在【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（中）——混动还是纯电？中，对混动和纯电路线（架构）的发展做了初步展望：（1）目前eVTOL多以纯电技术路径为主，但受制于电池能量和功率密度，长航程、大载重的eVTOL商业化落地依然离我们还有一定距离；（2）混动技术路线占比只有28%，市场上也有厂商正布局该路径，并取得了不错效果，但客观来讲，国内民用航发尚有问题需不断攻克，因此混动路线的成果推进也并非朝夕。
（表：国内外纯电和混动eVTOL方案）
作为动力系统系列的最后一篇，本篇要回答的问题主要有2个：（1）既然此前的文章更看好混动路线，那如何理解今年3月工信部等联合发布的《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》提出的“以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线...”？（2）补坑，混动的不同布局之间有无主流之分？
1.混动系统的性能收益
回答第一个问题，可以进一步看看混动系统的性能收益。
我的理解是，首先，“以电动化为主攻方向”应该是考虑到国内动力和储能电池强大的供应链和降本能力的优势，其次，之所以“兼顾混合动力...”不是说混动不重要，在目前大多数电动飞行器定位正向通航和城市间的方向发展的背景下，纯电和混动两条路径都有卡点，但卡点的性质不同，前者卡点是“技术未突破”，比如固态电池；后者是“已有方案验证，但部分技术需要进行优化“，如航发。因此，“以电动化为主攻方向”当然没有问题，但场景及商业模式需要去验证的背景下，混动是一个更加可施行的方案。
除此之外，混动路径实际上还有自身的优势：
（1）降低任务剖面综合燃油消耗：这个很好理解，电动垂直起降目前较大的问题在于任务剖面上的对功率和能量的要求不一致，如eVTOL在垂直起降阶段需要的电池放电功率是巡航阶段的3倍左右，且电池的放电功率会随着电量的降低而降低，这需要预留充足电量用于起降，而混动能够通过飞行任务剖面的综合能量优化管理，可降低任务循环的综合燃油消耗量。
（图：垂直起降任务剖面）
（表：不同阶段的Power/Energy ratio）
（图：混合动力系统全剖面能量优化利用示意）
（2）降低发动机设计难度以及制造成本：混动系统能够均衡飞行器在起飞、爬升以及巡航段所需的功率，优化发动机的设计参数，储能系统可在发动机功率不足时提供补充能源或在功率过剩时吸纳多余功率，既可以让发动机始终处于高效工作点，也能减小发动机高功率工作范围，从而降低了发动机设计难度以及制造成本。
（图：分布式构型混合动力）
（3）提升发动机电功率供给能力：混动系统在设计阶段即考虑到高功率电能提取能力，在功率需求较大的情况下，可以通过降低推力，将可用功大量转换为电能，大幅提升瞬时电输出功率。
（图：UEC研究基于VK-650V发动机的混合电推进装置）
基于以上优势，eVTOL的应用场景能够依靠稳定的续航提升得以延伸，同时混动的更高效的能量利用，能够兼顾拓展场景应用的同时，满足经济性的要求。
2.串联和混联有差吗？
关于混动串联和混联架构，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和【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（中）——混动还是纯电？都进行过解释。一般来讲，根据不同的飞行器设计要求，可选择相应的混合电推进系统方案。“混合电推进系统”的本质可理解为将电力与至少一个其他电源(通常为燃料动力电源)进行组合，而其选型方案关系到“混合的程度”到底有多大。
假定以内燃机与储能电池作为的动力电源组合，则串联还是并联是首要确定的问题。在串联架构中，源端由发电机、整流器以及相连的电路分支构成，负载端包括逆变器、电动机和齿轮减速器以及连接到总线的分支电路。电池与电力系统的总线相连，通过充放电对负载端的功率进行调节。
（图：采用串联架构的混合电推进系统）
因此，从分系统组成之间功率传递的性质来看：在串联混合电推进装置中，功率是用电传递，而在并联混合电推进装置中是机械传递。
（图：混联方案——并联（上）vs串联（下））
