在此前的【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（上）——分布式推进系统解析中，阐述了eVTOL采用分布式电推系统的逻辑，然而，若对eVTOL动力系统的讨论就此戛然而止，则无太大意义，因此，需进一步分析在上篇文章末尾提到分布式推进系统的布局方案，因为既然布局存在不同，意味着后续的发展可能会出现分化，因此本文旨在讨论eVTOL的动力系统究竟是以混动为主还是纯电为主。当然这一切都建立在“eVTOL未来的商业应用是明确的”这一假设前提之下，而该假设也是一个非常有争议的讨论，将会未来放在其他文章中再去讨论。
讨论eVTOL的动力系统究竟是以混动为主还是纯电为主，其实是在讨论两个问题：（1）现有的动力系统技术路径能是否能支撑eVTOL的商业应用；显然，如果该问题的答案是肯定的，那全文则无讨论意义；但答案若是否定的，则我们需要知道问题出在哪里；（2）技术路径的讨论，即哪种路径发展成熟的概率较大。
1.现有的动力系统技术路径能是否能支撑eVTOL的商业应用
要回答该问题，我认为有必要对传统通用航空的商业应用进行分析，而要分析通用航空，不妨先看看该产业发展最早且最成熟的美国。美国通航飞行器基本上由80%的活塞+15%的涡轮（主要是涡桨）构成。
（图：美国通用航空飞行器动力系统结构分布及发展趋势（FAA预测））
（相关数据请关注本公众号，发送“美国通航”获取）
从市占率较高的德事隆航空（Textron）旗下机型的航程和载重来看，如果我们要依靠eVTOL去替代这样的飞行器，现在目前无论是载重还是航程都达不到，原因即传统通航采用成熟的活塞和涡桨发动机。但我们目前对于航发的正向研发还处于不成熟阶段，尽管国内部分企业能够对世界一流的活塞发动机的侧仿取得不错的效果，但痛点在于侧仿难以拿到民用适航，在发展低空经济后续的城市/城际交通的应用中，是亟需攻克的一大难题。
（图：左-塞斯纳480（涡桨）、右-塞斯纳172（活塞））
（图：至少在2021年前，我在役小型民用涡桨发动机大部分是PW的PT6系列产品）
因此，要看国内纯电eVTOL是否能够担当大任，可对目前各家整机厂的数据进行观察。根据盛世龙官方公布的参数为：最大航程250+公里，最大载荷350公斤；沃飞AE200官方公布的参数为：最大航程200公里，货运典型载荷500公斤/5m3；航程和传统通航飞行器之间存在较大的差距。
（图：峰飞盛世龙相关参数）
（图：沃飞长空AE200相关参数）
当然，这并不是说国内的eVTOL就不如海外的eVTOL，而是和传统通航飞行器之间存在差距。我们来看海外eVTOL的参数，能看到诸如Joby 5座和Archer Maker的航程都在150英里（240km）以内，和国内相差不大。
限制eVTOL航程的关键问题之一在于，纯电路径对电池的要求较高，与电动汽车和小型无人机不同，其要求电池在较轻自重下既可以保证足够长的续航，又可以满足起降阶段的高功率密度，并且，由于eVTOL无法像汽车刹车随时制动，所以对电池可靠性要求会更加严苛，确保在供电失效或故障等极端情况下实现安全降落。
（图：电动车和eVTOL对锂电池的性能需求对比）
目前eVTOL电池能量密度（SP）已来到285Wh/kg水平，高出乘用车三元电池（200Wh/kg）四成，实现量产的电池SP可满足部分eVTOL在250公里以内的续航需求，但即便如此，要满足eVTOL的商业使用，对应的能量密度还需持续上探；功率密度（SE）方面，由于eVTOL起降对于SE需要达到1.5-2.0kW/kg。整体面临量产的技术难以兼顾，前沿的技术难以量产的问题。
（图：当前eVTOL的SP和SE与锂电池技术发展情况）
2.技术路径讨论
在第一部分，已经对发动机技术和纯电技术存在的问题进行了初步探讨。不考虑传统单纯依靠活塞和涡轮发动机推进的方式，而主要讨论纯电和混动两种技术路径。
