BOLDair 是一种专门解决方案，可满足飞机中使用的电动和混合动力推进系统的独特能量存储需求。它采用全复合材料打造，重量仅为 52 千克，因此在重量性能方面，被认为是市场上表现最出色的电池之一。来源 | Bold Valuable Technology
在寻求通过减少排放实现可持续航空的过程中，电力和混合动力推进系统的开发已成为一种有前景的解决方案。在此背景下，高性能电池行业的知名企业 Bold Valuable Technology（西班牙巴塞罗那）开发了一种名为 BOLDair 的高压电池系统，专为满足电动和混合动力飞机驱动应用的独特要求而设计。该电池系统最大容量为 14.8 千瓦时，额定电压为 672 伏，旨在为电动常规起降飞机（eCTOLs）、无人机和其他非管制飞机提供可靠且高效的电能存储，使它们能够安全、无排放地运行。
电动常规起降飞机（eCTOL）、无人驾驶飞行器（UAV）和其他非管制飞机上可能安装能量存储系统的位置。这些存储系统旨在高效存储能量，并可以集成到这些类型的飞机中以提高性能。来源 | Bold Valuable Technology
BOLDair 电池重量仅为 52 千克，每千克能量密度高达 285 瓦时。这种性能的实现得益于先进的复合材料和制造工艺。电池外壳采用压缩成型的双层碳纤维增强聚合物（CFRP）单体结构，提供坚固的框架。为确保电池单元的正常运行和热管理，采用了嵌入金属热桥的CFRP电池单元压缩结构。此外，还使用了玻璃纤维增强聚合物（GFRP）面板进行电气隔离。这些复合材料结构共同展现出卓越的热失控传播鲁棒性，这是航空应用中的重要特性。
电池系统设计概述
BOLDair 利用了 Bold Valuable Technology 创始人丰富的复合材料工程专业知识，他们最初专注于为高性能赛车开发电池系统，特别是针对 Formula 1 混合动力系统的电气存储系统。
BOLDair 电池系统的 CAD 渲染图，图中以蓝色、酒红色和灰色详细描绘了全复合材料结构中的独特组件。值得一提的是，盖子上的脊线之间的灰色条带表示压缩结构。这些结构的加入旨在增强电池系统的稳定性和耐用性。来源 | Bold Valuable Technology
Bold Valuable Technology 的电气化项目经理 Oscar Crespo 表示：“BOLDair 所面临的技术要求极具挑战性，需要卓越的重量效率、宽泛的操作窗口以及卓越的安全性能。这些要求使得先进的复合材料成为构建 BOLDair 的理想解决方案。”
因此，BOLDair 拥有全复合材料结构，具备多种功能，包括电池单元压缩、电气隔离、电磁兼容（EMC）屏蔽、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它们在高性能环境中的多功能性和适应性，并展示了未来此类复合材料应用中的技术进步的潜力。
电池单元
BOLDair电池系统的原型模型，该模型旨在提供可靠且高性能的储能解决方案。来源 | Bold Valuable Technology
BOLDair电池系统的开发始于电池单元的选择，采用硅和石墨阳极存储化学物质的锂离子电池单元，以高能量密度的软包电池形式呈现。通过添加硅掺杂，系统的容量得到进一步提升，从而实现更高的充电容量和更长的电池寿命。
Crespo 强调说：“这种扁平且轻质的软包电池形式由多层绝缘金属层压板组成，可提供高电池组能量密度，这意味着电池可以在更小的空间内储存更多电能，使其成为飞机能量存储系统的理想选择。”
软包电池以其高能量密度而著称，其最终产品利用率可达到80%，体积利用率显著高于圆柱形电池，后者通常在70%～75%之间。这种高能量密度带来了高重量性能特性和更高的能量转换效率。
电池管理结构
包含阳极、阴极和浸没在电解质中的多孔聚合物隔膜的软包电池，其最佳功能、安全性和耐用性在很大程度上依赖于保持活性材料的完整性。软包电池没有刚性外壳，因此容易受到机械应力的影响，可能导致内部短路、降解、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，对层压密封构成了巨大威胁，增加了暴露于外部污染物的风险。
BOLDair 采用由CFRP制成的复合压缩结构，可控制软包电池在充电和放电循环期间的膨胀。这些结构旨在在工作压力范围内均匀压缩电池区域，减轻局部应力，并管理热条件，确保电池达到峰值性能。
设计成果
先进复合材料使电池组的比能量达到每千克285瓦时。
通过实施旨在支撑软包电池的压缩结构，缓解了软包电池对机械应力的脆弱性。
外壳材料的选择和设计提高了热失控耐受性，确保电池保持完整并附着在飞机框架上。
碳纤维以其高抗拉强度而著称，每根纤维的断裂应变约为15%。然而，当碳纤维用于层压板时，这种应变可能会降低至低至1.5%。加载过程中产生的层间剪切不稳定性是导致复合材料结构失效的主要原因。
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Crespo 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结构至关重要。BOLDair的电池压缩结构通过调整纤维配置和基体属性以抵消剪切力，从而有效地解决了这一问题，进而增强了复合材料的强度并防止了失效。”
值得注意的是，有效的热管理对于减轻电池内部热点的形成以及延缓电池老化和失效至关重要。BOLDair使用由铝制散热片制成的导热热桥，这些散热片构建在复合压缩结构内部，与软包电池最热的部分接触，并将热量从核心引出至外部，然后通过安装在高压区域上方的冷却盖进行散热，最后被动地排放到周围环境中。
