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电动飞机的极限是天空

零排放飞机的电池开发和多物理场模拟。

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劳斯莱斯和Electroflight携手开创了航空的第三个时代,这款全电动飞机的时速超过了300英里。主要挑战是优化1047磅(475千克)的电池组,以满足结构强度、热管理和其他关键性能标准。随着团队竞相推出世界上最快的零排放飞机,Ansys的多物理模拟在加速电池开发和验证方面发挥了至关重要的作用。

劳斯莱斯是航空业的先驱,但该公司专注于全电动飞机的未来。如果说螺旋桨飞机和喷气式飞机代表了前两个航空时代,那么第三个时代肯定专注于可持续设计和零排放。作为劳斯莱斯ACCEL计划(加速飞行电气化)的一部分,这架飞机将于今年晚些时候尝试打破现有的210英里每小时的全电动设计记录。机身的速度已经超过300英里每小时,配备了传统的内燃机,因此ACCEL团队寄予厚望。与飞机的速度一样令人印象深刻的是它的航程。电池充一次电就能从伦敦到巴黎行驶200英里。此外,劳斯莱斯和Electroflight团队的另一个目标是跟踪和记录整个项目的可持续性,他们抵消了项目的净零排放。

“带翅膀的电池”

这一水平的储能性能需要新颖的工程方法和革命性的电池设计。劳斯莱斯没有依赖内部资源,而是求助于英国格洛斯特郡的初创公司Electroflight,该公司为航空航天电气化应用开发高可靠性储能解决方案。

由此产生的锂离子电池组包含三个独立的电池组件,为三个大功率电动机提供电力,由总部位于牛津的YASA开发,YASA是一家轻型电动机和控制器制造商。基于专有的轴向通量设计,YASA已经能够提供一个小型,轻量级的发动机配置,产生超过500马力,以支持飞机的破纪录的速度。

虽然轻量化的发动机设计是可以实现的,但即使是功率最密集的锂离子电池也必然很重。该电池由Electroflight公司设计,拥有超过6000个电池单元和令人印象深刻的90%的能源效率,产生的能量足够为250个家庭供电。它的重量为1047磅(475公斤),在机身中占据了很大的空间,因此一些观察人士称这架飞机为“带翅膀的电池”。

电池的尺寸和重量可能被视为缺点,但劳斯莱斯和Electroflight利用这些特点,将电池组作为单座飞机的关键结构元素。这意味着机身和电池组必须同时优化,以确保这两个元素都能在能量和推进力与升力之间实现平衡。


由于其尺寸和重量,电池组件在单座飞机相对较小的机身中起着关键的结构元素的作用。这意味着要平衡能源性能与刚度、共振等机械因素,以及可持续性。

电池组的另一个潜在缺点是什么?锂离子电池的热效应。为了控制电池组产生热量的自然倾向,Electroflight工程师设计了一种冷却系统,将由水和乙二醇组成的液体冷却剂混合物泵入电池之间的极板。当锂离子电池接触冷却板时,即使在飞机性能的高功率要求下,热负荷也得到了管理。

Electroflight的先进电池管理系统每秒收集数千个数据点,为飞行员提供所需信息,以便在尝试记录时从电池系统中提取最大性能。考虑到安全性,Electroflight团队在设计飞机时只使用了一个电池组即可安全着陆。

通过仿真设计加速

为了建模和解决电池组件设计中涉及的许多高级挑战,Electroflight依赖于一套Ansys仿真解决方案,包括Ansys机械Ansys的发现Ansys流利,Ansys Granta材料选择器.工程模拟帮助Electroflight团队解决了三个关键问题:材料选择、结构完整性和平衡冷却。

考虑到电池组的巨大尺寸,相对于飞机本身,Electroflight得出结论,电池组需要成为小型飞机的结构成员,在整个飞机运行和性能周期中将飞行负载从动力系统转移到机身。实现这一功能需要仔细分析和优化电池组件设计。该团队希望将重量降至最低,同时确保飞行载荷的有效转移,并避免可能与任何系统工作频率一致的振动模式。

为了支持Electroflight团队,Ansys使用Ansys Mechanical提供了电池组件的完整结构和频率分析。这导致了对组件设计的各种调整,特别是新夹具的设计,以调整整个组件的刚度,避免谐振频率与螺旋桨工作频率对齐。

单个电池单元安装在一个紧凑的,背靠背的安排位于聚合物安装板上。随着温度的升高,3D打印框架材料的刚度降低。Electroflight需要选择一种玻璃化转变温度大于电池工作温度的材料,这是一个艰巨的挑战。该团队使用Granta根据特定的需求来减少选择材料。30%玻璃纤维填充聚碳酸酯是最佳材料。模拟帮助团队在设计阶段应对这一困难的材料挑战。

优化让它保持冷静

由于热负荷是锂离子电池的核心问题,Electroflight工程师利用Discovery和Fluent对电池冷却系统进行建模,并研究整个电池组件在实际运行条件下的热性能。该团队在Fluent中应用了伴随求解方法,该方法是专门针对受限内部流开发的,以表征电池创新的冷却系统性能。该软件自动探索给定设计的操作包线,将布局变形为更优化的形状,指导Electroflight团队进行优化设计。由于伴随模拟提供了一个路线图,显示了电池的哪些区域对过热最敏感,因此开发人员可以相应地集中精力。

Ansys解决方案帮助Electroflight团队了解一系列复杂的问题,从可持续性和可制造性到操作限制,并相应地优化电池设计。为了达到最近试飞的里程碑,该团队承受着巨大的时间和成本压力,而Ansys的模拟帮助他们快速有效地解决了关键的工程挑战。Ansys不仅帮助Electroflight在试飞前验证电池组的最终设计,还在试飞过程中回答了许多极其复杂的问题。

可持续发展腾飞

随着全球航空工业的展望,显然任何新的飞机设计都必须尽可能做到碳中和。这给工程团队带来了一系列全新的挑战,从材料选择到能源生产和效率的许多方面。这就要求开发新的处理方法和方法来充分理解和最小化项目的环境足迹。

随着一系列试飞的完成,合作伙伴对可持续航空的未来信心大增。



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