PNAS:万亿级市场的电动飞机比电动车/燃油车更经济?

PNAS:万亿级市场的电动飞机比电动车/燃油车更经济?

近年来,城市空中交通(urban air mobility, UAM)已经成为一个可以改变城市交通的平台。其中,UAM的实行又取决于电动垂直起降(EVTOL)飞机的发展,这些飞机使用的是没有跑道的垂直起降场(类似于直升机停机坪),这使得它们特别适合于城市环境。可充电电池的发展使一些UAM飞机设计的航程可达300英里,有效载荷相当于7名乘客。目前,航程可达300英里的飞机已被设计用于各种应用,包括载客和货物运输,以及通过直升机或小型飞机提供的安全和紧急服务。根据设计和使用情况,新型UAM飞机的耗电量在130 Wh/乘客-英里和1,200 Wh/乘客-英里之间,而地面电动汽车和内燃机汽车的预期耗电量分别超过220 Wh/乘客-英里和1,000 Wh/乘客-英里。EVTOL飞机的点对点机动性也比地面交通工具快两到六倍,因此UAM正在逐渐取代地面交通工具的服务。


【成果简介】

近日,美国卡耐基梅隆大学Venkatasubramanian Viswanathan和Shashank Sripad(共同通讯作者) 研究发现基于比功率和能量,一些使用现有锂离子电池的UAM飞机设计存在技术可行性,但其充放电性能和寿命性能仍存在不确定性,需进一步探究。本文中,作者选择了五架代表不同EVTOL飞机设计空间的EVTOL飞机(Lilium JetBeta Alia-250Archer MakerJoby 5-seaterKH Heaviside)进行研究,并结合开发的EVTOL功耗模型,对这些飞机进行分析。相关研究成果以“The promise of energy-efficient battery-powered urban aircraft”为题发表在PNAS上。


【核心内容】

图1描述了五架飞机与陆行电动汽车(EV)内燃机汽车(ICEV)的能耗对比。通过假设电动汽车和混合动力汽车在行驶过程中有一个固定的占空比,在单次、最大和预期占用情况下对其进行研究。在中位入座情况下,所有五架飞机在设计航程上的效率都高于ICEV(1,000 Wh/乘客-英里)。在满员和设计距离内,所有飞机均表现为更高效或与满员ICEV(420 Wh/旅客-英里)相当。在20英里以上,无论ICEV的占用率如何,KH Heaviside总是表现为比ICEV更高效。


作者在将EV与5架飞机的效率进行比较后,发现单座的KH Heaviside在航程大于20英里时比单座的EV更高效,在巡航35英里后也表现为比EV更高效。另一方面,Joby 5-seater、Beta Alia-250和Lilium Jet在其设计的飞行距离内的能耗分别为156、161和218 Wh/旅客-英里,均低于EV的223 Wh/旅客-英里。这对EVTOL飞机来说是一个重要的能源效率里程碑,突出了通过固定翼巡航来实现巨大效率收益的可能。

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图1. 不同EVTOL飞机和车辆的能源效率。所有EVTOL飞机在150英里/小时(比同等陆行车辆快6倍)的巡航速度下的能量消耗估计。随着航行距离的增加,能耗降低。在飞行距离超过70英里或更低的情况下,满员EVTOL的能量效率与满员ICEV相当或更高,而100英里后EVTOL的能量消耗与EV(223 Wh/旅客-英里)相当或更低。


如前所述,影响现代EVTOL飞机发展的一个关键因素是电池组。在过去十年里,锂离子电池和相关电池化学物质的性能和成本都取得了巨大的进步。然而,早期关于EVTOL飞机的研究包括对电池的比能量假设没有考虑到比功率的影响,因此忽略了飞机设计参数和电池需求之间的相互作用。考虑到现代飞机中存在的先进热管理系统,一些EVTOL制造商提出了设计与其他机载系统集成的电池封装和管理系统的方法,以此来提高电池组级的比能量。其中,电动飞机的最大起飞载荷(MTOM)大致可分为三部分:1)有效载荷,2)电池重量,3)空重(指飞机结构、机身、推进系统和其他机载系统的重量)。在本文中作者探索了电池组比能量和比(放电)功率需求,这是由5架EVTOL飞机的航程和起飞/着陆功率需求所定义的(图2)。图2揭示了三类基于技术成熟度和可商业化的电池组技术,以及学术文献中唯一报道的为EVTOL应用设计的电池。


研究表明,越长的飞行距离需要的电池组越大,这就要求Beta Alia-250等飞机具备更高的比能量。而像Archer Maker这样的低航程飞机需要的比能量要低得多,这样的设计对于目前的锂离子电池来说是可行的。电池组故障等因素对比能量和功率需求的强烈影响表明,规定在确定EVTOL飞机的技术可行性方面可以发挥重要作用。本文强调了比功率作为EVTOL关键性能指标的重要性,它决定了EVTOL能否安全起飞和降落。通过对图2的总体分析,作者提出改进现有的锂离子电池,同时对充电和寿命性能进一步研究,一些EVTOL设计有望达到所需的能源效率。

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图2. 假定电池为30min储备量时的巡航速度。纵坐标误差条为一半电池组失效时的着陆功率要求。已经开发出来的电池组表示为灰色钻石的标签。“Current Li-ion”代表已大规模生产的电池;“Novel/prototype Li-ion”代表最近在发展的高性能电池组设计; “Advanced”代表尚未商业化的初期新电池组设计。标记为Exp的灰色方框为文献中唯一报道的实验性EVTOL电池,由Yang等人报道。


【结论展望】

综上所述,作者在本文中讨论了两个主要细节:1)EVTOL与陆行车辆的能源效率对比; 2)EVTOL的电池需求与当前电池技术环境的比较。相比陆行车辆,EVTOL飞机有望在更快的航行速度的同时实现更高的能量效率,这将对城市交通的可持续性有着巨大的影响。


Shashank Sripads*, Venkatasubramanian Viswanathan*, The promise of energy-efficient battery-powered urban aircraft, PNAS, 2021, DOI:10.1039/D0EE03659E


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参考文献: