Почему литий-ионные аккумуляторы не используются в самолетах, но широко используются в электромобилях?

Это может показаться очень наивным вопросом. Возможно, сравнение электромобиля с самолетом крайне неуместно. Но в поиске внятного ответа не нашел.

Литий-ионные аккумуляторы имеют высокое соотношение мощности к весу, высокую энергоэффективность и хорошие характеристики при высоких температурах. Даже в этом случае их не рекомендуется использовать в самолетах.

Если речь идет о безопасности, то не хватает ли механизмов защиты, которые сделали возможным их широкое распространение в индустрии электромобилей?

Почему аэрокосмическая промышленность не использует преимущество соотношения массы и мощности? Какие другие аспекты следует учитывать – экстремальные условия окружающей среды или что-то в этом роде?

Редактировать: я спрашиваю об использовании батареи, как в обычном самолете, а не для электрического двигателя. Извините за неясность ранее

Если вы спрашиваете об использовании батарей в качестве замены обычному топливу для реактивных двигателей, этот вопрос может быть полезным (или даже обманом).
Если вы спрашиваете об батареях для движения, этот вопрос также может быть обманом: Aviation.stackexchange.com/questions/45040/…
Li-Ion имеет высокую мощность/вес по сравнению с другими химическими батареями . Но по сравнению с реактивным топливом литий-ионные батареи имеют примерно в 50 раз меньше энергии на единицу веса. Реактивное топливо по-прежнему остается одним из самых энергоемких материалов, которые у нас есть.
@abelenky: * (неядерный)
Обратите внимание, что этот вопрос ранее задавался на EE.SE: electronics.stackexchange.com/questions/604059/…
high power-to-weight ratio, high energy efficiency and good high-temperature performance- возможно, по сравнению со свинцовыми батареями, но по сравнению с топливом все это «смехотворно», а не «высоко» ... также транспортные средства не заботятся о безопасности так, как это даже сравнимо с самолетами.
Новый электрический самолет Eviations «Алиса», в котором используется литий-ионная батарея мощностью 980 кВтч, состоящая из 9400 аккумуляторных элементов, общей массой 3,8 тонны, составляет 60% веса самолета.

Ответы (6)

Boeing поместил их в 787. В 2013 году они остановили этот тип на два с лишним месяца из-за возгорания аккумуляторов.

Возгорание литий-ионных аккумуляторов бытовых электронных устройств также является почти регулярным явлением на пассажирских рейсах и является причиной того, что их нельзя провозить в зарегистрированном багаже, чтобы бортпроводники могли справиться с возгоранием, когда это произойдет.

Боингу действительно удалось улучшить аккумулятор и получить его сертификат по очень строгому требованию частоты отказов менее 1 на 10⁹ часов, и они используются на этом самолете. Но это намного строже, чем то, что требуется для наземных транспортных средств, потому что наземные транспортные средства могут быть легко брошены, когда они начнут гореть, что невозможно в самолете. Во многих случаях работа по обеспечению достаточной безопасности батареи для самолета просто не стоит того.

Правила авиакомпаний также являются причиной того, что ноутбуки имеют максимальный размер батареи. Еще в начале 2000-х были ноутбуки с очень большими батареями. Затем авиакомпании ограничили количество лития, которое можно провозить на борту, что вынудило производителей ограничить размеры аккумуляторов для ноутбуков.
А возгорание Li-Ion очень трудно потушить. Струи пламени могут возникать в вакууме, потому что сами рюкзаки обеспечивают достаточное количество топлива и кислорода для подпитки огня. Вещество также реагирует с водой и воздухом .
@Нельсон. Хотя, по крайней мере, для батарей в бытовой электронике достаточно бросить их в ведро с водой, и это стандартная процедура для бортпроводников. Я считаю, что сам литий почти никогда не подвергается воздействию воздуха или воды, и в основном горящий корпус и электролит можно потушить, а ведра воды достаточно, чтобы поглотить тепло, которое может выделить короткое замыкание в аккумуляторе телефона или ноутбука. Но большие батареи действительно проблема.
Сами аккумуляторы для ноутбуков @slebetman обычно не превышают предела в 100 Втч, даже у моего производительного Alienware была батарея на 96 Втч. хотя с разрешения авиакомпании вы можете взять на борт 2 батареи 101–160 Вт⋅ч.
Литий-ионные аккумуляторы действительно разрешены к провозу в зарегистрированном багаже, но с некоторыми ограничениями (только в оборудовании, без запчастей, устройства полностью выключены). См. iata.org/contentassets/6fea26dd84d24b26a7a1fd5788561d6e/…
@jcaron Правильно, это незакрепленные литий-ионные батареи, которые нельзя провозить в зарегистрированном багаже. Слишком много вещей имеют встроенные несъемные литий-ионные батареи, чтобы их можно было полностью запретить в зарегистрированном багаже, и риск, как правило, довольно мал из-за установленных батарей в выключенном устройстве.
@SebastianLenartowicz, еще один момент, показывающий, насколько смехотворен наш нынешний театр безопасности. :/