Crespo 表示：“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系统通过在低克重GFRP复合材料层以及介电涂层上制作电气绝缘结构，用来防止电池与CFRP结构之间的电流短路，从而使电池安装与周围的CFRP压缩结构保持分离。GFRP结构不仅提供绝缘作用，还提供了额外的结构加固。”
BOLDair外壳结构
双层 CFRP 硬壳结构包含电池单元、GFRP 隔离和 CFRP 压缩组件，为电池单体提供安全保障。外壳的CFRP结构采用了斜纹编织预浸料。这种特殊的编织方式在生产过程中表现出优异的悬垂性，同时在应用过程中具有显著的剪切强度，因此非常适合制造复杂形状。
此CAD渲染图展示了顶部面板的肋条，这些肋条通过阻碍振动能量并确保高阻尼比，减少了共振损坏并优化了负载恢复能力。来源 | Bold Valuable Technology
准各向同性叠层结构在所有方向上均匀分布刚度特性，确保减轻重量与热性能和结构性能之间的优化平衡。这种铺层结构在承受来自多个方向的加载条件时尤为有利，因为它有助于在层压板中均匀分散应变，降低应力集中导致疲劳和失效的可能性。Crespo 强调说：“外部载荷将通过安装点从车辆传递到电池，因此这种铺层结构适合将载荷均匀分布在整个外壳中。”
单体壳外壳还具备用于电气连接的连接端口周围的专用支撑和密封，在保持外壳完整性的同时实现必要的功能。采用双层单体壳CFRP顶面板完成BOLDair系统的外部外壳。顶面板内部经过精心设计的肋条增强了刚度与重量的比例，并提高了固有频率，从而显著降低了共振损坏的风险。顶面板的肋条位置和尺寸经过精心设计，可阻碍振动能量的传播，确保高阻尼比并优化结构的负载恢复能力。
此外，这种带肋设计还允许热量在更广泛的表面积上散失。Crespo 指出：“肋条的设计是通过有限元分析确定的，考虑了机械性能标准，包括电池内部压力超过设计极限的“过压”场景，以及在模拟加载条件下的重量最小化。”
芯材
CAD渲染图展示了BOLDair电池外壳内的单体壳结构，这些结构由内外两层蒙皮组成，并由高强度聚合物泡沫核心材料支撑。来源 | Bold Valuable Technology
BOLDair电池外壳的单体壳结构由内外两层蒙皮组成，这些蒙皮由高强度聚合物泡沫核心材料支撑。它在促进两层蒙皮之间的相互作用方面发挥着至关重要的作用，并提供了额外的功能。Crespo说：“针对给定应用的泡沫选择很大程度上取决于特定强度的需求；它需要高抗压强度和低密度，以增加 CFRP 蒙皮之间横截面积的惯性矩，同时将重量损失降至最低。此外，确保所选泡沫材料能够在相对较高的温度下运行也至关重要。”
复合材料嵌件嵌入整个核心并与蒙皮相连，以在紧固件或连接器应用点提供结构加固。嵌件设计确保了负载在复合材料结构上分布更加均匀，减少了应力集中以及因机械加载或振动而导致的分层或失效风险。Crespo解释说：“使用界面层将嵌件和CFRP蒙皮粘结在一起，这些界面层对于维持复合材料单体壳的结构完整性和耐久性至关重要。”
该CAD模型以粉红色展示了复合材料嵌件如何加固核心并与蒙皮相连，以在紧固件或连接器应用点提供结构支撑。来源 | Bold Valuable Technology
BOLDair的内部复合压缩和隔热结构采用手工铺层和高压釜固化工艺制造。采用压缩成型技术构建双层单体壳外壳和盖子，从而确保精确的尺寸精度和固化。外壳和顶板部件是通过手动将芯材放置在各自压缩模具中的预浸料层之间而形成的。
BOLDair结构中每个部件所使用的预浸料都是由原生纤维材料制成，纤维在层压板内部以长纤维形式定向排列，以实现其在工作区域内的最佳性能。尽管该材料的确切基体成分是专有的，但碳纤维预浸料的固化温度仍在预浸料系统的常规固化温度范围内。
热失控抑制
BOLDair系统的侧面安装了一个用于通风和冷却的先进3D打印歧管。来源 | Bold Valuable Technology
BOLDair电池包的复合压缩结构和外壳设计旨在提供热失控抑制功能，以确保安全和可靠的操作。热失控是一种自发且极具破坏性的放热反应，可能因电池内部组成材料之间的化学反应而发生。这种反应导致温度升高，从而引发自加热并最终导致电池的机械和电气故障。
“在发生热失控的情况下，释放的能量可能相当可观，”Crespo解释说。如果气体排放系统设计不当，这种能量的量级可能相当于爆炸。事件中产生的火焰可能引发爆燃，导致电池以高速排出熔融金属颗粒，从而对周围结构造成严重磨损。
在标准测试条件下，发生热失控的电池其破坏性是任何火焰都无法比拟的。在无法进行热管理的情况下，选择能够有效将释放的能量限制在一个电池内的合适材料，是防止热失控在电池系统内的更多电池或周围环境中扩散的唯一选择。
Crespo解释说：“目前，尚没有建立起的行业标准来验证用于航空驱动应用的电池组和单体电池。现有的材料合规标准，即UL 94阻燃热塑性塑料分类，只是一个基本的可燃性标准，不足以指定能够经受热失控事件的材料，以确保航空驱动电池的操作安全。为了解决这一问题，Bold已经开发了一套测试和验证流程，该流程侧重于实现最佳性能和可靠性，同时降低与热失控扩散相关的风险。”
Bold热管理系统的初步测试阶段涉及将热传递分析与复合结构分析相结合的模拟。目的是研究电池应变、热管理能力和热失控开始之间的相互作用。该模型结合了电池通风和热传播的模拟，以筛选出针对复合结构的有效配方。
原标题：《【复材资讯】航空专用电池系统||先进复合材料来解决电力和混合动力飞行问题》