低空经济eVTOL产业链浅析：动力系统、电机电控及机身结构
低空经济eVTOL产业链浅析：动力系统、电机电控及机身结构
eVTOL（电动垂直起降飞行器）主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。其中，电池及动力系统成本占比达到50%左右，电池有望向高能量密度发展，固态电池逐步受到重视；动力系统方面，功率密度及适航性是重点；机身结构方面，重点关注以碳纤维复合材料为代表的轻量化材料。
eVTOL产业链构成
eVTOL主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。参考保时捷管理咨询分析，典型的eVTOL产品含有上百套设备，十多个子系统，设备间的机械、电气、通讯接口繁杂，对下游主机厂系统集成和整机研发提出了很高要求。eVTOL飞行器主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。从目前eVTOL供应链发展趋势判断，导航、通讯与飞控子系统作为eVTOL的“大脑”和“眼睛”，因其技术壁垒和适航认证门槛较高，在未来相当长时间内仍需依赖传统航空航天供应商提供软硬件解决方案。eVTOL的飞行控制较直升机、飞机等传统飞行器而言，需特别解决基于多旋翼垂直起降、基于常规固定翼水平飞行以及垂直-水平两种飞行状态的平稳切换等技术难题，目前国内外主机厂通常只掌握其中一两项技术，仍是目前主机厂产品研发的短板。
eVTOL电池及动力系统成本占比达到50%左右。eVTOL的核心系统主要分为电池、动力系统、电子设备和飞控系统以及机体4大类。参考《LiliumAnalystPresentation》，Lilium公司的eVTOL价值量，单价价值量为250万美元，价值量最高的是推进系统、内部结构件、航空电子设备与飞行控制器，推进系统的价值量占比达到40%，内部结构件、航空电子设备与飞行控制器分别占25%、20%，而能源系统占10%，装配件占5%。与新能源汽车对比，eVTOL电机电控成本占比更高。
能源系统
eVTOL对电池能量密度等要求较高。eVTOL对于电池的要求包括高比能、高功率、快充及长寿命等，电池的比能量（能量密度）水平决定eVTOL的航程。而比功率（功率密度）与eVTOL飞行性能有关，倍率与eVTOL充放电快慢有关，循环次数决定电池的寿命。作为eVTOL技术的核心组件，电池的性能和安全性可以影响eVTOL飞机的性能和市场接受度。
eVTOL对电池倍率性能和安全性要求较高。根据WilliamL.Fredericksetal《PerformanceMetricsRequiredofNext-GenerationBatteriestoElectrifyVerticalTakeoffandLanding(VTOL)Aircraft》，对于搭载52.5kWh电池包，续航73英里（117km）的eVTOL，其起飞时的放电功率达到了4C,下降时的放电功率接近5C。这是由于下降时电池SOC和电压降低，相同功率下，需要更大的电流（P=V*I）。这与目前的电动汽车区别很大，电动车下坡时不仅不耗能，还能通过电机进行能量回收，增加整体续航里程，而电动飞机下降时与上升时一样耗能。
此外，除了电池产生的热量外，由于着陆段和起飞段的高电流，其他动力系统部件也会产生额外的热量，对电池热管理和安全性有了更高的要求。
多家厂商入局，高镍三元和硅基方案有望受益。面对万亿级别的低空飞行市场，国内多家电池厂商入局：1）宁德时代已于2023年7月19日与中国商飞、上海交大企业发展集团共同成立商飞时代（上海）航空有限公司，并在此前的2023年4月发布了凝聚态电池，能量密度突破500Wh/kg；2）国轩高科与亿航智能于2023年末签订战略合作协议，双方将共同开发基于亿航智能eVTOL产品的动力电芯、电池包、储能系统和充电基础设施，探索产业协同发展新模式。
3）中创新航与小鹏汽车深度绑定，针对低空出行开发的新锐9系高镍/硅体系电池，在保证高功率、高快充能力的同时，实现了轻量化和安全性能的跨越式提升。
