基于能量的建模以评估POWERSONIC蓄电池动力飞机改装的性能与可行性：以苏格兰BN-2B-26 Islander为例
2026-10-15 11:54:18 点击： 次
摘要
本研究开发了一个基于任务能量的框架，用于评估现有通勤飞机改装为电池电推进系统的性能和技术可行性。选择布里顿-诺曼BN-2B-26岛屿者作为苏格兰选定国内航线的案例研究飞机。开发了一个基于MATLAB的参数化评估框架，用于评估飞机及选定航线的可行性，该框架集成了包括功率、能量、电池系统、运行和载荷在内的关键设计参数。结果表明，电池比能量是主导技术参数，而比功率、可用安装体积和剩余载荷决定了最终配置在实际中是否可行。对于50公里的任务，将电池比能量从400 Wh/kg提高到1000 Wh/kg，可将所需电池质量分数降低约60%。在扣除电池运行、法规和固定任务能量需求后，可用能量约为标称能量的57.6%。要匹配基准飞机在998公里航程上约774公斤载荷的能力，需要约6050 Wh/kg和2840 Wh/L的电池技术。航线评估表明，高载荷情况不可行，而减少载荷的情况在未来电池假设下可支持更广泛的短途航线覆盖。总体而言，结果表明，电池电动改装最适合载荷需求较低的短途通勤运营。
1. 引言
温室气体排放是气候变化的关键因素。商业航空排放了约9.18亿吨二氧化碳2，约占全球二氧化碳2排放量的2.4% [1]。国际清洁交通委员会（ICCT）预计，2019年至2050年间，全球客运量将以年均3%的速度增长 [2]。科学评估将航空业描述为难以减排的交通部门，因为飞机需要轻量化推进系统以及具有高比能、功率密度、可靠性和安全性的能源 [3,4] 电力与混合动力推进系统可提高能源效率并消除飞行中的直接二氧化碳排放2和氮氧化物排放x；然而，它们的实际应用受到电池比能量、电池系统质量与体积、运行要求、监管要求以及载荷-航程惩罚的限制[5,6].
目前有几种极具前景的技术正在发展以解决这些问题，例如电力、混合动力、氢动力和可持续航空燃料（SAFs）动力飞机。例如，电池电力动力系统可达到90%的能量效率，降低直接运营成本，并减少高达10分贝的噪音，比传统飞机低约50% [7,8]电机、变速箱、控制器和其他配电系统等电池动力总成部件具有更高的效率。电池质量比能量和体积比能量仍是电池动力飞机的主要技术限制。目前最先进的锂离子电池组在电池包层级通常提供约180–300 Wh/kg的能量[6]则指出，这远低于航空燃料的能量密度。航空燃料的质量能量密度约为43 MJ/kg，而先进锂离子电池在电芯或电池包层面的能量密度约为1 MJ/kg[6]。近期电池技术的发展取得了进展，包括软包式可充电锂电池，据报道其电芯级比能量为711.3 Wh/kg，体积能量密度为1653.66 Wh/L[9]。Amprius也报道了市售电池电芯，其数值高达520 Wh/kg和1150 Wh/L[10]。除了锂离子技术外，锂硫电池具有约2654 Wh/kg的高理论比能量[11]，尽管实际电池单体和电池组的数值预计会低得多。未来的电池预测表明，到2050年左右，乐观的飞机相关电池比能量可能接近1000 Wh/kg[12]. 图1]展示了飞机使用电池的比能量密度，以及未来为满足NASA电池化学预测所需的密度。
图1。电池比能量SOA及未来预测。
能量密度预测在图1这表明当前趋势无法达到NASA预测的数值，电池化学技术可能需要突破才能在2050年实现该目标。全新的电池动力飞机正在研发中。然而，关键使能技术指标的进展尚未改善。新型飞机设计成本高昂且耗时。另一方面，在现有平台上改装电池推进系统，相比于新设计，能更快实现电池动力飞机，且认证和监管限制更少。目前，BN-2B-26 Islander在苏格兰的许多国内航线上运营，包括岛际和大陆至岛屿的航线。
