电力设备新能源行业低空经济专题系列报告五动力系统篇：什么环节受益于eVTOL技术趋势？

电动垂直起降航空器（eVTOL）由于低碳、低成本、智能化的特点，有望成为城市空中交通的主要航空器类型。eVTOL的商业模式主要是To G和To B，兼具科技属性与制造属性。全球eVTOL初创企业融资火热，机型24-26年密集投放使用，行业将从研制转向规模商业化运行。由于供应链与新能源汽车重叠较多，国内相关产业链有望受益。 eVTOL构型：国内青睐复合翼，倾转构型成远期方向。多旋翼型在亿航EH216-S等机型上能看到较快落地应用，复合翼型有望成为过渡阶段的优选方案，未来随着长距离运输需求增长，倾转旋翼/涵道将成为远期方向。 eVTOL纯电与混动并行，固态电池需求迫切。受益于动力和储能电池的强大供应链和规模化降本，大多数eVTOL机型都采用成熟的、功率密度较高的锂电池。 与纯电eVTOL相比，采用油电混合动力方案的eVTOL可在当前电池能量密度制约下实现性能的大幅提升。能量密度、充放电性能、安全性、热管理性能是核心，1-2年的电池更换周期或将带动锂电需求增长。当前eVTOL电池仍以可规模量产的液态和半固态为主，固态电池、预锂化、硅负极等新技术有望加速。 电机电控壁垒较高，海外厂商领先，电机技术创新带动新材料工艺升级。eVTOL电机主要采用永磁技术，轴向磁通电机的功率密度和转矩密度具有优势。电机技术的创新点在于结构设计、热管理、先进材料和工艺，高强度、高绝缘性PEEK定子骨架材料，高强度、高导热环氧树脂灌封填充材料，SMC复合材料、非晶合金、取向硅钢定转子铁芯，碳纤维定转子缠绕工艺等有望受益。头部主机厂自研电机电控，第三方电机供应以EMRAX、赛峰、MagniX、Rolls-Royce等海外老牌航空电机厂商为主，国内卧龙电驱、天津松正、蓝海华腾等电机供应商均有所布局。 经济性：短期靠规模化量产，长期看运营能力。eVTOL动力和推进系统成本占比50%，机身结构、航电和飞控系统分别占20%-25%；基础设施、人员培训等占固定成本的主要部分，还包括维修、折旧、电池更换等可变成本。eVTOL产业化初期要靠规模化快速降本，但需降本90%以上才能达到地面交通工具的经济性。长期来看，eVTOL会成为重运营的生意，降本对提升经济性的敏感性低于载客量和票价，尤其是降低每座每英里平均票价时，经济性会显著提升。 投资建议：（1）eVTOL发展对电池性能升级有长期要求，建议关注固态/半固态、高压快充等电池技术方向，建议关注：宁德时代、国轩高科、蔚蓝锂芯等。 （2）eVTOL配套电机需要满足高功率密度等技术指标，关注高功率密度电机与eVTOL专用航空电机制造厂商，建议关注：卧龙电驱、宗申动力、蓝海华腾等。 （3）部分飞机制造、车企和初创公司开始布局eVTOL领域研产，关注eVTOL整车制造厂商，建议关注：万丰奥威。 风险提示：锂离子电池技术发展不及预期；eVTOL适航未达标风险；政策支持力度不及预期；市场对eVTOL概念接受程度低于预期。 1、eVTOL需要怎样的动力系统？ 1.1eVTOL赛道空间广阔，海内外融资火热 由于城市空中交通（UAM）运行环境的限制，若要实现接近门到门的空中交通运输，具备垂直起降能力的航空器将成为主力。电动垂直起降航空器（eVTOL）由于低碳、低成本、智能化的特点，有望成为城市空中交通的主要航空器类型。 全球eVTOL企业融资火热，24-26年密集投放使用，从研制转向规模商业化运行。国内有亿航智能、峰飞航空、时的科技、沃飞长空、山河科技、沃兰特、御风未来等企业在积极布局eVTOL。国际上，美国的Joby Aviation、Archer Aviation、Beta Technologies，德国的Lilium、Volocopter，以及英国的Vertical Aerospace等公司也获得了较大规模资本的支持。 