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。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。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。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。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。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。”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。CAD 渲染显示了 BOLDair 电池外壳内的单体结构，该结构由高强度聚合物泡沫芯材支撑的内层和外层组成。BOLDair 电池外壳中的单体结构由高强度聚合物泡沫芯材支撑的内外蒙皮组成。该核心在促进两个表皮之间的交互方面发挥着至关重要的作用，并提供了额外的功能。克雷斯波评论道：“特定应用中泡沫的选择在很大程度上受到比强度需求的影响；它需要高压缩强度和低密度，以增加 CFRP 表皮之间横截面的惯性矩，而重量损失最小。”。“此外，确保所选泡沫材料能够在相对较高的温度下工作也是至关重要的。”BOLDair 的内部复合材料压缩和隔热结构采用手工叠层和热压罐固化制造。压缩成型技术用于构建双层单体外壳和盖子，从而实现精确的尺寸精度和强 度。外壳和顶板部件是通过手动将芯材放置在它们各自的压缩模具中的预浸料层之间而形成的。复合材料嵌入件嵌入整个芯体，并与表皮接口，以在应用紧固件或连接器的位置提供结构加固。插入件设计确保载荷在复合材料结构上更均匀地分布，从而降低应力集中以及由于机械载荷或振动而导致的分层或失效的风险。克雷斯波解释道：“界面层用于连接插入物和 CFRP 蒙皮。”。“这些层有助于保持复合材料单体车身的结构完整性和耐用性。”该CAD 模型显示（粉红色）复合材料插入件加固核心和与表皮的接口，以提供应用紧固件或连接器的结构支撑。克雷斯波强调：“BOLDair 结构的每个元件中使用的预浸材料都是由原始纤维材料制成的，层压板内部有长纤维，可在其工作区域内获得最佳性能。”。“尽管材料的确切基材成分是专有的，但碳纤维预浸料的固结在预浸料系统的常规固结温度范围内。”BOLDair 系统侧面安装了一个先进的 3D 打印歧管，用于通风和冷却。BOLDair 电池组的复合压缩结构和外壳设计用于提供热失控安全壳，以确保安全可靠的运行。热失控是一种自发的、高度破坏性的放热反应，由于其组成材料之间的化学反应，可能在电池内发生。这种反应导致温度升高，从而导致自加热，并最终导致电池的机械和电气故障。克雷斯波解释说：“在热失控的情况下，释放的能量可能相当可观。”。“如果气体排放系统设计不当，这种能量的大小可能相当于爆炸。爆炸过程中产生的火焰会引发爆燃，导致熔融金属颗粒以高速从电池中排出，导致周围结构严重磨损。”在标准测试条件下，经历热失控的电池的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，选择能够有效容纳释放到一个电池的能量的适当材料是防止传播到电池系统或周围环境中的更多电池的唯一选择。克雷斯波解释道：“目前，还没有既定的行业标准来验证航空驱动应用的电池组级别的电池和电池组。”。“现有的材料合规标准，即阻燃热塑性塑料的 UL 94 分类，只是一个基本的可燃性标准，它不足以规定能够承受热失控事件的材料，以确保航空动力电池的运行安全。为了解决这个问题，Bold 开发了其测试和验证流程，重点是实现最佳性能和可靠性，同时降低与热失控传播相关的风险。”Bold 热管理系统的初始测试阶段包括将传热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发生之间的相互作用。该模型结合了对电池通风和热传播的模拟，以隔离复合材料结构的有效配方。热管理模拟用于数字测试 BOLDair 结构的性能。包含热失控。“热失控的锂金属电池的温度范围通常在 1200°C 之间 和 2000°C 之间，而对于锂离子电池（如航空电池系统），根据电池类型的不同，温度通常在 600°C 到 1200°C 之间。“分析背包内火焰传播的路径和速度以及喷出颗粒的轨迹至关重要。”Bold 的先进复合材料配方经受 1000°C 的火焰，施加的压力持续时间比预期的热失控事件更长。最终验证测试包括对电池压缩结构和复合材料外壳中使用的选定复合材料配方进行全尺寸热失控事件。所选择的复合材料成功地控制了热失控，该过程有助于确保所选择的材料是该航空应用的最佳材料。克雷斯波说：“Bold 正在努力实现一项重大的工程壮举，创造一种能够承受高达 2000°C 的极端温度的复合材料结构。”。“必须注意的是，没有任何材料能够无限期地承受如此高的温度。然而，Bold 采用的测试方法旨在开发能够有效评估复合材料在电池内承受热失控事件的适用性的测试方法。”图示为热失控检查的结果之一。值得注意的是，电池组件受到了严重损坏，而复合材料外壳仍然完好无损。目前，无论是汽车还是航空航天，都没有针对热失控情况下电池结构的既定安全法规，而且由于各种原因，目前的汽车电池测试方法被认为是不充分的。BOLDair 的外壳材料选择和设计实现了热失控耐久 性，确保电池完好无损并连接到飞机框架上。与汽车不同，在热失控事件中放弃飞机不是一种选择。Bold的测试能力正在与 AS9100 质量管理系统一起开发，用于航空航天行业。BOLDair 电池组展示了 Bold 为评估和建立航空电池中使用的复合材料的适当材料设计和测试方法而开发的综合方法。这种创新方法对于促进制定高压电池和/或电池组材料的严格标准至关重要，目的是确保未来高压航空驱动电池的安全性和可靠性。BOLDair 的技术已经在多个应用程序中成功部 署。“飞篮-Flying Basket”（意大利博尔扎诺）是一家专门从事货物运输无人机技术的客户，已在其重型无人机中部署了 BOLDair。该公司的成立是为了应对复杂的自然和城市地形带来的物流挑战，在这些地形 中，传统的运输方式往往缓慢而低效。创始人认识到无人机克服这些挑战的潜力。通过“飞篮-FlyingBasket”在重型货运无人机中成功部署 BOLDair。“飞篮”无人机具有先进的导航系统和 100 公斤的有效载荷能力，适用于广泛的应用，从农业物资输送和工业服务到电力线和建筑的电缆架线。“飞篮”面临的重大技术挑战之一是开发一种能够长时间飞行同时携带大量有效载荷的无人机。这需要具有高功率部署能力的高能量密度存储，以提供必要的耐久性、可靠性和安全性。BOLDair 电池被证明是成功的，为公司的运输解决方案做出了贡献，并展示了无人机在物流转型方面的潜力。克雷斯波总结了 BOLDair 在航空专用电池系统中的复合材料应用：“我们与 BOLDair 的合作体现了我们致力于突破复合材料技术的界限，实现更安全、更高效的航空解决方案。我们将继续改进 BOLDair，并为各种应用开发定制规范，无论是电池类型和容量，还是冷却系统和操作优化。该项目不仅展示了我们的技术实力，还展示了我们对可持续发展的执着，推动航空业走向更绿色、更创新的未来。”
