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eVTOL電池熱管理：平板熱管+沖壓空氣的被動冷卻系統(tǒng)
電動垂直起降飛行器（eVTOL）作為低以其靜音、高效、靈活的特性，為解決城市交通擁堵提供全新可能。然而，與電動汽車相比，eVTOL的飛行場景更為極端：垂直起降階段放電率高達4-6C（遠超電動汽車的0.1-1C），且對設備的輕量化、小型化要求更嚴苛。傳統(tǒng)電動汽車的液冷或風冷系統(tǒng)要么重量過大，要么散熱效率不足，無法直接適配eVTOL的“高壓”工況。針對這一難題，南京航空航天大學團隊提出了一種被動式電池熱管理系統(tǒng)，通過“平板熱管+沖壓空氣”的組合設計，實現(xiàn)高效散熱與輕量化的平衡。
散熱系統(tǒng)介紹
散熱系統(tǒng)利用飛行器的氣流特性，在側(cè)面及底部設置沖壓空氣進氣口，飛行時氣流以一定速度自然流入冷卻通道，無需額外動力裝置即可形成高效對流散熱。電池組配合機身結(jié)構(gòu)集成的平板熱管組件，工作時通過“蒸發(fā)-冷凝”循環(huán)實現(xiàn)熱量快速傳遞：電池產(chǎn)熱使熱管蒸發(fā)區(qū)（與電池接觸側(cè)）工質(zhì)吸熱汽化，蒸汽在壓力差驅(qū)動下流向冷凝區(qū)（與翅片接觸側(cè)），遇冷釋放潛熱并液化，液態(tài)工質(zhì)通過吸液芯毛細力回流蒸發(fā)區(qū)，形成自持循環(huán)，橫向熱導率可達3000 W/(m·K)，可有效降低電池模塊溫度梯度，提升散熱效率。
結(jié)果分析
"平板熱管+沖壓空氣”的散熱方案在實驗與仿真中表現(xiàn)出優(yōu)異性能：在20°C環(huán)境、20 kg/h沖壓空氣流量下，可將18個NCM811電池（61.5Ah）模塊的最高溫度控制在38.46°C，溫差僅3.85°C，散熱功率達250.2 W；在40°C高溫環(huán)境中，通過120 kg/h進氣流量仍能滿足電池安全溫度要求。與傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)相比，該無動力散熱方案重量降低40%以上，空間占用率僅為0.0155（液冷系統(tǒng)通常>0.03），且省去泵與管路等動力部件，能耗降低至零，綜合適配eVTOL對輕量化、低功耗及高可靠性的多重需求。小編認為，基于重量考慮，eVTOL飛行器配備輕量化且高效水冷散熱系統(tǒng)難度極大。風冷散熱技術是目前eVTOL電池散熱系統(tǒng)的主要開發(fā)方向，但風冷散熱的溫度均勻性較差，效果不佳，通過平板熱管與沖壓空氣耦合的無動力散熱系統(tǒng)，通過“二維相變傳熱+飛行氣流天然對流”的設計，有機會實現(xiàn)eVTOL電池散熱的輕量化、低功耗并解決散熱均勻性問題。當然，在飛行過程中，空氣的流動速度與試驗數(shù)據(jù)相比會大打折扣，如何提高飛行過程中的進氣流量進而優(yōu)化散熱效率依然是巨大的挑戰(zhàn)。
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