שלבי ההפעלה של eVTOL זקוקים לכמויות שונות של כוח; חלקם דורשים מהסוללה לפרוק כמויות גבוהות של זרם במהירות, מה שמקטין את המרחק שהרכב יכול לעבור לפני שהסוללה שלו חייבת להיטען מחדש. קרדיט: אנדי ספרולס/ORNL, משרד האנרגיה של ארה"ב
ניתוח סוללות eVTOL מגלה דרישות תפעול ייחודיות.
חוקרים במעבדה הלאומית של אוק רידג' של משרד האנרגיה מקדמים תחבורה נקייה על ידי פיתוח ובדיקה של טכנולוגיות סוללה חדשות עבור כלי רכב חשמליים המסוגלים להמריא ונחיתה אנכית.
מטוסים אלה, הנקראים בדרך כלל eVTOLs, נעים בין מל"טים למסירה למוניות אוויריות עירוניות. הם נועדו לעלות לאוויר כמו מסוק ולטוס באמצעות מעליות כנפיים כמו מטוס. בהשוואה למסוקים, eVTOLs בדרך כלל משתמשים ביותר רוטורים מסתובבים במהירות נמוכה יותר, מה שהופך אותם בטוחים יותר ושקטים יותר.
מכשירי החשמל המוטסים אינם רק מכוניות מעופפות, וחוקרי ORNL מסיקים שלא ניתן להתאים סוללות eVTOL רק מסוללות מכוניות חשמליות. עד כה זו הייתה הגישה הדומיננטית לטכנולוגיה, שנמצאת בעיקר בשלב הדוגמנות. חוקרי ORNL נקטו גישה שונה על ידי הערכת האופן שבו סוללות ליתיום-יון מסתדרות תחת צריכת חשמל גבוהה במיוחד.
"תוכנית eVTOL מציגה הזדמנות ייחודית ליצירת סוג חדש לגמרי של סוללה עם דרישות ויכולות שונות מאוד ממה שראינו בעבר", אמר איליאס בלחארואק, עמית ORNL Corporate שמנחה את המחקר.
חוקרים מפתחים חומרים עתירי אנרגיה חדשים, לומדים כיצד חומרים אלו מתכלים בתנאים קיצוניים, ומפתחים מערכות בקרת סוללות. "זה מחייב אותנו לענות על שאלות על יחסי הגומלין של בטיחות הסוללה, חיי מחזור ויציבות בטמפרטורות גבוהות, תוך איזון בין הצורך בהתפרצויות קצרות של הספק גבוה עם עתודות אנרגיה לטיסה לטווח ארוך יותר", אמר בלהרואאק.
מחקר מתקדם בביצועי סוללות ובטיחות
התוצאה העיקרית הראשונה מפרויקט מחקר נרחב של eVTOL המתבצע ב-ORNL היא שדרישות הכוח והביצועים לסוללות eVTOL יכולות להפחית משמעותית את אורך החיים והעמידות שלהן.
שלא כמו סוללות רכב חשמלי, שבדרך כלל מתרוקנות בקצב קבוע, סוללות eVTOL זקוקות לכמויות שונות של כוח עבור שלבי טיסה כגון טיפוס, ריחוף וירידה, כאשר חלק מהשלבים דורשים פרצי כוח גבוהים.
"עכשיו אנחנו יודעים יותר על מה שנדרש מסוללת eVTOL, נצטרך להנדס מערכות בצורה שונה כדי להשיג זאת", אמרה החוקרת הראשית של ORNL, Marm Dixit. "ההתמקדות שלנו היא בסיסית: מה קורה לחומרים בעומסים ובתנאי תפעול ספציפיים אלה? אנחנו מנסים להבין את המגבלות של כימיה הסוללה שיש לנו עכשיו, ואז לכוון את הסוללה כדי לגשר על הפער הזה".
בדיקה ופיתוח סוללות חדשניות
צוות ORNL ייצר סוללות ליתיום-יון במתקן לייצור סוללות DOE הממוקם ב-ORNL והפעיל אותן בשלבי טיפוס מדומים של מטוסי eVTOL. מדענים חקרו מה קרה בתוך הסוללה במהלך רכיבה על אופניים – כולל כמה אנרגיה הייתה נגישה במהירות בשלב ההמראה התובעני – ואז בדקו את חומרי הסוללה לאחר מכן לאיתור קורוזיה ושינויים כימיים או מבניים אחרים.
חקירה שיטתית המקשרת בין פרופילי טיסה בפועל לפעולת סוללה פיזית בזמן אמת היא נדירה. עם זאת, זוהי בסיס מפתח לפיתוח כימיקלים חדשים של סוללות כדי להשיג ביצועי טיסה בטוחים.
המחקר משלב בדיקה של אלקטרוליט חדש שפותח על ידי ORNL – חומר שדרכו אלקטרודות מחליפות יונים – מול הגרסה העדכנית הנוכחית המשמשת בסוללות ליתיום-יון. באמצעות פרופילי המשימה של eVTOL, האלקטרוליט ORNL פעל טוב יותר, תוך שמירה על קיבולת רבה יותר בשלבי הטיסה הדורשים ביותר.
תוצאות אלה מדגימות את הצורך לגוון את אופן מדידת ביצועי הסוללה, אמר Dixit. "הסוללה שלך היא לא רק קיבולת בתום 1,000 מחזורים. זה מה שקורה בתוך מחזור שאומר לך אם המערכת שלך עומדת לעבוד או לקרוס. וההימור כאן הרבה יותר גבוה כי אתה שואל כמה בטוח לעלות לאוויר. זו שאלה שאנחנו לא יודעים את התשובה עליה – עדיין".
חברי צוות המחקר עובדים על שיפורים נוספים באלקטרוליט ורכיבי סוללה אחרים כשהם דוחפים את המגבלות ההנדסיות עבור כוח סוללה, מטען ובטיחות. ניסויים אחרונים כללו איסוף נתונים מהעולם האמיתי מטיסות רחפנים מעל הקמפוס של המעבדה, ולאחר מכן שימוש במידע זה כדי לפתח פרופיל מותאם אישית של העומס ולהשתמש בסוללה. סוללות מתוצרת ORNL הופעלו אז באותם מחזורים.
המימון לפרויקט ניתן על ידי מעבדת המחקר לפיתוח יכולות לחימה של צבא ארה"ב באמצעות תוכנית המחקר החיוני של כוח טקטי והנעה. חוקרי ORNL Anuj Bisht ו- Ruhul Amin וחוקר ORNL לשעבר Rachid Essehli תרמו למחקר, אשר השתמש גם במרכז למדעי החומרים הננו-פאזיים, מתקן משתמש של משרד ה-DOE של המדע ב-ORNL.
