深度解析eVTOL三电系统，低空经济迈向万亿时代
- 来源：半导体器件应用网 余泓陶
- 2024/5/28 9:03:57
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低空经济的市场空间实在是太太太太太大了!
据统计，截至2023年底，中国低空经济的规模已经高达5000亿元，并且预计在未来几年内将持续增长，在2026年有望突破万亿元。到2030年，这一市场规模更是有望达到惊人的2万亿元。
低空经济是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类以1000米以内空域的飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态，包括低空飞行、航空旅游、支线客运等，无人机、直升机、eVTOL、热气球等都囊括其中。
随着《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》的实施和低空经济被写入政府工作报告，以深圳、合肥、广州、成都等为代表的26个省市地方政府密集出台政策支持低空经济发展和生态打造——低空经济显然已成为市场上热点，2024年也被称为“低空经济元年”。
中信证券研就指出，当前低空经济可类比2012年新能源汽车的发展阶段，产业仍处于处于商业化早期，从长远来看，发展前景非常广阔。
eVTOL发展空间广阔，是低空经济重要载体
eVTOL，即电动垂直起降航空器，作为低空经济的新型交通工具，被称为“飞行汽车”，预计将引领一个亿万级别的新兴市场。2023年中国eVTOL产业规模达到了9.8亿元，同比增长77.3%，预计2024年将迎来第一轮商业化爆发周期。
与此同时，全球范围内对eVTOL的需求也在迅速增长，包括大众、丰田、波音、空客等在内的多家公司都正在积极布局该领域，尽管目前大多还是处于试点的阶段。
eVTOL(电动垂直起降飞行器)的发展历史其实始于2010年左右，当时出现了首批概念机型。到了2011年，意大利的August Westland公司正式提出了eVTOL概念，进一步推动了这一领域的发展。随后在2016年，Uber推出了Uber Elevate空中出租车计划，引发了欧美市场对eVTOL的广泛关注。同年，亿航智能在美国CES发布了全球首款无人驾驶载人eVTOL航空器“亿航184”。
到了2019年，欧洲航空安全局(EASA)发布了针对小型eVTOL飞行器的适航认证规定，为该领域的商业化和规模化发展提供了重要的法规支持。亿航智能旗下EH216-S无人驾驶载人航空器在去年12月底获得由中国民用航空局颁发的标准适航证，成为全球首个获得适航证，标志着eVTOL技术向实际应用迈出了重要一步。
今年2月27日下午，由峰飞航空科技自主研制的5座eVTOL航空器盛世龙还完成了全球首条eVTOL跨城跨湾航线(深圳-珠海)首次演示飞行。近日，峰飞2吨级的eVTOL凯瑞鸥还在阿联酋艾因和中国上海完成特许飞行。
随着技术的不断成熟和市场的不断拓展，Lilium预测，到2035年全球将需要42000架eVTOL来满足市场需求，其中来自中国的需求大约占据25%的份额，显示出中国在全球低空经济中的重要地位。
eVTOL蓄势待发，三电系统有望受益
在这样一个充满潜力的市场背景下，Grand View Research预测到，eVTOL接下来将以46.2%的复合年增长率显著增长，它将在旅游观光、商务飞行、医疗急救以及物流、快递、农林、城市服务等领域有广泛应用空间。
与新能源汽车相似，动力电池、驱动电机、电控系统也是在以eVTOL航空器为代表的电动航空器中的核心零部件，航空、无人机、新能源汽车产业三电的相似性达到80%-90%。
不过，eVTOL航空器对三电系统的要求更高于新能源汽车，三电系统的成本占比也高达45%-50%。
·电池：需要满足“三高一快”
在eVTOL等低空交通工具中，电池是它们能够持续飞行的关键。它不仅直接影响着续航里程、飞行速度、载重能力等关键指标，还需要满足“三高一快”的要求，即高安全性、高能量密度、高功率和快充。
与电动汽车由于电池重量较重，它们的质量通常比同级别燃油车重30%以上的情况相比，eVTOL航空器需要更加轻便且能量充足的电池以满足飞行需求。
为了推动电动通用航空器的发展，《绿色航空制造业发展纲要》已明确提出加快该领域的技术突破，其中400Wh/kg级航空锂电池产品被视为关键技术之一。
