eVTOL选型指南（动力篇）

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在上一篇中，作者对多旋翼、复合翼、倾转旋翼等eVTOL主流构型进行对比研究，厘清了各自的优劣势及适用边界。本篇文章，作者将继续对eVTOL的动力方案选型进行分析，包括锂电池、氢燃料电池以及混合动力三种主流选择，为eVTOL研发选型、场景精准匹配提供依据参考。

前篇回顾：

动力方案分析

电推进是eVTOL的核心特性，目前主流的电力供给方案有三种——锂电池、氢燃料电池和油电混动。锂电池是一类电池的统称，以含锂化合物或锂金属单质作为电极材料，通过金属原子在正负极之间得失电子产生电能。氢燃料电池是一种能量转化装置，本身不存储能量，通过外部供给的氢燃料和空气中的氧气化合反应产生电能。航空混合动力技术包括串联、并联、串并联等多种技术架构，在eVTOL飞行器上普遍使用的是串联涡轮电混合动力技术，前端的内燃机（涡轮发动机或活塞发动机）通过化学燃烧释放热能，主要以机械轴转动功率形式输出能量，经由发电机为电动机提供电力。以上三种动力方案具有不同的特点和优势区间，目前处于并行发展阶段。

eVTOL的三种主要动力方案选择

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锂电池动力方案

锂电池包括正极材料、负极材料和电解质三个主要组成部分。石墨正极+三元锂负极+液态电解质是目前最成熟的技术方案，eVTOL飞行器上已装机产品的单体能量密度一般在300到350 Wh/kg，对应的最大航程可以达到200到250 km，未来1到2年有望提高到400 Wh/kg左右。短期的技术提升方案是新材料/新技术与现有成熟技术的组合，例如固态/半固态电解质+石墨/硅基负极、液态电解质+锂金属负极，实现难度低，技术风险相对可控，未来3到5年有望实现单体能量密度500 Wh/kg以上电池产品的量产，可以将eVTOL的最大航程提高到300到400 km，满足绝大多数应用场景的使用需求。如果要进一步提高eVTOL飞行器的续航能力，锂电池单体能量密度增加到600甚至是700 Wh/kg以上，需要正负极材料和电解质的全方位升级，例如固态锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池等，五年内工程实现难度极大。

锂电池不同技术路线的性能表现

按照锂电池目前的技术发展水平和未来3到5年内的发展趋势，纯电动力eVTOL飞行器可以满足绝大多数应用场景的使用需求。锂电池的使用成本和便捷性要优于氢燃料电池和油电混动方案，碳排放和噪声污染也更低，但锂电池在低温环境下存在严重的续航衰减，针对部分极端环境的适应性不如另外两种动力方案。如果对eVTOL航空器的续航能力提出更高的要求，应当优先考虑氢燃料电池或油电混动方案。

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氢燃料电池动力方案

氢燃料电池动力方案由储氢端和燃料电池端组成。氢的存储方式有高压气氢、低温液氢、固体吸附储氢等,高压气氢的储氢密度适中,存储时间较长，适用于轻型长航时的应用场景。低温液氢的储氢密度较高，钛合金、复合材料液氢瓶存储质量比达到20%以上，但存在氢燃料随时间蒸发的问题，适用于大载重长航程的应用场景。固体吸附储氢效率低，使用成本高，适用于部分特殊作业场景。

氢燃料电池主要包括电池堆、空压机、氢气循环泵电机及控制器等辅电部件（BOP）。电池堆的核心原理是氢气和氧气生成水的电化学反应、传热传质以及多尺度多相流。氢燃料电池在航空领域应用的主要问题是功率密度偏低，起飞、爬升、悬停等高负载飞行阶段的供电压力较大，业界普遍采取的方案是将氢燃料电池与锂电池组成混合供电系统。

氢燃料电池的核心原理

与锂电池相比，氢燃料电池的等效能量密度可以达到1000 Wh/kg以上，续航能力更优。与油电混动方案相比，氢燃料电池避免了发动机产生的诸多问题，例如噪声、震动、尾气排放等。在低空经济的发展构想中，eVTOL将大量在城市上空飞行，对噪声、排放极其敏感。氢燃料电池的理论航程远超锂电池，噪声和排放比燃油更低，是城市长距离飞行的最佳选择。另外，在同等条件下氢燃料电池的需氧量低于燃油发动机，氢的燃烧效率和氢电转化效率也更高，在高原低氧环境中的适应性显著强于传统的燃油动力飞行器。

氢燃料电池方案的主要短板有以下几个方面：其一、氢能eVTOL飞行器对氢的生产、储运、加注等上游环节的依赖度较高，我国目前的氢能产业仍处于建设阶段，制约了氢能飞行器的大规模应用；其二，氢的使用成本远高于锂电池和传统燃油，虽然终端价格在逐年降低，在经济性方面仍不具备竞争力；其三，氢的低密度导致其体积巨大，储氢装置结构重量偏大，氢燃料电池的功率密度也处于较低水平，虽然与锂电池相比有一定优势，综合性能表现仍无法超过传统燃油动力飞行器。

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油电混合动力方案

混合动力方案是一种兼顾了燃油直升机和电动eVTOL优势性能的折中选择。eVTOL的混合动力推进系统主要有串联式、并联式、串并联混合式三种。串联式混合动力系统通过解耦燃油发动机与螺旋桨，保证发动机能够始终在最佳条件下工作，但缺点是功率转换效率较低。并联式混合动力系统的机械结构更简单，燃油发动机和电动机分别驱动不同的螺旋桨或连接到同一主轴上，缺点就是燃油发动机不能一直工作在最佳条件。串并联混合电推进系统结合了串联和并联系统的特点，发动机既可以驱动螺旋桨产生动力，也可以驱动发电机产生电力，在飞行器运行过程中灵活调配能量和动力。

串联混合动力（涡轮电）的核心原理

混动系统的核心优势是更强大的续航能力，更低的使用成本与更成熟的技术产品。虽然混合动力系统增加了涡轮发动机、发电机等额外部件，同时也降低了eVTOL飞行器对大容量电池的依赖，简化了BMS、热管理系统、电力变换等功能组件。有研究者提出，纯电eVTOL需要管理数百个的电池单元，每个电池单元都是潜在的故障源，混动系统简化了这些控制难题。

与另外两种动力方案相比，混动系统保留了燃油发动机，噪声、碳排放、震动等问题仍未得到解决。因此，业界有观点认为混合动力方案是电池技术尚未达标之前的过渡选择，或者用于少数不需要关注噪声、排放问题的eVTOL飞行器。

结论

电推进是eVTOL飞行器的核心特征，电力来源可以是锂电池、氢燃料电池或涡轮电混合动力。绝大多数整机制造商选择了纯电动力方案（完全由锂电池供电），综合性能最佳，满足主流应用场景需求。氢燃料电池适用于对航程、载荷要求更高的特定场景，同时也可以满足城市环境对噪声、污染排放的高要求。混合动力的技术成熟度高、使用成本低，在远离城市或人员密集区域有较好的应用潜力。综合来看，单一的锂电池供电仍是eVTOL的主流选择，氢燃料电池和涡轮电混合动力满足一些特殊需求的场景。

中国航空工业发展研究中心 纪宇晗 王翔宇

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