2.1纯电路径
纯电推进系统由供电系统和电力推进系统组成，不需要发动机。电池是全电推进系统中提供能源的关键部件之一，而电池技术目前也被认为是纯电推进系统最大的限制，上文已经进行过相关讨论，但在此在引用两个数据：（1）NASA认为在30年时间范围内电池不太可能成熟到满足FAA认证要求的程度；（2）保时捷咨询认为，一旦evtol使用能量密度为400至500 Wh/kg的电池，DEP的效率和性能将优于内燃机，而突破的时间，保时捷咨询给到2035年之后，相对与NASA要乐观一些。
（图：电池能量密度发展趋势预测）
2.2混动路径
混动推进系统是指由发动机与电动机共同作用的推进系统，类似于油电混合动力汽车的架构，进一步根据发动机是否直接提供推进动力，混动可再分为并联式架构和串联式架构。
并联式架构：发动机与电动机通过传动装置共同驱动螺旋桨。发动机在最佳工况点附近运行，电动机用来提供不足的功率，当发动机输出功率大于飞行所需时，电动机作为发电机运行吸收多余能量。系统效率较高，燃油消耗较少。但由于发动机通过传动装置直接耦合到飞机螺旋桨驱动轴上，传动装置的存在限制了效率的进一步提高。
串联式架构：发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，能实现发动机与电动机的解耦，使得发动机能够始终在最佳工况点附近稳定运转，效率高、排放性能好。
（图：eVTOL动力系统技术路径）
混合动力结合了传统燃油飞机的特点，相比纯电动飞行汽车的性能优势明显：最大起飞重量和电池重量降低、巡航高度更高、巡航距离更长、载荷能力更强。
（图：本田混动长续航数据展示）
目前来看，采用混动技术路径的相关厂商的产品已取得较为优异的性能。如ELROY Air的Chaparral C1采用DEP+涡轮发电机+电池架构，航程达到483km+，显著高于纯电eVTOL。
（图：Chaparral C1混动eVTOL能实现400-500km的航程）
根据相关论文显示，混动路线的优势体现为：（1）巡航高度高：巡航高度对纯电推进飞行器和并联式飞行器影响最大，对内燃机全电推进飞行器和混联式全电推进飞行器影响相对较小；（2）巡航距离远：纯电推进飞行器总重的变化远高于其他三种推进系统的飞行器，且最大巡航距离也远小于其他三种推进系统的飞行器；（3）载荷能力强：有效载荷对纯电推进飞行器总重影响最大，且远高于其他三种推进系统飞行器。
（图：混动的优势体现）
目前，有些研究报告中提到：由于电池能量密度快速提升，eVTOL纯电技术项目数量占比达66%，混动占28%。我对这一结论有2个思考：（1）纯电路径占比如此之大，显然走的不是“eVTOL替代通航飞机”这条逻辑，若如此，有必要警惕市场上涌现越来越多的纯电整机企业；（2）混动占比的这28%中，显然反映了该路径的发展存在较大的阻力，大概率就是航空发动机，因此尽管eVTOL是新产业，但是对于航发的拉动和迫切性都不容小觑。
本篇到这里实际上还未对混动路径的细分进行展开，在动力系统系列的最后一篇，将继续讨论相关路径涉及到的产业环节。
参考资料：
The Economics ofVertical Mobility：A guide for investors, players, and lawmakersto succeed in urban air mobility
孔祥浩，张卓然，陆嘉伟，等．分布式电推进飞机电力系统研究综述[J].航空学报，2018
宗建安.飞行器混联式全电推进系统设计与能量管理研究(国防科技大学研究生院)
原文始发于微信公众号（宝哥研究室）：【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（中）——混动还是纯电？
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