eVTOL发展重大瓶颈：“三电”系统

       中大型无人机eVTOL的“三电”系统主要包括三个部分，动力电池+电机+电控系统。电池性能跟不上、eVTOL电机还处在起步阶段、电控系统核心技术基本掌握在国外巨头手里。

 

一、动力电池

【技术要求】
       由于航空应用特性，电动垂直起降飞行器对锂离子电池在能量密度、瞬时充放电倍率、寿命周期、安全性等方面要求，比现有汽车动力电池更高。

 

       ①能量密度方面，能量密度 (Wh/kg)指单位重量或体积的电池能储存多少能量，决定飞行器续航。当前eVTOL电池能量密度最高水平在285Wh/kg左右，远低于航空燃油的11944Wh/kg。主流eVTOL续航仅约20分钟-1.5小时。

       ②高倍率方面，充放电倍率描述充放电速度，1C指1小时完成充放电，5C指只需要12分钟完成充放电。衡量倍率的性能指标是功率密度 (W/kg)指单位重量或体积的电池能释放功率的速度，决定爆发力。eVTOL在悬停以及特殊应用场景起降需要电池瞬间充放电，倍率要求达到5C以上，要求持续功率密度需达到1.5kW/kg以上，峰值功率密度应达到4kW/kg以上

       ③寿命方面，电池循环寿命直接影响电池更换频率。

       ④高安全方面，飞行出现安全事故时，eVTOL仍然需要能够安全着陆，不仅要求电池自身安全性达标，还要求电池系统在其他系统损坏时仍能保障动力。

 

【商业格局】

       现有主流化学体系锂离子电池中，三元NCM电芯的综合性能要好于三元NCA（安全性考虑）和LFP（能量密度考虑）。固态电池由于比能量高、安全性好等优点，具有eVTOL应用潜力，但尚不成熟。

       目前国内 eVTOL 企业多采用国轩高科、孚能科技的锂电池产品，宁德时代正积极布局航空级锂电池，凝聚态电池密度预计可达 500-600Wh/kg，对应续航里程可达 400-500km。

 

二、电机系统

【技术要求】

       电机系统是电推进系统中的核心动力单元，直接决定电推进系统的能源利用率和推进效能。在航空级电机中，对于安全性、环境适应性、功率密度均有较高的要求。

       ①安全性方面，首要指标是飞机在紧急情况下可冗余50%功率输出，并配置紧急降额设计；

       ②环境适应性方面，需要适应高低温、湿热、低温低气压、盐雾、臭氧、电磁兼容、振动等各类极端环境；

       ③数量方面，eVTOL至少需要8个电机驱动器。任何情况下，最多有一个电机出现故障，飞行汽车仍能保持稳定悬浮；

       ③功率密度方面，在极致轻量化的前提下提供巨大功率。例如，有方案实现了2.35 kW/kg的功率密度，峰值功率达24kW，而逆变器功率密度正向7kW/kg演进。永磁同步电机功率密度目标是将从目前的5kW/kg提升至7kW/kg。

 

【商业格局】

       大功率电机的发展较为成熟，但国内外应用于eVTOL的电机系统的研究均处于起步阶段。当前电机产品多配套主机厂，随主机厂配套适航，由于主机厂适航要求高且复杂，预计电机厂和主机厂在适航通过后会形成稳固的合作、供应关系，切换供应商带来的产品可靠性风险较大。国内企业卧龙电驱、天津松正、迈吉易威、TMotor等。

       ①卧龙电驱：在航空电驱动及控制领域处于国际一流水平。公司形成小、中、大三个功率等级的驱动产品及一个适航标准。小功率指 2kW~30kW 产品，主要应用于工业无人机及 1~2 座eVTOL，已开始向国内主流物流无人机企业小批量供样；中功率产品以 50kW~175kW 为主，4 座载人 eVTOL 为主要应用，与国内主流 eVTOL 制造企业均有技术沟通，相关研发项目正在进行中；大功率是 200kW 至 1MW 以上，应用于十几座到几十座的支线飞机，以预研为主。已合作客户包括商飞、山河智能等。

       ②天津松正：航空电机电控行业进展领先。在载人级电动航空领域，公司专注于高效功重比的电推进系统的开发，推出针对飞行任务动力需求的定制化航空电机及控制器的开发服务，在纯电驱多旋翼垂直起降、涵道风扇等不同构型的飞行器均有深入的研究及产品应用；同时在混动驱动机载大功率增程电机及驱动器均具备开发和制造能力。

       ③江苏迈吉易威：军用高功率密度轮毂电机系统核心供应商。公司电机产品目前最大输出功率已达到 250kW，效率高达 95%以上，并且具备风冷液冷两种冷却方式电机类型，并由传统柴油发电机逐步扩展至航空用永磁电动发电机。目前公司已推出了面向 eVTOL 的电机系统配套产品。