尽管想要达到400Wh/kg级航空锂电池的标准并非易事，这需要对电池技术进行深入的研发和创新，突破现有技术的瓶颈，但谁能先攻破这些难题，谁就能在市场上占据优势。新型电池技术如固态电池、金属-空气电池等，在低空经济市场将会迎来更大的发展机会，它们有潜力为eVTOL航空器提供更加先进、高效的动力解决方案。
目前包括宁德时代、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技等厂商都已积极布局该领域，开发相关的电池产品。其中，孚能科技动力电池的电芯和能量密度已分别能够达到280Wh/kg和230Wh/kg，而宁德时代更是发布了能量密度500Wh/kg的凝聚态电池。
·电机：寿命和可靠性是关键
eVTOL电机也面临着更为严格的性能要求。因为eVTOL电机一般采用多电机设计，这些电机分布在机翼或机身上，通过驱动多个螺旋桨或风扇构成推进系统，为飞机提供必要的推力。这种设计不仅要求电机具备高效的能量转换能力，还需要在转矩密度、安全性、环境适应性等方面达到严苛的标准。
安全性是电机的首要首要指标，eVTOL电机在紧急情况下必须能够冗余输出至少50%的功率，以确保飞行安全。其次，eVTOL电机必须具备良好的环境适应性，能够在海拔8000至12000米、温度范围从-90℃到70℃的极端环境下保持正常工作。
此外，由于eVTOL电机重量是电动飞机设计的重要指标，因此它还必须具有较高的功率密度，以减轻整体重量，提高飞行效率。螺旋桨驱动电机轴承需具备承受多方向突加载荷的能力。
考虑到eVTOL电机的使用寿命通常在15至20年之间，而电机作为其动力系统的核心部件，在此期间需要更换3至4次，这一频率相较于传统汽车而言也将更为频繁。
目前，永磁同步电机因其高功率密度、高效率、良好的动态响应和可控性等优势，成为了eVTOL电推进动力系统中极具前景的方案。多家知名eVTOL厂商，如Joby S4和Archer Midnight等，均已采用永磁同步电机作为其动力系统的核心部件。
电控：碳化硅材料有望加速渗透
eVTOL电机的电控系统是其电力驱动和能源管理的核心，主要关注电池管理系统、动力分配以及电力供应等方面，确保飞行器的电动运行和能源供应。鉴于eVTOL电机需要高电压体系来支持其高推进功率，电控系统首要具备高压耐受性，并采取严格的安全措施，以防范电气故障和火灾等潜在风险。
eVTOL电机的电控系统通常采用冗余设计，配备备用电源和备用控制器等，以应对可能出现的故障和失效情况。同时，为便于安装、调试和维护，电控系统还采用集成化和模块化的设计思路，将不同功能和部件整合为独立的模块。
为确保系统的安全性和可靠性，电控系统需要严格遵循航空领域的适航要求，如DO-178、D0-254和D0-160等标准。这些标准不仅对软件进行严格评估，也对硬件提出较高要求，因此目前许多汽车上使用的芯片无法满足这些标准。在国内，仅有少数几家中航工业的企业产品能够通过这些认证。
面对这一挑战，企业也可以选择使用已通过认证的芯片，或者选择自行设计FPGA系统，但后者需要通过更为严苛的DO-254标准认证，这无疑是对国内企业技术实力的一大考验。
考虑到eVTOL航空器的特殊应用场景对耐压性能的较高要求，碳化硅电控作为第三代半导体材料的代表，其大禁带宽度、高击穿电场强度、高饱和漂移速度和高热导率等优良特性，有望在此领域加速渗透。
eVTOL，什么时候能坐上?
虽然eVTOL电机在某些关键的技术上还需要进一步提升，但并非意味着它距离大家的日常生活就非常遥远。
飞行距离有限的eVTOL航空器有着自己的独特定位，它主要针对短途出行。飞行价格也比传统直升机要低得多，大部分普通老百姓都能坐得起。
原本从深圳蛇口出发到珠海九洲，打车500-600元，耗时近3个小时;而快船耗时近1个小时，价格按不同的舱位约为140-200元——这样的城市短途通行痛点现在正被eVTOL飞行汽车打破。
如果乘坐eVTOL，耗时将直接缩短为20分钟，价格300元/人。根据业内人士的预测，之后由深圳和广州两座大湾区的一线城市之间通勤，也大概只用花费200-300元的价格，比打车稍微贵一点，但时间能够节约好几倍，性价比更高。
根据规划，预计在2025-2026年，国内会有大批量的eVTOL企业能拿到适航证，并且配备有对应的运行标准。这也意味着，那个时候，通过手机App就能“一键叫机”。
未来，你愿意选择打“飞的”吗?
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