来源 | eTransportation

链接 | https://doi.org/10.1016/j.etran.2025.100480

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背景介绍

eVTOL 作为城市空中交通（UAM）的核心载体，因高飞行速度、灵活起降、低噪音、低污染等特性，成为解决城市化交通拥堵的关键方案。当前主流的eVTOL配置主要包括倾斜管道、倾斜机翼、倾斜旋翼、多倾斜旋翼、四旋翼、并排、单旋翼和升力加巡航设计，如图所示。 

eVTOL的分类

然而，其动力系统的性能对温度高度敏感，其操作场景和使命剖面与地面电动车辆（EV）有显著差异。热管理系统（TMS）是确保eVTOL高效、安全和稳定运行的关键。eVTOL的关键动力系统部件，如电池、电机和电力电子，对温度敏感，需要有效的TMS来确保其工作性能。eVTOL 的热管理系统不可或缺：一方面，动力系统（电池、功率电子、电机）对温度敏感（如电池需 293-313 K，功率电子结温需 <393-423 K）；另一方面，座舱热调节直接影响能耗与航程。与 EV、燃油飞机相比，eVTOL 热管理挑战更严峻（如无燃油散热器、功率密度更高），且相关研究仍处于起步阶段。

02

成果掠影

近日，北京理工大学谢鹏团队从eVTOL系统架构、关键部件和新兴技术综述了eVTOL热管理最新技术。首先综述eVTOL动力总成系统架构，继而系统性地研究相应的热管理系统架构，包括其工作原理、特性与局限性；分析关键动力总成部件的热管理需求，并评述相关热管理技术；进一步探讨适用于eVTOL的新兴技术，重点阐释其提升系统性能的潜力；最后指出当前研究空白并提出未来研究方向。

综述主要对象是动力总成架构，TMS架构，电池热管理系统（BTMS），电机冷却系统，电力电子冷却系统和TMS的新兴技术。

检查和比较eVTOL中采用的各种动力系统架构的不同特征；

总结eVTOL的现有TMS架构，详细说明其各自的操作原理，并确定其局限性；

阐述电池和各种电气化电力系统组件的工作特性，并批判性地分析其热管理技术；

分析有关热管理的新兴技术，并为进一步的工作提供建议。

这是首篇针对eVTOL热管理技术的专题综述，旨在阐明该领域前沿进展，识别现存挑战，并为研究人员和行业从业者提供有价值的见解。研究成果以“A state-of-the-art review on eVTOL thermal management: system architectures, key components and emerging technologies”为题发表在《eTransportation》期刊。

03

图文导读

图1.不同飞行器和设备之间的热管理比较：（a）eVTOL和燃油飞机之间的比较，（b）eVTOL和EV之间的比较，（c）eVTOL和电子设备之间的比较。

如图1所示，电动垂直起降飞行器（eVTOL）、燃油飞机、电动汽车（EV）及电子设备的热管理技术与系统存在显著差异，其中eVTOL面临的热管理挑战尤为严峻。与传统燃油飞机相比，eVTOL（特别是全电系统）集成更多温度敏感型电气动力总成部件，既缺乏空气循环机来调节座舱和动力总成部件温度，也缺少航空燃油或涡轮发动机排气等传统热源来消散这些部件产生的热量。此外，eVTOL与电动汽车的整体热管理均可采用热泵、液冷系统和废热回收等技术。但电动汽车电池冷却采用的大面积冷板质量过大，加之eVTOL电池设计具有分布式和冗余特性，使得该技术可能不适用于eVTOL应用。与此同时，eVTOL电驱动系统的功率密度显著更高，任务剖面通常比电动汽车更复杂。结合明显更高且持续增长的峰值功率需求，导致eVTOL面临更大的热管理难题。虽然泵驱两相冷却和微通道散热器可增强任何应用场景下电子设备的热管理，但eVTOL系统还需应对额外挑战：必须在持续变化的环境中运行，同时集成更复杂的硬件和先进控制算法。

图2. eVTOL的各种动力系统架构：（a）全电动系统，（b）串联混合动力系统，（c）燃料电池-电池混合动力系统，（d）涡轮电动系统，（e）并联混合动力系统。

eVTOL常见动力系统主要包括全电动系统、燃料电池-电池混合动力系统（FBHSs）、涡轮电动系统以及串并联混合动力系统（如图2所示）。其中，全电动系统结构最为简单，其依赖电池储存的能量，通过逆变器向电机供电以驱动旋翼。例如亿航智能（EHang）、韬科科技（TCab Tech）和Volante均在其eVTOL中采用全电动系统。然而，电池能量密度不足（约200 Wh⋅kg⁻¹）对长航程任务构成挑战。