       ④蓝海华腾：从汽车电控进入 eVTOL 电控。

      ⑤T-motor：在航模级、轻小型无人机电机产品上处于全球领先地位。

 

三、电控系统

【技术要求】

       系统设计需同时实现硬件、软件和控制算法的多重冗余，能处理毫秒级的故障响应与推力重分配，达到极致安全与容错。

       ①严苛环境耐受性，在高低温、强振动、电磁干扰等航空极端环境下稳定运行，部分方案需求电控效率可达99.5%。

       ②高效协同控制，需对分布式电推进系统（DEP）多个螺旋桨进行同步，实现不同飞行模式的平滑切换

       ③适航认证严峻考验，航空安全等级飞控技术长期被霍尼韦尔、柯林斯宇航等国际巨头垄断。国内厂商面临技术与政治双重壁垒，开发符合DO-178C标准的软件难度极高，且整套系统通过DO-160环境鉴定，对大部分国内企业都是艰巨挑战。

       ④极端工况的热管理挑战，垂直起降阶段巨大的瞬时功率会产生远超传统飞机的热量。高功率密度、集成化的设计使散热空间极其有限。与地面车辆不同，eVTOL在空中无法依赖地面设施散热，必须依靠自身高效的散热系统，这迫使其在设计之初就必须将热管理作为核心约束。

        ⑤“故障-运行”下的复杂控制，eVTOL必须在单一动力单元失效后，其他完好单元能快速重构动力，确保安全降落。随着电机数量增加，分布式推进系统的协同控制算法复杂度也成倍增长，对控制器的算力和响应速度要求极高。

 

【产业格局】

       电控系统核心部件包括飞控系统、电机控制器、主控MCU/芯片。

       ①飞控系统：这是eVTOL的“大脑”，垂直起降、巡航飞行、过渡转换等多模式切换对都需要飞控系统实现，技术壁垒最高。轻量化和高安全性的平衡，eVTOL飞控系统取消了传统液压作动方式，通过总线信号传输、一体化伺服作动器设计等小型化、集成化手段，实现轻量化设计。高安全性主要通过飞控系统部件的余度设计来实现，但更高的余度配置意味着更复杂的系统和更大的重量体积。未来向着自主化、智能化发展。通过高级自动控制功能设计、深度学习、强化学习等方法，实现一键自主起降、智能避障、自主航线运行、智能边界保护与故障重构等功能，提高自动驾驶和智能化水平。

       美国 JOBY公司大量依靠军工巨头和特斯拉、苹果等IT产业巨头的研发人员自研飞控。其第一代自研飞控为集中式，新一代自研飞控为分布式，空中数据模块、互联单元、飞控模块、显示计算模块和传感模块互相独立，呈现出“软件定义飞行器”的趋势。

       其他国外 eVTOL 厂商多采用霍尼韦尔航天、柯林斯宇航（Collins Aerospace）等的集成解决方案，如美国 Archer、德国 Lilium、英国 Vertical 等。

        国内 eVTOL 厂商则倾向使用传统航空供应商的产品，包括中航 618 所、航空工业计算所、北航、南航等科研院所和昂际航电为主，也有一批新兴的民营公司，包括边界智控、创衡、翔仪、致导等。

       ②电机控制器：国际供应商包括尼得科（Nidec）、赛峰（Safran）、三菱（Mitsubishi）、安川电机（Yaskawa）、台达（Delta）等传统工业自动化巨头。国内新锐包括钧联电子、蓝海华腾、汇川技术等。

        ③主控MCU/芯片：英飞凌（Infineon）、恩智浦（NXP）、德州仪器（TI）、瑞萨（Renesas） 等巨头提供高性能芯片方案。

 

四、成本角度

       三电系统在整车、eVTOL 的成本占比类似。2022 年整车当中动力电池+驱动电机+电控系统的“三电”系统成本占比达 50%，动力电池占 38%，电机占 6.5%。eVTOL单机成本约 250万美元，预测推进系统（电机电控、螺旋桨等）+能源系统（电池等）占比 50%，其中能源系统占 10%，推进系统占 40%。

       综合来看，国内电机主要用于国内市场。根据《客运 eVTOL应用与市场白皮书》预计，2030年累计国内eVTOL需求量为16316 架，假设单机用电机电控80万元，对应国内 eVTOL 电机前装市场规模约131亿元。假设 eVTOL 使用寿命 20 年，电机5年一换，单机后装更换价格平均 60 万元，更换成本为 240万元，2030年累计国内 eVTOL 需求量为16316架，对应电机后装市场约392亿元。