瞬时高热流密度下的热安全防线：基于相变-辐射冷却双模式的eVTOL动力电池热管理研究

摘要：低空飞行器（如电动垂直起降飞行器eVTOL、长航时无人机）在复杂飞行环境中面临严峻的热管理挑战：动力电池、电机控制器等核心部件在垂直起降阶段产生瞬时高热负荷，峰值热流密度可达200～500 W/m²；同时需要承受宽温域（-40～60℃）循环、强太阳辐射（≤1000 W/m²）等极端服役工况，并受限于轻量化（热管理系统质量占比≤15%）、低能耗（占整机能耗≤10%）的双重刚性约束。传统主动冷却系统（液冷、风冷）难以同时满足轻量化与高效散热的需求，亟需探索新型被动-半被动热管理技术。相变吸热技术凭借高潜热储热密度实现瞬时热冲击缓冲，辐射冷却技术通过大气窗口无能耗散热提供持续热排散路径，二者有机融合可构建适配低空复杂飞行工况的双模式热管理系统。本文系统综述了相变吸热与辐射冷却技术在飞行器热管理领域的研究进展，分析了单一技术的固有瓶颈，探讨了双模式协同散热机理。在此基础上，从材料性能优化、系统集成创新、多场景适配拓展及工程化落地四个维度，展望了双模式热管理的未来发展方向，为低空飞行器热管理提供轻量化、低能耗、宽工况适配的创新方案。

关键词：低空经济；电动垂直起降飞行器；热管理；相变材料；辐射冷却；双模式

一、低空飞行器热管理技术分析

1.1 低空经济的产业爆发与技术驱动

低空经济已被确立为国家战略性新兴产业。据中国民航局数据，2025年中国低空经济市场规模已达1.5万亿元，无人机运营企业近2万家，eVTOL年度订单总额超300亿元；2026年一季度产业规模突破9800亿元，同比增长67%。随着空域管理精细化、核心部件取证完成与基础设施网络成型，产业发展的政策、技术、市场三重壁垒全面突破，2026年有望正式从“试点飞行”阶段迈入“常态运营”元年。截至2025年底，我国注册无人机已达328.7万架；eVTOL市场规模预测约950亿元，核心零部件国产化率突破80%。据预测，到2026年中国低空经济整体市场规模将突破万亿，达到10644.6亿元。从应用场景来看，低空经济已由早期简单的定点航拍、农林植保，向复杂的高频物流运输、城市空中交通乃至载人出行全面拓展，对无人机及eVTOL系统的动力架构提出了严苛挑战。

1.2 低空飞行器热管理的核心挑战

功率密度的持续提升将热管理推至技术舞台的中央。低空飞行器的热管理问题远比地面电动车辆复杂，其特殊性体现在以下方面：

（1）瞬态高热流密度冲击。eVTOL在垂直起降阶段需输出数倍于巡航状态的峰值功率，起飞与着陆过程的热负荷呈爆发式增长，系统必须在极短的时间窗口内应对巨大的热量冲击。电池峰值热流密度可达200～500 W/m²，当电池温度超过45℃时，容量衰减率增加超过30%。

（2）极端环境耦合作用。低空飞行器需适应-40～60℃宽温域循环变化，强太阳辐射载荷最高可达1000 W/m²。在高空巡航时，稀薄大气使传统对流散热效率下降60%，宽温域工作循环会进一步加剧内部热应力损耗。

（3）轻量化与低能耗刚性约束。热管理系统质量占比不得超过15%，能耗占比需控制在10%以内。传统主动冷却系统（液冷、风冷）因能耗高（占整机功耗10%～15%）、质量大，难以满足未来高效低碳的发展需求，亟需探索新型被动-半被动热管理技术。

1.3 技术综述框架与短板识别

在相变冷却领域，国内外学者已开展大量基础研究。国外研究团队以石蜡为基体，复合石墨烯构建三维导热网络，将PCM导热系数从0.2提升至5.8 W/(m·K)，并通过铜泡沫封装实现1000次热循环无泄漏。国内清华大学团队开发出脂肪酸酯-碳纳米管复合相变材料，将相变温度精准调控至35～40℃，成功将无人机电池模组温差控制在3℃以内。然而，现有研究多聚焦单一相变材料性能优化，未充分考虑低空飞行器振动（5～500 Hz）、湿度（80%～95% RH）等复杂工况对封装结构稳定性的影响，且缺乏与其他散热方式的协同设计。

