低空经济用航空级锂离子电池技术规范：电芯、BMS、热管理与安全设计指南

低空经济用航空级锂离子电池技术规范：电芯、BMS、热管理与安全设计指南

低空经济快速发展后，无人机、电动垂直起降航空器、物流无人机、载人飞行器、巡检飞行器以及特种航空装备对动力电池提出了更高要求。

与普通工业锂电池相比，低空经济用航空级锂离子电池不仅需要满足容量和电压要求，还需要同时关注能量密度、功率密度、倍率性能、循环寿命、温度适应性、结构强度、BMS可靠性、热管理以及异常状态下的安全控制。

尤其是对于电动垂直起降航空器等飞行平台，电池属于直接影响飞行性能的重要动力部件。电池重量、放电能力和可靠性都会进一步影响整机载荷、续航、爬升能力以及冗余设计。

因此，“航空级锂离子电池”不能简单理解为把普通动力电池缩小或提高能量密度，而需要按照航空动力系统的实际工况建立完整的电池技术规范。

一、什么是低空经济用航空级锂离子电池？

低空经济用航空级锂离子电池，是指针对无人机、电动垂直起降航空器、航空机器人、物流飞行器以及其他低空飞行平台设计的高性能锂离子动力电池系统。

其核心设计目标通常包括：

• 高能量密度

• 高功率输出

• 较低系统重量

• 高倍率放电

• 快速充电能力

• 宽温运行

• 高可靠性

• 热安全

• 振动与冲击适应性

• 高可靠BMS

• 状态实时监测

对于航空动力电池而言，容量并不是唯一指标。

例如一套电池即使拥有较大的容量，如果重量过高，也可能降低整机有效载荷和续航效率。

因此航空动力电池通常需要在：

能量密度、功率密度、重量、安全性和寿命

之间进行综合平衡。

二、低空飞行器为什么对锂电池要求更高？

普通地面设备出现电池异常时，设备通常可以停止运行。

而飞行器在空中运行时，电池异常可能直接影响动力输出。

特别是多旋翼、电动垂直起降航空器等设备，在起飞、悬停、爬升和降落阶段都可能需要较高功率。

因此航空动力电池需要同时满足两个基本条件：

第一，能够提供足够的瞬时功率；

第二，在整个飞行过程中保持可预测的电压和功率输出。

例如飞行器需要100kW动力。

如果电池系统电压为800V：

I＝100000÷800＝125A。

如果采用400V：

I＝100000÷400＝250A。

在相同功率下，提高系统电压可以降低工作电流，从而有利于降低部分导线和连接器的电流负荷。

因此，高压动力电池也成为部分低空飞行平台的重要技术路线之一。

三、航空级锂离子电池常用什么电芯？

目前锂离子动力电池主要可以从不同正极体系进行选择。

低空飞行器尤其需要关注电芯的：

能量密度；

倍率性能；

循环寿命；

热稳定性；

一致性；

低温性能；

高温性能；

批次稳定性。

1. 三元锂电池

三元锂电池具有较高的能量密度，因此适用于对重量较为敏感的飞行设备。

在航空动力系统中，如果设备对续航时间、有效载荷和电池重量有较高要求，可以重点评估高能量密度三元体系。

但高能量密度并不等于可以直接用于航空动力系统。

还需要配套：

高可靠BMS；

热管理；

结构防护；

电芯一致性控制；

异常状态检测；

系统级安全设计。

2. 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂具有较好的热稳定性和循环寿命。

如果飞行器对重量要求没有极端敏感，或者更关注循环寿命和热安全，可以根据实际工况进行评估。

因此，低空经济电池并不存在所有场景统一使用某一种电芯体系的情况。

应该根据飞行器重量、功率、续航、环境温度和安全要求进行选型。

四、航空动力电池最重要的参数有哪些？

航空级锂离子电池的技术参数通常需要至少包括以下内容：

其中，对于航空应用，Wh/kg往往是需要重点关注的指标。