Если мы говорим об использовании батарей для движения (а мы говорим о самолетах, которые могут перевозить хотя бы одного человека), то это сводится, одним словом, к весу или , двумя словами, к плотности энергии . Литий-ионные батареи имеют довольно хорошую плотность энергии для батареи, но они даже не в той же лиге, что и авиационное топливо. Черт возьми, они даже не занимаются одним и тем же видом спорта .

Что-то вроде Avgas имеет удельную энергию ~ 44,65 МДж / кг, топливо для реактивных двигателей ~ 43,15 МДж / кг, а в настоящее время литий-ионные батареи, используемые в электрических транспортных средствах, составляют около 0,72 МДж / кг, поэтому для той же взлетной массы вы собираемся получить откровенно жалкий запас хода.

Это не значит, что его не рассматривают - например, предложенный компанией Vertical Aerospace VA-1X.

В этой статье проводится некоторое моделирование концепции самолета с электронным вертикальным взлетом и посадкой, такого как VA-1X, и для полной взлетной массы 2500 кг (примерно столько же, сколько у полностью загруженной Cessna 172) вы получаете менее сотни миль дальности полета. И это когда батареи новые - как только вы начнете заряжать их, цифра только упадет (без каламбура).

Вес батарей, необходимых для воспроизведения дальности/производительности даже скромного пассажирского самолета, ошеломляюще огромен.

Конечно, это не означает, что мы никогда не увидим самолеты с батарейным питанием — Tesla уже пару лет дразнит существенным шагом в плотности энергии упаковки, и предлагает альтернативный химический состав батареи литий-сера (Li-S). потенциальное решение, поскольку они уже почти вдвое превышают плотность энергии литий-ионных (и быстро улучшаются), и если они смогут решить или смягчить текущие проблемы, которые Li-S имеет с быстрой деградацией и отношением мощности к объему, тогда они могли бы быть очень перспективным.

Техасские самолеты работают над электрической версией Colt с двигателем Li-S, которая может иметь дальность полета около 200 морских миль.

Даже если батарея Li-S может удвоить плотность энергии литий-ионной батареи, это все равно ничтожные 1,42 МДж/кг, что составляет лишь 1/30 плотности энергии реактивного топлива. Это далеко от коммерческого использования на больших пассажирских или грузовых рейсах. Кольт в конечном итоге будет очень похож на родстер Tesla — дорогая игрушка для сверхбогатых, которой они могут похвастаться, а не практичное транспортное средство.
@FreeMan Я согласен, что ему предстоит пройти долгий (долгий) путь, прежде чем он станет пригодным для практического использования в реальном мире. Предполагается, что Li-S имеет теоретическую плотность энергии 2700 Втч/кг, что примерно в 10 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Еще не до реактивного топлива, по крайней мере получить что-то смутно практичное.
Это не совсем справедливое сравнение, чтобы сказать, что это 1/30 @FreeMan, электродвигатели легче, чем реактивные двигатели, поэтому экономия веса немного улучшает это, но это все еще огромное несоответствие. К тому же, я не хочу ждать 8 часов, пока они перезарядят мой самолет.
Не забывайте, что электродвигатели имеют более высокий КПД, меньше нуждаются в охлаждении, не нуждаются в топливном насосе и так далее. Я думаю, вам также не нужны пропеллеры постоянной скорости с электродвигателями. Так что все не так мрачно, как кажется из-за разницы в плотности энергии 60:1. В противном случае электрические самолеты, которые существуют, работали бы гораздо хуже.
Аргумент "но двигатели весят меньше" неуместен. Взлетная масса современного реактивного самолета составляет около 30% топлива и 3% двигателя. Если ваш альтернативный источник энергии менее эффективен всего на 10 %, никакая экономия веса двигателя не сможет это компенсировать. Батареи не на 10%, а на 98% менее эффективны.
Не забывайте, что как только вы сожжете авиационный газ, он станет реакционной массой . Вы должны тащить многоразовую разряженную батарею с собой в пункт назначения в качестве мертвого груза.
@obscurans Точно. Реальная разница больше похожа на фактор 100x, поскольку вам не нужно нести вес топлива, которое вы уже сожгли, в то время как вам все еще нужно нести весь вес разряженных батарей на протяжении всего полета. Вы несете в среднем чуть более 50% массы топлива на время полета.
При этом игнорируется тот факт, что электродвигатели обычно имеют КПД более 90% по сравнению с примерно 55% для двигателей.

