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中投網2024-06-17 11:32 來源：中投網
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前言
eVTOL（電動垂直起降飛行器）與電動汽車，作為現代交通領域的兩大創新技術，它們在功能上互補，共同推動了綠色出行和智能交通的發展。eVTOL以其垂直起降的能力，為城市空中交通提供了新的解決方案，特別是在城市擁堵和交通不便的地區，它能夠提供快速、靈活的點對點運輸服務。而電動汽車則以其零排放的優勢，逐漸替代傳統燃油車，成為地面交通的主流選擇。
在產業上，兩者的延伸性表現在它們對新能源、新材料、智能控制技術的需求上，推動了相關產業鏈的發展和創新。eVTOL和電動汽車都需要高效、輕質的電池系統，強大的電機和先進的控制系統，這些技術的進步不僅提升了產品性能，也為整個產業帶來了新的增長點。
然而，eVTOL在關鍵性能上的要求更為嚴苛。由于其飛行特性，eVTOL需要更高的安全性、更強的穩定性和更精確的控制系統。同時，eVTOL的續航能力、載荷能力和運營成本也是衡量其性能的重要指標。相較之下，電動汽車雖然也面臨續航和成本的挑戰，但其運行環境相對簡單，安全和穩定性的要求沒有eVTOL那么高。
一、eVTOL與電動汽車的關鍵性能指標對比
中投產業研究院發布的《2024-2028年中國飛行汽車（電動垂直起降器eVTOL）行業深度調研及投資前景預測報告》指出，eVTOL（電動垂直起降飛行器）作為汽車產業鏈的延伸，確實在核心架構上與新能源汽車有著諸多相似之處。它們都依賴于電池技術、電機驅動系統、能量管理系統以及先進的控制技術。這些技術在新能源汽車中已經得到了廣泛的應用和發展，為eVTOL的設計和制造提供了堅實的基礎。然而，eVTOL在關鍵性能方面的要求比新能源汽車更為嚴苛。
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eVTOL和電動汽車在里程和負載方面的主要區別在于它們的運行環境和設計目的。eVTOL需要在空中垂直起降，而電動汽車在地面上行駛。eVTOL的航程和負載受到更嚴格的限制，因為它們需要在空中飛行并滿足安全要求。電動汽車的續航里程和負載能力更容易通過技術改進和優化來提高，因為它們不受垂直起降的限制。兩種交通工具都在不斷發展，以提高效率、降低成本，并滿足日益增長的市場需求。
圖表：eVTOL與電動汽車的里程（航程）和負載對比
資料來源：中投產業研究院整理
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eVTOL和電動汽車雖然都依賴電池和電機技術，但它們的設計目標和運行環境不同。eVTOL需要在空中進行垂直起降和水平飛行，而電動汽車在地面上行駛。eVTOL的巡航速度通常針對空中交通優化，需要在保證安全的同時實現快速運輸。電動汽車的巡航速度則更多地考慮道路條件和駕駛體驗。在功率保持率方面，eVTOL需要在空中保持穩定和可靠的功率輸出，而電動汽車的功率保持率則更多地關聯日常使用和電池維護。兩種交通工具都在快速發展，隨著技術的進步，它們的性能將得到進一步提升，為未來交通提供更多可能性。
圖表：eVTOL與電動汽車的巡航速度和功率保持率對比
資料來源：中投產業研究院整理
二、eVTOL與電動汽車的核心結構對比
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中投產業研究院發布的《2024-2028年中國飛行汽車（電動垂直起降器eVTOL）行業深度調研及投資前景預測報告》指出，電動垂直起降飛行器(eVTOL)的關鍵性能指標在很大程度上依賴于動力電池的性能。電池系統的能量密度、安全性、快速充電能力和循環壽命對飛行汽車的多數核心性能有著顯著影響。特別是電池系統的能量密度，它直接關系到電動飛行汽車的飛行距離、載重能力、能源效率、成本效益和環境友好性等關鍵參數。
鋰電池技術相較于氫燃料電池技術，目前更為成熟和穩定，具有更高的能量密度、優良的循環穩定性和較低的自放電率等優勢，因此成為eVTOL主要采用的電池類型。