在辐射冷却技术领域，国外研发的SiO₂/PDMS复合涂层在大气窗口发射率达0.94、太阳反射率为0.92，成功使卫星组件温度降低8℃；国内研究团队通过仿生微纳结构设计开发出垂直双面辐射器，将冷却功率密度提升至传统方案的2倍。然而，现有辐射冷却涂层多针对高空恒定环境设计，在低空强太阳辐射、气流冲刷（速度≥200 km/h）条件下易出现太阳吸收率升高（＞10%）、涂层剥落等问题，且未与相变储热形成动态适配机制。

总体而言，当前研究存在三大短板：①相变材料与辐射冷却涂层的界面热阻未优化（＞0.05 K·m²/W），协同散热效率低；②缺乏适配低空复杂工况的智能切换策略，无法动态匹配热负荷波动；③系统集成度低，质量与空间占用未满足飞行器轻量化要求。

二、相变吸热技术在飞行器热管理中的应用

2.1 相变材料的热物理基础与核心优势

相变材料是一种在特定温度下通过相转变吸收或释放大量潜热的材料，能够在近乎恒温的条件下实现热量缓冲调节。这一特性使其在能源存储、建筑节能以及航空航天等对热管理要求极为严苛的领域展现出广阔的应用前景。相变材料在低空飞行器核心部件热管理中展现出独特优势，尤其在“高功率起飞-低功率巡航”动态工况中，具备高潜热特性的相变材料可将电池温度稳定在15～35℃的最优工作区间，避免低温下的容量衰减与高温下的循环寿命缩短（55℃时锂电池600次循环容量损失达70%）。

2.2 面向飞行器应用的相变材料设计进展

（1）高导热相变复合材料的构建。北京石墨烯研究院刘忠范院士团队提出“界面增强”设计策略，以石墨烯包覆氧化铝（G-Al₂O₃）为跨尺度热桥，构建PA/EG/G-Al₂O₃相变复合材料，在仅10 wt.%膨胀石墨和1 wt.% G-Al₂O₃的低填充量下实现了6.1 W/(m·K)的高导热率（较纯PA提升2033%），同时保持210 J/g的高相变潜热；经200次热循环后泄漏率低于5%、潜热衰减率小于2%。国防科技大学张鉴炜团队在石墨烯基相变复合材料的热管理性能方面取得了系统性进展，拓展了该材料体系的应用边界。

（2）防泄漏与循环稳定性强化。航天科工三院306所开发的微胶囊相变技术为低空飞行器提供了可靠的封装方案，其研制的相变温控装置在振动测试（加速度10g，持续24h）中实现泄漏率≤0.3%/循环，解决了传统相变材料在飞行器振动环境下的泄漏难题。中国民用航空飞行学院团队采用无机阻燃相变材料构建航空锂电池热缓冲层，通过动压变温实验舱验证表明，该相变材料在500次冷热循环后潜热衰减仍低于8%，有效解决了锂电池在宽温域下的热失控风险。

（3）电热协同相变效应。相变材料可较好地应用在封装电子器件热管理中，将Electro-PCM与Thermo-PCM进行耦合可以构建具有协同电热相变效应的复合材料。该材料成功将模拟电子芯片温度降低了49.32℃，展现出卓越的冷却性能与实际应用潜力。

2.3 飞行器热管理中的系统集成技术

北京航空航天大学团队通过流延取向和正-负压真空浸渍法构建了导热系数高达85 W/(m·K)的相变复合材料，有效解决了高功率电子器件的瞬时发热行为。在电池模组应用层面，eVTOL动力锂离子电池需维持20～40℃的最佳工作温度区间，电芯间温差须严格控制在5℃以内。研究提出的风冷-高导热板-相变材料混合冷却系统，将电池最高温度限制在37.9℃、最大温差控制在3.1℃，温度稳定性较纯被动冷却提升44.6%，空间占用减少19.5%、成组效率提升22.4%。