图3.关于eVTOL应用中电池热管理系统的研究：（a）风冷（b）液冷（c）板式热管冷却

针对eVTOL应用中各类电池热管理系统（BTMS）的详细评述如下如图3所示，eVTOL的不同冷却型电池热管理系统在特定条件下各具优势：空冷系统在功率需求降低且冲压空气冷却效应增强的巡航阶段效果显著；液冷虽是当前主流技术方案，但实际应用需统筹优化效率、轻量化和能耗平衡；相变材料冷却和热管冷却可作为液冷或其他系统的辅助方案——相变材料提升过热场景能效，热管则优化温度均匀性。对于新兴技术，热电冷却和浸没冷却分别需要聚焦热电材料开发和介电流体减容研究以推动其商业化应用。

图4.关于eVTOL应用中功率电子器件冷却的研究：（a）风冷（b）液冷

eVTOL应用中电力电子冷却技术的相关研究如图4所示，电力电子设备的传统冷却方法包括空冷与液冷，这两种技术均已应用于电动垂直起降飞行器（eVTOL）。空冷主要适用于与电机集成的电力电子设备，其可利用螺旋桨旋转产生的强劲气流进行散热。对于其他设备，则需要辅助风扇增强局部气流，但这会导致额外的能量损耗。液冷虽具有更优异的热性能，但受限于需要附加组件及较高的寄生功耗。在低温环境下，某些器件可降低导通电阻并提升开关频率，但该效应并非在所有电力电子设备中普遍适用。喷雾冷却、射流冲击和浸没冷却等新兴技术能有效将结温维持在安全范围内，然而喷雾与射流冲击系统受限于结构复杂性、高成本及重量增加等问题，浸没冷却则需对流体密度、粘度和腐蚀性进行进一步评估。

图5.关于eVTOL应用中电机冷却技术的研究：（a）风冷（b）油冷

图5显示了eVTOL应用中电机冷却的研究，总而言之，电机空冷技术具有最简冷却结构、最低复杂度与成本优势，但其强化传热方案仍需进一步优化以提升冷却性能与强壮性。相较于空冷技术，液冷技术能提供更优异的冷却性能，然而附加冷却组件会增加系统总重，且冷却通道尺寸与绕组面积之间的权衡关系需深入考量。作为新兴冷却方式，电机油冷技术在冷却效率与运行安全性方面优势显著，但不同实施方案均存在技术挑战：油套冷却需克服油液高粘度与低导热率的固有特性；油雾冷却需优化辅助组件数量以实现系统架构精简；油注冷却虽可利用转子轴旋转的离心泵送效应推进流体，但低速运行时仍需辅助油泵支持；油浸冷却虽对定子、端部绕组等静止部件有效，但对转子与轴等旋转元件冷却性能有限，同时会导致系统总质量增加与电机内部组件温差加剧。

图6.Volante为升力巡航构型提出的电机冷却方法。

预测性热管理（PTM）技术具有能效提升与运行性能优化的显著优势，其完整工作流架构如图6所示。然而，PTM的实施复杂度根本上受多领域信息体量与复杂度的制约。以电动汽车为例，天气条件、实时速度波动、乘员舒适偏好、路况及导航等因素共同构成PTM的实施挑战。此外，复杂路况、多变任务剖面与差异化驾驶风格等动态运行参数，显著提升了电动汽车领域PTM的技术要求，需依托先进控制算法与自适应优化策略以维持不同运行场景下的PTM效能。

图7.预测性热管理（PTM）的工作流程及其在电动车辆与电动垂直起降飞行器上的实施难度对比

相较而言，eVTOL应用通常采用点对点固定任务剖面与经专业训练的飞控人员，其系统在无干扰空域运行，无需应对地面车辆固有的复杂路况等变量。这些固有优势——包括专属航线、预设任务参数与标准化控制模式——共同降低了eVTOL中PTM的实施复杂度。图7同步展示了电动汽车与eVTOL预测性热管理实施难度的定性分析对比。

有效的热管理对电动垂直起降飞行器（eVTOL）的性能、安全及乘客舒适性至关重要。然而作为新型交通工具领域，该领域的系统性研究仍显不足。为推动行业发展，建议优先开展以下研究方向：

（1）采用比冷却功率、热阻、系统质量及能耗等标准化指标，对各子系统（电池、功率电子器件、电机与客舱）的冷却需求进行定量对比研究。此类评估将为开发优化热管理系统架构提供关键指导。

（2）建立热管理系统能耗量化方法，以"每千瓦热负荷所需能耗"或"占机载总储能比例"为计量单位，针对不同飞行阶段（起飞、爬升、巡航、下降、悬停及着陆）进行测算。这将为任务规划与热管理系统设计优化提供严谨依据。

（3）拓展不同动力系统架构（纯电动、混合动力及其他形式）下的热管理系统需求研究。这些架构独特的运行特性会显著影响热管理系统设计，包括部件布局、系统质量及传热路径等方面。

（4）推动客舱-电池-电机-功率电子器件冷却系统整体集成化研究。这种系统级集成有望降低能耗与整体热管理系统质量，同时提升运行效率。

（5）开发具有更高性能部件技术、更强系统集成度及更智能温控策略的下一代热管理系统解决方案，以支持电动垂直起降飞行器的规模化应用。