固态电池是未来发展方向。传统的液态锂电池具有一定的缺陷。1）传统液态锂离子电池的安全性有上限。有机易燃电解液在剧烈的撞击等条件下会引起一定的安全隐患，且液态电池隔膜的耐热极限约为160度，超过此温度后聚合物会转化为流动态，导致正负极直接短路。2）当前液态锂电池的材料体系逐渐达到上限。当前液态锂电池能量密度上限约为350Wh/kg，目前基于氧化物正极与石墨负极的传统锂离子电池的能量密度越来越接近其理论上限。
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池可以缓解液态电池的问题。可以搭配高比能材料，大幅减重，能量密度提升，量密度有望达到500Wh/kg甚至更高。在安全性方面，固态电池具有高强度、高电化学稳定性以及高燃点。在工信部装备工业司对《中国制造2025》的解释中也明确提出了“建立和健全富锂层氧化物正极材料/硅基合金体系锂离子电池、全固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池等下一代锂离动力电池和新体系动力电池的产业链”。
固态电池分为半固态、准固态、全固态三种类型，具有高能量密度+高安全性的优势。半固态（Halfsolid）液体电解质质量百分比<10%，准固态（Nearlysolid）液体电解质质量百分比<5%，全固态（AllSolid）不含有任何液体电解质。固态电池的两大优势：高能量密度+高安全性。
高能量密度：全固态电池电化学窗口可达5V以上，高于液态锂电池（4.2V），可以匹配高能正极和金属锂负极，大幅提升理论能量密度。此外，固态电池可简化封装、冷却系统，在有限空间进一步缩减电池重量，体积能量密度较液态锂电池石墨负极提升70%以上。当前液态锂电池能量密度已经逐渐逼近上限（350Wh/kg），而固态电池能量密度有望达到500Wh/kg甚至更高.
高安全性：固态电池将液态电解质替换为固态电解质，大大降低了电池热失控的风险。热稳定性通常指聚合物抵抗热分解的能力，不同成分的固态电解质耐热极限差异较大（400度-1800度不等），但均显著高于液态电池不超过60度的最高工作温度。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险，但安全性优于液态锂电池。很多无机固体电解质材料不可燃（如氧化物固态电解质热稳定性高达1000度）、无腐蚀、不挥发且不存在漏液问题。
全固态电池的投用尚需时日，半固态电池是由液态电池向全固态电池过渡的中间方案。全固态电池具有能量密度高、安全性能好的优势，但是现在实施全固态电池会遇到很大的阻碍，主要包括以下三个方面：1）固-固界面接触导致电池内阻较大；2）离子电导率不高，现有的固态电解质导电率相较液态电解质低1-2个数量级；3）当前由于未产业化，全固态电解质成本较高。半固态电池是向全固态电池过渡的中间方案，1）半固态电池保留一定量电解液，循环性能及倍率性能优于全固态电池；2）半固态电池电极材料浸润在电解液中，可以改善固态电池导电率低的问题；3）半固态电池目前成本比传统锂电池略高，相较全固态电池处于较低位置。
半固态电池对现有材料体系冲击较小。1）正极材料方面：目前现有的磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元NCM等正极材料仍可延续使用；2）负极材料方面：目前主流的石墨系、以及未来的硅碳系均可使用，由于半固态电池中仍然存在一定量的液态电解质，所以锂金属负极目前尚不适用；3）电解液方面：目前仍需要少量的有机溶剂浸渍，现有主流的锂盐LiPF6以及LiTFSI、LiFSI等新型锂盐仍然需要添加；4）隔膜方面：由于半固态电池中仍然存在一定量的液态电解质，仍然需要隔膜隔绝正负极防止短路，而且在一些情况下隔膜仍然要被用作骨架支撑，但是对隔膜的技术要求可能会发生变化。
全固态电池或将对传统液态电池四大材料体系造成较大的冲击。正极材料未来更可能使用高比能材料；负极材料中金属锂有望应用；电解质体系中液态溶剂将被完全取代；隔膜将被逐步替代。
电机电控
电机电控是eVTOL核心动力单元。eVTOL一般采用多电机，参考刘巨江等《不同构型电动垂直起降飞行器动力系统的安全性评估》，以四轴八桨多旋翼构型eVTOL为例，垂直推力系统主要由8套垂起电机、电调、REU、电机冷却系统和螺旋桨组成，相比新能源汽车，电机较多,多冗余度的动力架构设计可以提升电动飞行器动力架构的安全性。