以往的研究表明，电池驱动的支线航空受到电池比能量和电池质量占比的严重制约。Ludowicy等人[13]指出，要完全替代大型支线飞机任务（如ATR 42-500），所需的电池能量密度（3450 Wh/kg）远超近期技术水平；然而，该研究未考虑电池安装体积限制和载荷替换的权衡。Hepperle[14]指出，当可用机内空间有限时，低电池体积能量密度可能成为重要的设计约束，可能需要更大的结构体积或替代的电池集成方案。Anker等人 [15] 分析了用于挪威短途航线的9座和19座电动通勤飞机。该研究评估了电动飞机的质量、功率、能量和热管理可行性，而非物理电池封装的可行性。然而，本研究聚焦于现有电动飞机，而非改装。Bærheim等人假设现有燃料和燃料箱的质量被电池取代，同时保持原飞机质量；但本研究未明确电池是安装在机翼、机身、客舱还是货舱中。Mukhopadhaya等人 [16]评估了9座、19座和90座电动飞机概念的演进，电池包级比能量分别为250和500 Wh/kg。他们的研究结果表明，短途通勤任务是最现实的近期应用，尽管未评估详细的电池安装体积和系统性的载荷减少效应。Avanzini等人[17]推导了电池动力飞机的最大航程关系，而Traub[18]研究了电池重量占比对最大航程和续航时间的影响。以往的研究表明，最大起飞重量、电池质量和有效载荷之间的权衡是重要的约束条件。因此，仅凭任务能量需求不足以确定电池尺寸，还必须考虑基准飞机的质量和物理集成限制[19,20,21] 现有研究已探讨了电池比能量、电池质量占比、最大航程以及区域电动飞机的可行性。然而，较少有研究在现有通勤飞机的几何和质量约束下，同时耦合任务能量需求、峰值功率要求、保留载荷、电池质量、物理安装体积和航线要求。这种综合评估对于改装应用尤为重要，因为满足任务能量要求的配置仍可能因质量、功率、载荷或安装体积的限制而不可行。因此，本研究开发了一个基于任务能量的飞机改装可行性框架，并将其应用于布里顿-诺曼BN-2B-26岛屿者。该框架评估了任务能量需求、电池尺寸、保留载荷、安装体积要求、载荷-航程能力和航线可行性。只有当任务能量、峰值功率、最大起飞重量、剩余载荷和安装体积要求同时满足时，一种配置才被认为在技术上可行。因此，本研究不仅旨在确定可实现的电动航程，还要确定哪些物理或运行约束决定了电池电动改装的可行性，例如航线距离、载荷和电池技术变化。
2. 材料与方法
在MATLAB 2025b中开发了一个基于任务的计算框架，用于评估将现有常规通勤飞机改装为电池电推进系统的技术可行性和性能。该方法被制定为飞机级改装评估，而非全新飞机设计。因此，基准飞机的最大起飞重量、空重、可处置载荷能力、任务特性和可用安装空间被视为主要边界条件。
2.1. 基准飞机与质量平衡
该评估框架由六个关联模块组成：(i) 飞机与改装输入定义，(ii) 任务能量计算，(iii) 电池能量与电池质量计算，(iv) 剩余载荷与安装空间评估，(v) 载荷-航程与设计空间分析，以及 (vi) 航线可行性筛选。模型全程应用相同的质量、能量、储备和空间约束，以确保所有输出结果内部一致。
BN-2B-26 Islander 的性能指标如下所示表1电池动力改装的质量平衡公式基于固定的最大起飞重量。电池动力飞机的最大起飞重量（MTOW）不能超过2994 kg。这一假设的原因是为了避免认证要求中涉及的复杂性。基准飞机的起飞质量可表示为
mMTOW,b = mOEW,b + MPL + mfuel
表1.BN-2B-26 Islander 规格 [22].
从飞机上移除的质量包括发动机、燃油系统和油箱的质量。电动推进系统的质量mEPS包括电机、逆变器、变速箱、高压配电装备、控制器和热管理系统。额外的集成质量mintegration包括安装支架、电池包围结构、防火装置以及任何必要的结构加固。推进系统净质量差异可由公式(2)表示。
Δmprop = mEPS + mintegration − mremoved
电池动力飞机的起飞质量为
+ ΔMTOW,BE = mOEW,b + mbattery + MPL + Δmprop
本研究假设从基准飞机中移除的质量（mremoved) 等于电推进系统（mEPS）和集成质量（mintegration）。电池电动飞机的质量可以表示为
= 1866 (kg) +MTOW,BE = 1866 (kg) + mbattery + MPL
改装研究必须满足最大质量约束，即mMTOW,BE ≤ mMTOW,b因此最大起飞重量等于基准飞机，即2994 kg。根据公式(4)，最大电池质量可估算为
mbattery,max = 1128 − MPL
质量约束成为有效载荷与电池质量之间的权衡，如公式(6)所示。
Δ≤ 1128 kgprop + mbattery + MPL ≤ 1128 kg
该质量平衡决定了可携带的电池质量。电池质量比可通过公式(7)确定。