2.4 当前面临的挑战

相变材料在低空飞行器中的应用仍面临部分挑战：①相变材料易出现过冷现象，导致储热能力衰减，需通过添加成核剂（如硝酸铜、石墨烯量子点）进一步优化；②相变材料与飞行器结构材料（如铝合金、碳纤维复合材料）的界面热阻仍较高，影响传热效率，需开发新型界面结合技术（如等离子体预处理、界面涂层）；③大规模应用成本较高，如石墨烯增强相变材料的量产成本高于传统石蜡的10倍，需通过材料配方简化与工艺规模化降低成本。

三、辐射冷却技术在飞行器热管理中的应用

3.1 辐射冷却的基本原理与技术特性

辐射冷却是一种无需外部能量输入即可实现高效散热的被动冷却技术。其核心优势在于具备高太阳反射率（减少热源输入）与高红外发射率（增强热量输出）的双重特性，通过大气窗口（8～13 μm）将热量直接辐射至冷太空，实现无能耗散热。传统风冷系统在3000 m海拔地区热管理效率衰减40%，而辐射冷却材料凭借上述特性，为eVTOL、长航时无人机等装备提供了轻量化解决方案。

3.2 辐射冷却材料研究进展

（1）聚合物基复合涂层。上海理工大学团队开发了六方氮化硼/聚乙烯醇（h-BN/PVA）复合薄膜，通过仿生定向组装结构实现96.5%的太阳反射率与0.95的中红外发射率，同时将导热系数提升至23.6 W/(m·K)，在无人机电子设备测试中将热平衡温度降低18℃以上。华南理工大学开发的焦耳热石墨烯/环氧航空涂层在添加4 wt.%改性石墨烯时，使铝散热器平衡温度降低14.2℃，散热效率提升至24.15%，且能经受剧烈温差冲击。

（2）仿生微纳结构设计。Wang等通过聚合物的相分离开发了超疏水PS/PDMS/PECA辐射冷却涂层，太阳光反射率和中红外发射率分别大于88%和92%，实现了低于环境温度3.6℃的降温。分级微纳米结构赋予其超疏水表面，在80次磨损循环后水接触角仍保持150°，在恶劣户外环境中暴露100天后静态接触角仍高于150°，确保了冷却性能的持久稳定。

（3）高空极端环境适应性验证。北京航空航天大学团队研发的多层纳米颗粒-聚合物超材料在平流层飞艇应用中验证了极端环境适应性，地面实验显示其正午温度较传统Silica/Ag材料低6.7℃，飞行试验记录到15.4℃的最大降温效果，为低空飞行器高空巡航场景提供了技术参照。中南大学团队的外壳辐射冷却涂层研究通过3D打印微纳结构设计将热辐射效率提升至92%，在载人eVTOL客舱温度控制中实现±1.5℃的波动精度，满足适航认证要求。

3.3 低发射率辐射制冷层

作者团队设计了一步法制备的冷辐射制冷层，该材料具有超低辐射率（0.07），允许按需温度无能量调制。与周围环境相比，辐射冷却侧温度下降了4℃，该策略为彩色低发射率材料的可扩展制造和应用提供了有效帮助。

3.4 当前面临的挑战

辐射冷却技术仍面临多重挑战。高温环境下的辐射冷却性能稳定性不足，尽管新型涂层在70℃时仍能保持0.8以上的发射率，但低空飞行器表面因气动加热产生的140～650℃温度梯度仍可能导致涂层开裂与性能衰减。在工程应用中，辐射冷却层与飞行器气动外形的兼容性问题突出，需在保证散热效率的同时避免增加空气阻力。此外，高反射率涂层的雷达隐身冲突、复杂工况下的耐久性测试标准缺失等问题，也制约着技术的规模化应用。

四、相变-辐射冷却双模式热管理系统及其应用

4.1 双模式协同设计理念

将相变吸热与辐射冷却相结合构建双模式热管理系统，不仅解决了单一散热方式的固有局限——相变材料储热容量有限、辐射冷却在高负荷时响应不足——更契合低空飞行器对轻量化、低能耗的严苛要求。其核心协同机制为：“高负荷储热、低负荷散热”。在高负荷阶段，通过高潜热相变材料快速吸收瞬时热量，将电池温度稳定控制在15～35℃最优工作区间；在低温稳定阶段，辐射冷却涂层将热量无能耗辐射至环境，实现持续排热与相变材料再生。该双模式热管理技术有望进一步与飞行器结构件融合，实现“结构承载-热管理”一体化，为城市空中交通、低空物流等场景的规模化落地提供关键热控支撑。