此外，结合相关资料以及NASA的说法，并联架构主要存在的问题是，并联架构增加了机械联轴器的复杂性，此外由于功率流必须由两个电源调节和混合，还增加了控制的复杂性。因此，结合以上不需要传动系统，结构简单，成本低等特点，或许串联结构在混动架构中更加适用，成为主流方向的概率较大。
3.电机——绕不开的关键技术
不论串联还是并联，也不管是纯电还是混动，采用DEP动力系统的终端都会涉及到关键部件——“电机”。
根据华中科技大学资料，多电飞机的四项关键基础技术是:内装式起动发电机(包括内装式发电机)、集成组合动力装置(IPU)、电力作动、配电系统，除配电系统外，其它三项的核心与电机系统有关，两项与航空发动机密切相关，因此电机系统是多电飞机发展的关键。
同时，根据《上海低空经济发展白皮书》提到低空经济的关键技术里有“依赖高功率密度装置”这一提法。
（图：上海低空经济发展白皮书提到的关键技术之一）
（图：Archer电机示意）
NASA认为，提升电机功率密度的关键技术主要有：高导电性材料、高导热性的绝缘材料、更好的磁性材料等方面。而影响电机功率密度的关键参数有磁负荷、电负荷、频率、转子线速度和电流密度，这5项参数数值上的提高能够直接提高电机的输出功率，从而提高功率密度。但受到实际物理因素的限制往往参数之间要做出权衡。
（图：高功率密度电机系统设计技术以及提升功率密度的关键技术）
相关研究指出，外转子永磁电机在以上5项参数上同时获得较高数值，从而获得高功率密度，具备作为飞机推进电机的潜力。目前永磁电机的功率等级和功率密度已能满足小型电推进系统的需要，但若用于涡轮发电分布式电推进系统还需解决如提高电动机的效率并设计高效冷却方式等问题。
以下展示不同功率等级的电机以观察不同功率等级对应的飞行器分布情况。 4座以上载人飞机、混动推进飞机主要采用100kw以上的电机，从厂商来看主要是西门子、霍尼韦尔和罗罗。
（图：航空器应用电机：功率(大于100kw）)
10kw-100kw的电机主要应用小型电动飞机。主要厂商能够看到一家中国企业昊翔（Yuneec）。
（图：航空器应用电机：功率(10kw,100kw）)
小于10kw电机主要应用在无人机以及一些遥控电动直升机。
（图：航空器应用电机：功率(小于10kw）)
综上，提出目前的电机关系到eVTOL的商业应用的3个问题，以及整理较多的2个发展方向。
（1）尽管永磁电机的技术成熟度较高，功率等级和功率密度已经可以满足小型电推进系统的需要，但运用于涡轮DEP仍需解决大量技术难题。
方向一：低温电机。由于电机的功率密度很大程度取决于线圈能够承载的电流密度，而温度越低，电阻率越小，损耗就越小。目前低温电机还处在实验室研究阶段，尚未实现应用。主要卡点在于，低温电机需要保温、冷却设备以维持低温环境，使得系统更为复杂，大量的附加设备限制了低温电机的功率密度。
（图：不同技术条件下的线圈电流密度）
方向二：超导电机。与传统电机相比，超导电机在功率密度、转速、强度、可靠性等方面的性能出色，可以作为适用于航空推进电机未来研究和发展的重要对象。但由于超导技术尚处在理论探索和初步应用阶段，因此，更加实际的或许是对相关的金属材料、陶瓷材料等方向的发展进行关注。
（图：超导电机的大型电动飞行器应用）
综上，结合航空电机面对的挑战集中在新型电机的落地、先进材料的应用以及冷却方法和热管理技术，而对于材料改进也是现在国家积极推动的重点，包括更耐高温的绝缘材料、更高磁能密度的永磁材料、更轻的结构材料都是当前需要关注的产业方向。
（图：当前及未来永磁材料的磁能积与工作温度）
其实动力系统写到这里，或许有一点渐行渐远的感觉。还是【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（中）——混动还是纯电？开篇提到的那句话，如果eVTOL本身的商业模式立不住脚，则建立在该假设之上的一切分析都如空中楼阁。
接下来，将会再开一个专题，对eVTOL的商业模式进行分析，这是我认为争议更大、更难去分析和同时也是更能体现低空经济魅力的话题。
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（下）——串/并联路径讨论与航空电机发展趋势
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