五、航空级锂电池能量密度如何计算？

电池系统能量密度通常可以简单理解为：

能量密度＝电池总能量÷电池系统重量

例如：

电池系统能量为80kWh；

系统重量为400kg。

则：

80000÷400＝200Wh/kg。

需要注意，这里的系统重量不能只计算电芯。

航空动力电池还需要包含：

电芯；

模组结构；

BMS；

连接排；

线束；

壳体；

连接器；

高压器件；

热管理系统；

防护结构。

因此，电芯能量密度高，并不意味着最终电池PACK能量密度一定高。

航空动力电池需要关注的是系统级能量密度。

六、航空锂电池为什么强调轻量化？

飞行器具有一个特殊特点：

电池本身也是载荷的一部分。

如果电池重量增加，就会进一步增加飞行器需要消耗的动力。

因此电池设计需要在：

电池重量；

容量；

功率；

结构强度；

安全性

之间进行平衡。

不能为了追求更高能量密度而无限降低结构强度，也不能为了提高结构安全而增加大量不必要的重量。

航空动力电池通常需要进行轻量化结构设计，例如：

高强度轻量化壳体；

高集成度模组；

优化母排；

减少冗余结构；

高集成BMS；

轻量化热管理系统。

最终目标是提高整个电池系统的有效能量和有效功率。

七、航空动力电池的倍率性能为什么重要？

飞行器的动力需求并不是恒定不变的。

例如：

起飞阶段需要较高功率；

爬升阶段需要较高功率；

巡航阶段功率相对稳定；

降落阶段动力需求发生变化。

因此，航空动力电池需要具备较好的动态功率响应能力。

例如：

100Ah电池以1C放电：

100A。

如果以5C放电：

500A。

如果短时间需要更高峰值功率，则对电芯内阻、连接排、BMS、电气系统和热管理提出更高要求。

因此航空电池不能只看Ah容量，还需要明确：

持续放电倍率；

峰值放电倍率；

峰值持续时间；

不同SOC下的功率能力。

八、航空级锂电池BMS设计规范

BMS是航空动力电池的重要控制系统。

BMS通常需要监测：

• 单体电压

• 总电压

• 电流

• 单体温度

• 模组温度

• SOC

• SOH

• 绝缘状态

• 故障状态

• 充放电状态

对于飞行器而言，BMS不仅需要知道“还有多少电”，还需要判断当前电池是否能够提供足够的功率。

因此，可以进一步关注：

剩余能量；

剩余功率；

允许最大放电电流；

允许最大充电电流；

最高温度；

最低温度；

异常电芯状态。

这些数据可以通过CAN等通讯方式提供给飞控或整机控制系统。

九、航空动力电池需要SOC还是SOH？

两者作用不同。

SOC

SOC表示电池剩余荷电状态。

例如：

SOC 80%

通常表示电池当前剩余电量状态约为额定可用容量的一定比例。

但SOC并不是简单通过电压直接判断，而需要结合电流积分、模型算法、温度和电池状态进行估算。

SOH

SOH用于反映电池健康状态。

随着循环次数增加，电池容量和功率能力可能下降。

对于航空动力电池，SOH的重要性更高，因为电池即使还有较高SOC，也不一定能够长期提供原有的峰值功率。

因此航空BMS需要同时关注SOC和SOH。

十、航空动力电池热管理设计

高倍率放电会产生热量。

电池发热可以用简化公式理解：

P≈I²R

电流越大，内部损耗通常越明显。

因此航空动力电池需要根据功率和倍率设计热管理系统。

常见方式包括：

自然散热；

强制风冷；

液冷；

导热结构；

冷板；

相变材料；

综合热管理。

对于高倍率航空动力电池，热管理不仅需要控制最高温度，还需要控制：

电芯之间温差；

模组之间温差；

不同工作阶段的温度变化。

如果局部电芯温度明显高于其他电芯，就可能导致电芯性能衰减不一致。