Вообще-то в самолетах используются литий-ионные аккумуляторы — посадка Boeing 787 в 2013 году была вызвана проблемами с ними. Из Википедии :

В 2013 году, на втором году эксплуатации широкофюзеляжного реактивного авиалайнера Boeing 787 Dreamliner, несколько самолетов столкнулись с проблемами в электрической системе, вызванными литий-ионными батареями. Инциденты включали возгорание электричества на борту самолета All Nippon Airways 787 и аналогичный пожар, обнаруженный обслуживающим персоналом на припаркованном самолете Japan Airlines 787 в международном аэропорту Логан в Бостоне.

Они также используются в Airbus A350, как упоминает FlightGlobal в этой архивной статье:

Несмотря на схожие функции, конструкция Boeing значительно отличается от литий-ионных аккумуляторов, установленных в Airbus A350-900. Поставщик Airbus, компания Saft, разработала систему с четырьмя батареями, каждая из которых состоит из 14 элементов, обеспечивающих номинальное объединенное напряжение 25 В. Таким образом, A350-900 использует больше батарей, при этом от каждой ячейки требуется меньше энергии, чем в системе 787.

Проблемы с B787 были в достаточной степени решены за счет большей изоляции между камерами и установки бортовой системы вентиляции в качестве резервной. С тех пор инцидентов больше не было.

Именно по этой причине ранние A350 вместо этого использовали никель-кадмиевые батареи, хотя они перешли на литий-ионные для новых поставок примерно через год после того, как были доставлены первые кадры.

Почему литий-ионные аккумуляторы не используются в самолетах

На самом деле они есть. Они широко используются в моделях самолетов, «дронов» и т. д., которые Федеральное управление гражданской авиации (США) называет «беспилотными авиационными системами». См., например , эту ссылку .

Именно поэтому время полета на них очень мало по сравнению с самолетами, работающими на бензине. Однако это имеет гораздо больше смысла для легких БПЛА, поскольку электродвигатели можно легко уменьшить до очень малых размеров, необходимых для этих БПЛА, которые весят не более нескольких фунтов, в то время как двигатели внутреннего сгорания не могут быть уменьшены до таких размеров. так же легко (хотя более крупные модели самолетов действительно обычно используют двигатели с ДВС). Время полета на большинстве БПЛА с литий-ионным двигателем буквально было бы недостаточно даже для обеспечения требуемых законом резервов при пилотируемых полетах. Взлет будет незаконным.

Литий-ионные основные корабельные батареи (не двигательные) за последние 5-10 лет проникли в авиацию общего назначения, вертолеты и бизнес-джеты.

Сертификация новой техники в авиации почти всегда требует значительных усилий и времени. После проблем, с которыми Boeing столкнулся в отношении 787, отрасль пережила период тщательного изучения и разработки расширенных требований.

Литий-полимерные (LiPo) батареи успешно используются в небольших самолетах. Более крупные самолеты требуют нелинейного увеличения мощности.
Я ожидаю, что батареи будут особенно подходящими для более легких, чем воздух приложений, таких как дирижабли.

Помимо плотности энергии, батареи не теряют массу, поскольку они разряжаются так же, как топливный бак.

Это не означает, что мы не можем использовать их гибридным способом, с маломощной установкой, в конечном счете питаемой от турбовентиляторных двигателей с генераторами для взлета или аварийного питания.

«Большие самолеты требуют нелинейного увеличения мощности». Они? Насколько мне известно, соотношение L/D на самом деле значительно лучше на очень больших самолетах, таких как авиалайнеры, по сравнению, например, с большинством легких одноместных самолетов.
Вам нужно более чем вдвое увеличить площадь поверхности, чтобы удвоить полезную нагрузку. Воздух пропорционально становится менее плотным по мере увеличения масштаба. Небольшие самолеты могут позволить себе менее агрессивную конструкцию. Преимущество авиалайнера — 8-метровая зона (или около того) для турбовентиляторных двигателей.
Почему литий-ионные аккумуляторы не используются в самолетах, но широко используются в электромобилях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v