表1：eVTOL公司情况梳理 由于eVTOL行业的科技属性和制造属性并重，对创始团队背景要求较高，具备飞行器制造的全栈式的技能和经验、具备飞控、动力等核心子系统核心技术能力和研发经验、在适航取证方面经验丰富的团队有望抢占先发优势。国内eVTOL初创企业类型既有科技和无人机企业，也有大型航空航天下属机构和汽车行业。 表2：中国eVTOL整机企业类型 eVTOL的商业模式主要是To G和To B，当前订单确定度较低，通航为主、多样化拓展。eVTOL潜在应用场景大致可分为载人客运、载物货运、公共服务、警务安防、国防军事及私人飞行六大类，未来可替代通航多数场景，以及汽车出行的部分场景。截止2024年4月的累计订单来看，大多数是有前提条件的或非正式的，亿航的交付订单量领先。另外，商务和通航运营商的订单占eVTOL总订单量超40%，出租、物流、医疗等多元化场景也有订单进行商业化尝试。 图1：eVTOL企业累计订单情况（个） 图2：eVTOL公司累计订单数量结构 根据eVTOL的供应链环节，将单机各部分拆解后主要构成如下： （1）机体结构，eVTOL机体需考虑轻量化设计、结构强度与安全性、耐腐蚀和环境适应性，复合材料因高结构强度、低重量的特点被广泛使用，尤其是碳纤维。 （2）能源系统，能源系统的核心组分是锂电池，需要具备高能量密度、高比功率、高安全性等特点以及快速充电能力，成为eVTOL发展的关键技术瓶颈之一。 相比于传统的液态锂离子电池，凝聚态电池（半固态和固态）在续航和载重方面具有明显优势。 （3）动力系统，动力系统的核心组分是电机和电控，通常采用分布式推进，负责将电能转换为机械能，驱动旋翼或风扇实现垂直起降与水平飞行，需要具备高功率密度、高安全性、高效率、低噪音等特点。 （4）飞控系统，主要包括飞控计算机和舵机，负责飞行器的感知、控制和决策功能，需要高度自动化和简化飞行操作的设计，并通过严格的适航审定。 （5）航空电子系统，主要包括导航解决方案、传感器、通讯设备，可能采用5G、卫星通信等技术以实现低时延、高稳定性。 图3：国内eVTOL产业链概览 表3：eVTOL供应链拆解 1.2构型：国内青睐复合翼，倾转构型成远期方向 根据动力推进系统布置方式，eVTOL主要构型包括多旋翼型、复合翼型、倾转旋翼型和倾转涵道型等。多旋翼型具有多个螺距固定的升力旋翼，通过改变不同旋翼的相对转速与推力实现运动轨迹控制；复合翼型同时包括固定翼和升力、水平旋翼，兼具两种构型垂直起降与水平前飞的功能；倾转旋翼型通过控制旋翼推力方向的矢量转动，实现飞行状态的变化，可在直升机、倾转过渡、飞机模式三种模式之间变动；倾转涵道型即在倾转旋翼外围增加涵道，从而减少了旋翼桨尖端的推力损失，噪声控制和安全可靠性更高。 图4：欧洲空中交通航空器运行分类 表4：eVTOL推进系统构型技术路线 多旋翼型工程设计简单，性能、应用场景有限。这类飞行器技术门槛相对较低，因此商业化落地进度较快，是快速实现载人飞行的一种技术路线。其中的亿航E216-S已于2023年10月获得全球首个载人eVTOL型号合格证。但是受限于比功率和能量效率上的劣势，多旋翼型在起飞重量、满载里程、平均巡航速度等方面逊于其他构型，仅可满足城市内或短途城市间的载人运输，使用场景和商业化前景受限。 复合翼型平衡航程和灵活性，国内主机厂尝试布局。复合翼型结合固定翼和旋翼的优点，具有更远的航程，适用于更大范围内的城际航班任务。相比多旋翼型，技术复杂度稍高，需要更多的研发资源。以Alia-250为例，满载航程402公里可承担更大范围内的城际航班任务。 倾转旋翼/倾转涵道型技术难度大，远途场景凸显性能优势。矢量推进型是指在飞行的不同使用阶段改变推力方向，实现垂直起降和巡航，包括倾转旋翼型、倾转涵道型等。这类构型设计性能潜力最大，航程越远，性能优势越明显，在城市空中交通范围内优势不明显；机械设计和飞控系统复杂、开发和试飞难度大、研制风险和成本较高，设计和取证周期长。