因此热管理设计需要与电芯排列、气流或液流路径共同优化。

十一、航空电池高低温适应性

低空飞行器可能需要面对较大的环境温度变化。

例如：

地面高温；

高空低温；

冬季低温；

快速升降过程中温度变化。

低温环境下，锂离子电池可能出现：

内阻升高；

可用容量下降；

放电功率下降；

充电能力降低。

因此航空电池不能只给出一个“工作温度范围”，而应该分别说明：

放电温度；

充电温度；

存储温度；

低温功率；

高温功率。

如果电池需要在低温环境下快速起飞，还需要重点验证低温状态下的峰值功率能力。

十二、航空锂电池结构设计要求

航空动力电池在飞行过程中会受到持续振动和机械载荷。

因此模组结构需要考虑：

电芯固定；

连接排强度；

焊点可靠性；

采样线固定；

连接器防松；

壳体强度；

减振设计。

如果电芯固定不足，长期振动可能造成：

连接松动；

焊点疲劳；

采样线断裂；

局部接触电阻增加。

因此航空电池结构设计不能只满足静态装配，还需要根据飞行平台的振动和冲击环境进行验证。

十三、航空动力电池的防护设计

对于无人机和低空飞行器，电池可能面对：

雨水；

湿气；

粉尘；

盐雾；

温度变化；

机械冲击。

因此PACK设计需要根据实际使用环境确定防护等级。

例如可以根据项目需求评估IP54、IP65、IP67等不同防护方案。

但IP等级主要描述外壳防尘、防水能力，并不能直接代表航空安全等级。

航空动力电池的环境适应性需要结合整机使用环境进行验证。

十四、航空锂电池为什么需要冗余设计？

对于重要飞行平台，电池系统可能需要考虑故障情况下的动力保障。

根据飞行器架构，可以采用：

多电池包；

双电池系统；

独立BMS；

独立动力回路；

多路电源管理；

电池状态交叉监测。

例如双电池系统可以根据整机设计实现：

双路供电；

独立监控；

负载分配；

故障隔离。

具体是否采用双电池架构，需要根据飞行器总体设计和安全要求确定。

十五、航空级锂电池高压平台怎么选择？

低空经济飞行器的电池电压并没有统一固定值。

实际项目可以根据电机功率和整机架构进行选择。

常见方案可能包括：

48V；

72V；

96V；

144V；

200V级；

400V级；

600V级；

800V级。

对于小型无人机，较低电压平台可能已经可以满足动力需求。

对于大型电动垂直起降航空器，如果功率达到数百千瓦甚至更高，则可以通过提高系统电压降低工作电流。

例如：

200kW动力系统：

400V时理论电流约500A；

800V时理论电流约250A。

但电压越高，对绝缘、高压器件、连接器、BMS和系统安全设计要求也越高。

因此不能单纯以“电压越高越先进”作为选型依据。

十六、航空级锂电池需要关注哪些测试？

航空动力电池的测试需要根据具体飞行器类型、应用环境、产品阶段以及适用法规和标准体系确定。

从工程验证角度，通常需要关注：

电气性能

• 容量测试

• 内阻测试

• 功率测试

• 倍率测试

• 充放电测试

环境适应性

• 高温

• 低温

• 温度循环

• 湿热

• 海拔环境

机械可靠性

• 振动

• 冲击

• 机械强度

• 连接可靠性

安全性能

• 过充

• 过放

• 外部短路

• 热冲击

• 热失控相关验证

系统测试

• BMS功能

• 通讯

• 故障报警

• 高压绝缘

• 继电器控制

• 热管理

需要强调的是，具体航空器项目不能仅靠企业内部测试代替适航相关验证。涉及航空器适航的项目，还需要按照项目所属航空器类别和监管要求开展相应的符合性验证。

十七、“航空级”不等于“有一个统一的航空电池标准”