4.2 典型双模式系统研究成果

（1）温度自适应相变-辐射冷却系统。西南交通大学团队提出的温度自适应相变-辐射冷却系统巧妙地解决了传统辐射材料夜间过冷的难题。该系统采用PDMS@BN泡沫负载相变材料正十八烷，在28℃相变点实现光学性能智能切换：高温时展现96%的太阳反射率与93%的红外发射率，净冷却功率达58.6 W/m²；低温时通过相变放热补偿辐射损失，净加热功率为6.8 W/m²。顺丰丰翼无人机采用类似技术后，单次航程从80 km提升至120 km，验证了该技术的经济效益。

（2）防泄漏双模式冷却器。南方科技大学团队创新性地将相变材料与辐射冷却技术耦合，开发出h-BN/PDMS复合涂层的防泄漏冷却器。该系统在2000 W/m²热冲击下可实现35.3℃的瞬时温降，其高反射/高发射辐射层（太阳反射率92%、大气窗口发射率94%）与相变层的协同作用，为无人机高空巡航阶段提供了无能耗散热路径。

（3）Janus结构双模热调控系统。北京化工大学汪晓东教授团队开发的双层结构Janus气凝胶/相变材料复合体系，将辐射冷却层与太阳能加热层通过相变材料耦合，可动态响应环境与季节变化。在制冷模式下，材料于1057 W/m²日照下实现14.2℃的最大亚环境温降；在制热模式下，当阳光强度达772.8 W/m²时升温14.9℃。

（4）自适应双模式热管理器件。在空间探测领域，研究人员开发的具有形状记忆Janus阵列的双模式热管理器件（TAMSJ），利用温度响应非对称结构的动态形变实现保温模式与辐射冷却模式的自适应切换，红外发射率在0.04～0.90之间可调，为低空飞行器智能热管理提供了重要参考。

4.3 在低空飞行器中的应用效果与效能提升

在无人机整机应用中，采用微胶囊相变树脂（相变温度50℃，潜热180 J/g）填充电子舱间隙的设计，实现了“被动散热+结构承载”的功能一体化，使热管理系统质量降低20%。本文作者团队已初步搭建了相变-辐射冷却双模式热管理系统，通过“高导热相变材料模块+双层伪装色辐射冷却涂层模块”的协同作用，达成高效热控与环境伪装一体化的功能。系统采用高导热石墨烯碳泡骨架支撑石蜡基相变材料，配合TiO₂/丙烯酸酯与伪装色涂层的双层结构设计，实现了“高效储热控温+被动辐射散热+多色伪装”三重功能集成，适用于户外、特种装备等对热管理与隐蔽性均要求高的电子设备场景。

五、挑战与未来展望

尽管相变-辐射冷却双模式热管理技术已展现出显著优势，但面向低空飞行器商业化落地的实际需求，在材料性能、系统集成、场景适配及工程化方面仍存在关键挑战。

5.1 材料性能方向：向“高适配性、多特性协同”迭代

当前双模式系统的核心材料仍存在性能短板。在低空飞行器特有的高频振动（5～500 Hz）、宽温域循环（-40～60℃）下，相变封装仍面临泄漏问题（循环500次后泄漏率超5%）、潜热衰减（达10%～15%）等挑战；辐射冷却涂层易出现开裂和发射率衰减（衰减超8%）。未来需重点开发“多特性协同”的功能材料，通过分子设计构建“有机相变基体-无机增强相-弹性封装层”三元体系，实现循环无泄漏，同时将相变温度调控精度缩小至±2℃，适配不同核心部件的温度需求（电池35～45℃、电机50～60℃）。针对辐射冷却涂层，需研发“耐温-抗老化-低气动阻力”一体化涂层，例如在SiO₂/PDMS涂层中引入碳化硅纳米颗粒提升耐温性能，同时通过仿生蛾眼结构等微纳结构优化降低空气阻力系数。