参考邓景辉《电动垂直起降飞行器的技术现状与发展》，电动垂直起降飞行器对电机效率和转矩密度的要求较高，永磁同步电机是电推进动力系统很具前景的方案。当前电动垂直起降飞行器，如JobyS4、ArcherMidnight等均采用了永磁同步电机。与新能源汽车相比，eVTOL电机具有安全性、环境适应性、功率密度等要求：
1） 安全性：紧急情况下冗余50%功率输出，第一指标。
2） 环境适应性：可以适应海拔8000-12000m，极冷极热-90℃~70℃。
3） 功率密度要求高：电机重量是电动飞机的设计要求的重要指标。
4） 螺旋桨驱动电机轴承需承受多方向突加载荷。
电控环节：SIC有望加速渗透。作为第三代半导体材料的代表，SiC具有大禁带宽度、高击穿电场强度、高饱和漂移速度和高热导率等优良特性。SiC的禁带宽度（2.3-3.3eV）约是Si的3倍，击穿电场强度（〖0.8×10〗^6V/cm-〖3×10〗^6V/cm）约是Si的10倍，热导率（490W/(m·K)）约是Si的3.2倍，可以满足高温、高功率、高压、高频等多种应用场景。我们认为eVTOL部分场景有输出功率的需求，对耐压性能要求相对较高，SIC电控有望加速渗透。
机身结构
eVTOL对重量有较高要求，碳纤维复合材料应用潜在空间大。碳纤维的主要优势之一是减重增强，其拉伸强度超过钢铁的5倍，而重量仅为钢铁的1/4左右，因此在低空飞行器领域的应用前景非常广阔。在eVTOL整体结构中，高达70%的材料采用复合材料，其中90%的复合材料为碳纤维复合材料。根据StratviewResearch预测，空中汽车行业对复合材料的需求预计将在6年内增长约20倍，从2024年的110万磅（约500吨）增长到2030年的2590万磅（约11750吨）。
碳纤维材料是轻量化机身材料，可以提升续航，优势明显。主流eVTOL设计方案普遍采用碳纤维作为主要机身结构材料。根据StratviewResearch数据显示，在复合材料的应用方面，约75%至80%用于构造飞行器的主要结构和推进系统，其次为横梁、座椅结构等内部应用占12-14%，电池系统、航空电子设备和其他小型应用占8-12％。碳纤维的主要优势包含：
1） 质轻且高强度，碳纤维的小型化、轻量化设计对eVTOL的性能和效率影响较大。这种材料的密度仅为传统钢材的1/4，有助于降低eVTOL的整体重量及结构占用的空间，同时保障了结构的强度和刚性；
2） 耐腐蚀性，碳纤维的化学稳定性高、抗腐蚀性强，当eVTOL在各种腐蚀环境下仍能保持其稳定性和安全性，从而提高了eVTOL的使用寿命并减少了eVTOL的维护及更换成本；
3） 高温耐受性，即使在高温环境下，碳纤维也能保持其力学性能，物理变化小，不会产生蠕变或疲劳现象，确保了eVTOL外部结构的完整性和稳定性，提高使用寿命；
4） 电磁干扰防护，与传统金属材料相比，碳纤维在抗电磁干扰方面具有优势，这有助于增强eVTOL的电磁兼容性、稳定性和可靠性。
纤维复合材料可以按照聚合物的不同，可分为热固性复合材料和热塑性复合材料，目前热固性材料用量较大，热塑性材料发展潜力较大。目前我国用量最大的材料是由热固性碳纤维复合材料形成的复合材料。相比之下，热塑性碳纤维复合材料具备抗冲击力强、可循环使用等优点，近年来在民用、军事层面均得到了广泛运用。其常规成型方式有热压罐成型、拉挤成型、缠绕成型等，特点是适用范围光、技术水平高，但也具备生产成本高、效率低的短板。同时，近年来也出现了各类新型成型工艺，如自动纤维铺放成型、超声波快速固结成型、激光固结成型、电子束固结成型、真空辅助成型、3D打印成型等。
国内碳纤维企业逐步发力，产能持续扩张。全球范围内，碳纤维主要制造商有东丽、吉林化纤、中复神鹰、赫氏、东邦、三菱、西格里、新创碳谷、宝旌等。2017年后，国产碳纤维产能持续加速，目前全球十强碳纤维制造厂家中已有四家中国大陆企业，并且仍在持续进行扩产。
2023年，吉林化纤宣布进行15,000吨高性能碳纤维的扩产，宝旌宣布在2025年前完成30,000吨产能扩增，中复神鹰宣布2026年完成30,000吨产量。