以高速從電池中排出，導致周圍結構嚴重磨損。”

在標準測試條件下，經歷熱失控的電池的破壞性是任何火焰都無法比擬的。在無法進行熱管理的情況下，選擇能夠有效容納釋放到一個電池的能量的適當材料是防止傳播到電池系統或周圍環境中的更多電池的唯一選擇。

克雷斯波解釋道：“目前，還沒有既定的行業標準來驗證航空驅動應用的電池組級別的電池和電池組。”。“現有的材料合規標準，即阻燃熱塑性塑料的UL 94分類，只是一個基本的可燃性標準，它不足以規定能夠承受熱失控事件的材料，以確保航空動力電池的運行安全。為了解決這個問題，Bold開發了其測試和驗證流程，重點是實現最佳性能和可靠性，同時降低與熱失控傳播相關的風險。”

Bold熱管理系統的初始測試階段包括將傳熱分析與復合結構分析相結合的模擬。目的是研究電池應變、熱管理能力和熱失控發生之間的相互作用。該模型結合了對電池通風和熱傳播的模擬，以隔離復合材料結構的有效配方。

熱管理模擬用于數字測試BOLDair結構的性能。

包含熱失控。“熱失控的鋰金屬電池的溫度范圍通常在1200°C之間? 和2000°C之間，而對于鋰離子電池（如航空電池系統），根據電池類型的不同，溫度通常在600°C到1200°C之間。“分析背包內火焰傳播的路徑和速度以及噴出顆粒的軌跡至關重要。”

Bold的先進復合材料配方經受1000°C的火焰，施加的壓力持續時間比預期的熱失控事件更長。最終驗證測試包括對電池壓縮結構和復合材料外殼中使用的選定復合材料配方進行全尺寸熱失控事件。所選擇的復合材料成功地控制了熱失控，該過程有助于確保所選擇的材料是該航空應用的最佳材料。

克雷斯波說：“Bold正在努力實現一項重大的工程壯舉，創造一種能夠承受高達2000°C的極端溫度的復合材料結構。”。“必須注意的是，沒有任何材料能夠無限期地承受如此高的溫度。然而，Bold采用的測試方法旨在開發能夠有效評估復合材料在電池內承受熱失控事件的適用性的測試方法。”

圖示為熱失控檢查的結果之一。值得注意的是，電池組

件受到了嚴重損壞，而復合材料外殼仍然完好無損。

目前，無論是汽車還是航空航天，都沒有針對熱失控情況下電池結構的既定安全法規，而且由于各種原因，目前的汽車電池測試方法被認為是不充分的。BOLDair的外殼材料選擇和設計實現了熱失控耐久性，確保電池完好無損并連接到飛機框架上。與汽車不同，在熱失控事件中放棄飛機不是一種選擇。Bold的測試能力正在與AS9100質量管理系統一起開發，用于航空航天行業。BOLDair電池組展示了Bold為評估和建立航空電池中使用的復合材料的適當材料設計和測試方法而開發的綜合方法。這種創新方法對于促進制定高壓電池和/或電池組材料的嚴格標準至關重要，目的是確保未來高壓航空驅動電池的安全性和可靠性。

無人機應用測試

BOLDair的技術已經在多個應用程序中成功部署。“飛籃-Flying Basket”（意大利博爾扎諾）是一家專門從事貨物運輸無人機技術的客戶，已在其重型無人機中部署了BOLDair。該公司的成立是為了應對復雜的自然和城市地形帶來的物流挑戰，在這些地形中，傳統的運輸方式往往緩慢而低效。創始人認識到無人機克服這些挑戰的潛力。

通過“飛籃-FlyingBasket”在重型貨運無人機中成功部署BOLDair。

“飛籃”無人機具有先進的導航系統和100公斤的有效載荷能力，適用于廣泛的應用，從農業物資輸送和工業服務到電力線和建筑的電纜架線。“飛籃”面臨的重大技術挑戰之一是開發一種能夠長時間飛行同時攜帶大量有效載荷的無人機。這需要具有高功率部署能力的高能量密度存儲，以提供必要的耐久性、可靠性和安全性。BOLDair電池被證明是成功的，為公司的運輸解決方案做出了貢獻，并展示了無人機在物流轉型方面的潛力。

克雷斯波總結了BOLDair在航空專用電池系統中的復合材料應用：“我們與BOLDair的合作體現了我們致力于突破復合材料技術的界限，實現更安全、更高效的航空解決方案。我們將繼續改進BOLDair，并為各種應用開發定制規范，無論是電池類型和容量，還是冷卻系統和操作優化。該項目不僅展示了我們的技術實力，還展示了我們對可持續發展的執著，推動航空業走向更綠色、更創新的未來。”

 

注：原文見，《 Aviation-specific battery system uses advanced composites to address electric, hybrid flight 》 2024.4.24

楊超凡 2024.4.25