2023年10月，工業和信息化部聯合其他三個部門發布了《綠色航空制造業發展綱要（2023-2035年）》，其中明確提出了航空級電池產品的性能目標：達到400Wh/kg能量密度的航空鋰電池產品應實現量產，而500Wh/kg能量密度的產品則應進行小規模驗證，以滿足電動航空器的使用需求和適航標準。
圖表：鋰電池技術發展路徑
數據來源：中投產業研究院整理
圖表：eVTOL和電動汽車電池性能對比
數據來源：中投產業研究院整理
圖表：eVTOL和電動汽車電池系統的區別
數據來源：中投產業研究院整理
圖表：eVTOL電池的參數要求
數據來源：中投產業研究院整理
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電動垂直起降飛行器(eVTOL)采用分布式電力推進系統（DEP），其中電機系統扮演著核心動力源的角色，主要由電機和電機驅動器組成。這些電機負責在垂直起降和飛行過程中提供必要的推力，而電機控制器則負責調節電機的轉速和轉矩，其控制精度直接關系到飛行器的推力控制精度。
與傳統的內燃機相比，電動推進系統擁有更高的功率重量比，大約為5kW/kg，而內燃機的功率重量比大約為1kW/kg。由于eVTOL對電機的效率和轉矩密度有很高的要求，永磁同步電機（PMSM）成為了電推進系統中一個非常有前途的選擇。與直流電機和感應電機相比，永磁同步電機不僅功率密度高、調速范圍寬廣、電磁轉矩大，而且其全扭矩維持能力非常適合eVTOL在起降階段的動力需求。目前，許多電動垂直起降飛行器，例如Joby的S4和Archer的Midnight，都采用了永磁同步電機。
永磁電機根據其磁場的布局方向分為徑向磁通和軸向磁通兩種類型。軸向磁通電機在徑向上的空間利用率較高，在有限的徑向空間條件下，其功率密度和轉矩密度表現出優勢。而徑向磁通電機則在軸向上提供均勻的功率輸出，在相同的氣隙面積和最大轉子線速度條件下，其功率輸出更為突出。
為了確保電動垂直起降飛行器(eVTOL)能夠安全地進行垂直起降并保持穩定的飛行，這些飛行器通常會裝備6個、8個、12個或16個旋翼電機。這些電機的設計還包含了1.5到2倍的拉力冗余，這樣的設計可以確保即使在單個或多個旋翼失效的情況下，eVTOL依然能夠安全運行。相比之下，新能源汽車的動力配置則簡單得多，通常只配備一個電機或者前后各一個雙電機系統。
中投產業研究院發布的《2024-2028年中國飛行汽車（電動垂直起降器eVTOL）行業深度調研及投資前景預測報告》指出，目前，eVTOL所使用的電機在功率密度方面與高端電動汽車的電驅動系統相近，但在扭矩密度上則遠超傳統汽車。例如，應用于電動飛機的電機，如羅羅、天津松正和EMARX的功率密度分別達到34.2、17.5和13.3牛頓米/千克，而應用于廣汽埃安汽車的夸克電機扭矩密度為14.8牛頓米/千克。國內領先的電機制造商臥龍電驅與中國商飛合作開發的4座eVTOL電機（電機重量約為27千克），其最大功率密度達到3.7千瓦/千克（額定功率密度為2.6千瓦/千克），這些核心參數已經達到了國際先進水平。
永磁同步電機因其技術成熟、高功率密度和高轉矩密度的特點，成為目前電動飛行器電機的主要選擇。這些電機主要采用軸向和徑向永磁同步電機技術。
圖表：eVTOL和電動汽車電機參數對比
數據來源：中投產業研究院整理
三、eVTOL核心結構之--飛控技術
eVTOL的自主飛行系統在功能上與傳統民用飛機相似，其決策和控制過程主要依靠飛行管理系統和飛行控制系統的緊密配合。但是，由于eVTOL在運行環境、成本效益和飛機結構等方面的獨特性，其自主飛行系統的開發面臨一系列挑戰，主要包括：
圖表：eVTOL自主飛行系統的開發面臨的挑戰
數據來源：中投產業研究院整理
綜上，eVTOL依賴于高能量密度和高功率密度的電池系統來實現垂直起降和穩定飛行，常配備多個旋翼電機以提供必要的推力和安全冗余，而電動汽車則通常采用單電機或雙電機系統，對電池和電機的性能要求相對寬松。eVTOL的電機系統，尤其是永磁同步電機，需要具備高效率和大扭矩密度，以適應起飛、降落及飛行過程中的嚴苛條件。政策上，eVTOL的發展受到國家層面的支持，對航空級電池產品的性能有明確的目標要求。整體而言，eVTOL的技術要求更為嚴格，涉及更復雜的系統集成和安全性考量，而電動汽車則更注重日常駕駛的性能和成本效益。
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