企业采购航空动力电池时，很容易出现一个误区：

认为只要电池达到某一个电压、容量或能量密度，就可以称为“航空级”。

实际上，航空动力电池涉及的技术要求与产品类别、航空器类型和使用方式有关。

无人机、电动垂直起降航空器、载人航空器以及特种飞行平台，其适用要求并不完全相同。

因此采购时应明确：

航空器类型；

动力系统；

飞行任务；

最大起飞重量；

最大功率；

续航时间；

电池安装方式；

环境条件；

适用法规；

需要完成的验证项目。

只有将这些因素明确后，才能确定真正适合项目的电池技术规范。

十八、低空经济航空锂电池采购参数表

如果企业准备采购或定制航空动力电池，可以按照下面的参数表准备技术资料：

十九、航空动力电池如何进行容量配置？

假设某低空飞行器巡航平均功率为100kW，目标连续飞行时间为1小时。

理论能量：

100kW×1h＝100kWh。

如果考虑系统效率、SOC使用窗口以及安全余量，实际电池配置不能简单按照100kWh确定。

例如可以进一步考虑：

电机效率；

逆变器效率；

电池放电效率；

环境温度；

电池老化；

备用能量。

对于航空动力系统，还需要关注起飞和爬升阶段的峰值功率。

因此，容量设计通常需要同时计算：

平均能量需求；

峰值功率需求；

持续功率需求；

备用能量。

这也是航空电池与普通储能电池设计的重要区别之一。

二十、浩博电池航空级锂离子电池定制

浩博电池，东莞市浩博光电科技有限公司，主要开展高压特种锂电池系统与动力电池定制，可根据低空飞行器及特殊动力设备的电压、容量、功率、重量、尺寸和环境条件进行电池PACK方案设计。

针对低空经济应用，电池方案可以围绕以下技术方向展开：

电芯体系选择；

高能量密度设计；

高倍率动力输出；

BMS开发；

CAN通讯；

模组结构设计；

轻量化PACK；

热管理；

高低温适应性；

高压动力系统；

结构防护。

对于无人机、航空机器人、eVTOL等不同应用，需要根据具体飞行工况和系统架构进行差异化设计。

如果项目涉及适航要求，则还需要在电池研发阶段同步明确航空器类别、适用法规、验证计划和符合性要求，而不是在产品完成后再补充相关验证。

二十一、低空经济航空级锂电池常见问题

1. 航空级锂电池是不是能量密度越高越好？

不是。

能量密度只是航空电池的重要指标之一，还需要综合考虑功率、热安全、循环寿命、重量、结构强度和可靠性。

2. eVTOL一定要使用800V电池吗？

不一定。

电压平台需要根据电机功率、系统架构、工作电流和高压器件进行确定。

3. 航空动力电池为什么特别重视峰值功率？

因为飞行器在起飞、爬升等阶段可能需要较大的瞬时功率。电池不仅需要储存足够能量，还需要在特定工况下提供足够功率。

4. 航空锂电池可以使用磷酸铁锂吗？

可以根据具体航空器的重量、功率、续航和安全要求进行评估。但对于对重量极其敏感的飞行器，电芯能量密度通常需要重点考察。

5. 航空动力电池需要液冷吗？

不一定。

是否采用液冷主要取决于电池容量、倍率、功率、环境温度和允许温升。高功率动力系统需要重点评估热管理方案。

6. 普通工业锂电池可以直接用于航空器吗？

不能仅凭电压和容量判断。

航空动力系统需要结合飞行工况、结构、环境、安全和适航要求进行系统验证。普通工业锂电池并不能因为参数相同就直接等同于航空动力电池。

二十二、总结

低空经济用航空级锂离子电池的核心，不只是追求更大的容量或更高的能量密度，而是建立一套与飞行器动力系统相匹配的高可靠电池体系。

从电芯到PACK，需要重点关注：

电芯一致性；

能量密度；

功率密度；

倍率性能；

BMS；

SOC和SOH；

热管理；

高低温性能；

结构强度；

振动冲击；

高压绝缘；

故障监测；

系统冗余；

安全验证。

对于无人机、物流飞行器、航空机器人等低空设备，可以根据功率和续航要求选择合适的电压平台；对于大型电动垂直起降航空器，则需要进一步综合考虑高压平台、峰值功率、系统重量和热管理。

因此，低空经济航空级锂离子电池的设计重点不是单一参数，而是“能量、功率、重量、安全和可靠性”的系统平衡。对于真正进入航空器应用的电池，还需要将产品研发与具体航空器的法规、适航及符合性验证要求同步考虑。

企业信息

东莞市浩博光电科技有限公司，品牌为浩博电池，主要开展高压特种锂电池系统与动力电池定制，可根据无人机、航空机器人、eVTOL及其他特殊动力设备的需求进行电芯选型、BMS、模组、PACK结构和高压动力系统设计，并结合具体应用环境进行温度、功率、结构和通讯方案匹配。