Joby S4倾转旋翼机实现了垂直起降和高速巡航的结合，但技术复杂度较高，投入和维修成本也较高；Lilium Jet采用倾转涵道风扇推进技术，在航程、速度与复合翼型、倾转旋翼型接近的基础上增加了载重空间，可以搭载更多乘客，但也同时技术复杂度较高，需要高精度的控制系统和强大的动力支持。 表5：不同构型机型参数对比 图5：多旋翼飞行器分布动力布局示意图 图6：复合翼飞行器结构示意图 图7：倾转旋翼飞行器结构示意图 图8：倾转旋翼旋转过程示意图 从全球厂商技术路线选择来看，多旋翼路线占据多数，但头部企业出于性能和工程化平衡、远期技术可升级空间的考虑，更青睐复合翼和倾转构型。根据美国垂直飞行协会（VFS）统计，截至2024年3月底全球共有983型eVTOL概念产品，其中48%为多旋翼型，16%为复合翼型，36%为矢量推进型。 中国整机企业更倾向于采用复合翼方案。腾讯研究院调研的32家eVTOL企业中（部分企业采用多种路线），采用复合翼的有15家（47%），采用倾转/矢量推进的有11家（34%），采用多旋翼的有11家（34%）。 图9：eVTOL公司动力推进系统构型占比 综合来看，多旋翼型在亿航EH216-S等机型上能看到较快落地应用，复合翼型有望成为过渡阶段的优选方案，未来随着长距离运输需求增长，倾转旋翼/涵道将成为远期方向。 1.3纯电与混动并行，固态电池需求迫切 1.3.1动力路线：纯电方案为主流，混动路线过渡期大有可为 受益于动力和储能电池的强大供应链和规模化降本，大多数eVTOL机型都采用成熟的、功率密度较高的锂电池。其他清洁能源中，氢能虽然能量密度高于锂电，但由于制氢、储运等产业链条和基础设施建设的问题，且瞬时放电能力较差，短期内应用慢于纯电路线。 纯电方案综合能效更高，且未来可提升空间大。EVTOL的电驱动系统多采用分布式部署，以满足高冗余性和高安全性的要求，在技术难度上纯电路线的灵活性和可行性更大，混动路线较为复杂。锂离子电池的性能尚有较大技术进步空间，Lilium预计2040-2050年纯电方案eVTOL可满足1100-2000km航程需求，可替代80%的通航场景。 表6：清洁能源动力系统比较 在电池能量密度制约的过渡阶段，混动路线同样大有可为。由于当前动力电池在性能指标、重量控制上的短板，油电混动方案可在电池性能稍逊的阶段满足相近的应用要求。据NASA格伦研究中心，在航程490公里、乘客50-70人的机型上，纯电动方案要求电芯/PACK能量密度600Wh/kg和400-500Wh/kg，而采用混合动力只需要电芯/PACK能量密度400Wh/kg和300Wh/kg。目前采用油电混合动力驱动的eVTOL机型包括Horizon Aircraft Cavorite X7与Honda eVTOL，两种机型在最大航程方面相较纯电机型有较大优势。 表7：eVTOL动力类型对比 表8：动力类型机型对比 1.3.2电池：能量密度和充放电功率是核心，固态电池、锂负极成技术方向 锂电池成为eVTOL性能的主要驱动因素，能量密度、充放电性能、安全性、热管理性能是核心。 （1）电池能量密度需达到300-400Wh/kg，eVTOL成为固态电池最佳落地场景。 根据清华大学郝瀚副教授团队测算，eVTOL的最大起飞质量约1000kg，电池占总质量的比例约为30%，这一占比在极限减重的情况下可达到50%，因此eVTOL上电池的质量极限约为500kg。当电池能量密度提升至400Wh/kg，eVTOL续航200公里所需电池容量约90kWh，在车身轻量化和电池系统轻量化的理想状态下甚至可支撑eVTOL续航300公里。如果电池能量密度进一步提升至600Wh/kg时，eVTOL的续航甚至可达400km。 （2）充放电功率要求提升，高压三元/钴酸锂等路线较优。据《Challenges and key requirements of batteries for battery vertical takeoff and landing aircraft》，为保持高功率的巡航电压