5.2 系统集成方向：向“结构-热管理一体化、智能自适应”升级

现有双模式系统多以独立模块形式存在（如相变热沉、辐射冷却板），不仅占用飞行器内部空间，还需额外质量支撑（质量占比5%～7%），难以满足“轻量化、紧凑化”设计需求。未来系统集成需向“结构-热管理一体化”方向设计，将相变材料灌注至eVTOL电池舱壳体的蜂窝状多孔结构中，外表面直接制备辐射冷却涂层，使壳体同时具备“承载-储热-散热”三重功能。同时需构建基于传感器与AI算法相融合的智能热管理系统，通过采集工况数据并结合深度学习算法预测热负荷变化趋势，动态调整相变储热优先级与辐射冷却时长，实现从“被动响应”向“主动预判”的升级。

5.3 场景适配方向：向“极端环境、多类型飞行器”拓展

当前双模式系统的验证场景多集中于常规低空环境（温度0～35℃、海拔3000 m以下），而低空飞行器的应用边界正不断拓展至极地科考、高原作业（海拔5000 m以上）、临近空间巡航（海拔10～20 km）等极端场景。未来需针对不同场景与飞行器类型开展定制化研发：对于极地无人机，可在相变材料中引入低熔点金属实现低温下主动放热，同时优化辐射冷却涂层的低温稳定性；对于氢能eVTOL，可设计“相变储热-辐射冷却-氢燃料预热”协同系统，利用相变材料吸收燃料电池产热，在冬季通过辐射冷却控制电池温度的同时将储存的热量用于氢燃料箱预热（避免燃料结冰），提升能源利用效率。

5.4 工程化落地方向：向“标准化、低成本、高可靠”推进

双模式热管理技术的现有研究多基于实验室静态工况（如恒定温度、无振动），而低空飞行器的实际运行工况包含振动、气动加热、紫外线照射等多因素耦合。石墨烯增强相变材料的量产成本约为200元/kg（是传统石蜡的10倍），高发射率辐射冷却涂层的制备成本约为500元/m²，制约规模化应用。需通过工艺优化降低成本，例如采用连续化微胶囊技术制备相变材料，开发辊涂、喷涂、刮涂等便捷工艺替代真空镀膜制备辐射冷却涂层。未来需联合飞行器厂商开展长期户外验证，在物流无人机上搭载双模式系统进行常态化运营测试，记录不同季节、不同海拔下的性能衰减规律，建立可靠性数据库，为系统优化提供数据支撑。

5.5 技术变革展望

未来3年，双模式热管理技术将迎来重大变革。这些变革不仅将使低空飞行器的续航能力提升，更将推动热管理系统从“性能保障部件”升级为“能效优化核心”，为低空经济的安全、高效、可持续发展提供坚实支撑。当双模式技术与氢能动力、自动驾驶等技术形成协同创新合力，低空交通网络的“热韧性”将得到根本性提升，最终解锁城市空中物流、应急救援等场景的商业化潜力，推动城市空中交通、低空物流等场景从“技术验证”走向“商业化落地”。

六、结论

（1）基于相变-辐射冷却的双模式热管理技术，通过有机融合相变材料“被动储热缓冲”与辐射冷却“无源高效散热”的特性，可构建适配低空复杂飞行场景的热管理新方案，从根本上突破传统单一散热方式的性能局限，为低空飞行器热管理提供全新技术路径。

（2）双模式协同性能显著优于传统方案，通过“高负荷储热-低负荷散热”动态适配机制，降低了系统质量与能耗，同时规避了主动散热的管路泄漏风险。应用场景适配性覆盖多元低空需求，可有效抑制动力电池热失控、延长循环寿命，在常规低空、高空、极寒等多元场景中具有普适性。

（3）双模式技术展现出良好的工程化潜力。通过“结构-热管理一体化”设计，将相变材料灌注于电池舱壳体、辐射涂层直覆蒙皮，契合轻量化需求；借助连续化微胶囊工艺与辊涂技术，可有效降低相变材料与辐射涂层成本；配套的多传感器融合智能调控模块进一步保障了工程化应用的可靠性与精准性。

（4）该技术对低空经济发展具有关键战略意义。从材料研发、系统集成到工程化落地形成完整技术链条，其“被动式、轻量化、高适配”的核心优势，不仅破解了低空飞行器热管理的核心难题，更为城市空中交通、低空物流、应急救援等低空经济场景的商业化落地提供关键热控保障，推动低空装备向“更安全、更高效、更低碳”方向升级，助力低空经济规模化发展。

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