eVTOL能源效率与所需电池性能概述

城市空中交通（UAM）概念取决于eVTOL飞机的研发，这些飞机使用没有跑道的“垂直起降场”（类似于直升机停机坪）运行，因此特别适合城市环境，而且eVTOL飞机所带来的点对点的机动性相比地面交通快2-6倍。正因为其承载着城市空中交通快速出行的愿景，截止到现在，该行业已经获得了几十亿美金的大笔投资。

飞机的电气化可以实现分布式电力推进（DEP技术），这是因为电机与内燃机不同，电机的效率与功率密度与其尺寸大小无关。分布式推进显著降低了飞行阻力，而电机的效率大约是内燃机的2-3倍，因此eVTOL飞机的整体效率会更高。

UAM飞行器的设计指标空间包括航程、最大起飞重量（maximum take-off

Mass，MTOM）、有效载荷能力和能源消耗率。类别大体分为3大类，多旋翼：类似于直升机，但多个旋翼分布在飞机上，通常没有固定翼；升力+巡航：使用一组旋翼用于起飞、着陆和悬停（垂直飞行）和另一套用于巡航，通常带有固定机翼；矢量推力：通常是固定翼飞机，飞机的推力系统通过改变推力方向提供垂直飞行和水平飞行所需拉力；矢量推力可以进一步分类为:

a) 倾转旋翼：旋翼通过旋转轴旋转提供不同方向拉力；

b) 倾转机翼：倾斜动作由附有旋翼的机翼执行；

c) 倾转涵道：倾斜动作与旋翼倾转相同，但推力由涵道风扇产生；

eVTOL飞行器在起降/悬停飞行中的功率需求与设计时所采用的桨盘载荷参数大小有非常密切的关系，桨盘载荷指飞机最大起飞重量与旋翼桨盘总面积之比。多旋翼或具有较大总旋翼盘面积的飞行器，具有较低的桨盘负载，起降和悬停所需功率就较小。

在巡航过程中的功率需求与飞行器的升阻比具有直接关系。对于同一飞机，升阻比越高，巡航功率需求就越低。带有大旋翼的多旋翼会导致阻力增加，从而导致巡航期间的高功率需求。相比之下，固定翼飞机在水平巡航提供升力的状态下能量效率就要高很多。

尽管由于桨盘负载或升阻比等设计参数而对功率要求存在差异，但在所有 eVTOL设计中，起飞、着陆和悬停段功率远高于巡航段。 因此，可以粗略地说，一次飞行中单位航程的能量消耗与垂直飞行所用时间的比例成正比。对于固定了起飞和降落的航段，一旦飞机达到规定的飞行高度，随着巡航距离的增加，单位航程的整体能耗一般会下降，并在一定的巡航速度下最优。

针对eVTOL能源效率和所需电池性能问题，在今年6月份，卡内基梅隆大学发布了一项关于UAM eVTOL能源效率与电动汽车（electric vehicles，EV）和燃油车（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）的能源效率对比，以及当前主要几家载人eVTOL飞行器所需电池性能的研究报告。报告和模型脚本可在文末获取。

一、eVTOL与EV/ICEV能源效率对比

A.对比分析的前提:

为了对比研究eVTOL与EV/ICEV等地面车辆的能源效率，报告中首先考虑了两种交通模式之间的差异。eVTOL覆盖点到点的距离而没有曲折，而地面车辆在具有迂回路径的道路上行驶，导致相同点之间覆盖的距离更长。各国的迂回道路迂回系数在1.12到2.1之间，美国的平均路线迂回系数约为 1.2。另一个重要因素是交通工具的成员人数或说携带的有效载荷量。在美国，包括摩托车、汽车和轻型卡车在内的轻型车辆的平均装载率在10多年里一直为1.67。

综合这两个因素，选定的能源效率指标是单位有效载荷在单位距离下的能源消耗，单位为Wh/乘客英里。其中美国平均装载率1.67将作为后面的预期装载率进行能源效率对比计算。报告中选择了市面上主要的5款eVTOL飞机进行对比，如下表所示。

Beta Alia-250

根据所建立的eVTOL功耗模型，得出如图1所示结果。

图1：5种不同eVTOL和地面车辆能源效率

图中横坐标表示里程距离（英里），纵坐标表示能源效率（Wh/乘客英里）；菱形标记表示EV/ICEV在装载率预期装载率时的能源效率；所有eVTOL飞机的能源效率均是在150 miles/h下计算得到的，这个速度比等效的地面车辆快6倍。图中颜色所占区间上下界表示装载率在1人和满载之间的能源效率，如EV和ICEV的能源效率保持不变，均为一条直线。EV在预期装载率时的能源效率为223 Wh/乘客英里，ICEV在满载时的能源效率为420 Wh/乘客英里。

从图中很容易看到，对于所有飞机，随着巡航里程的增加，效率都显著提高。对于单人乘坐eVTOL来说，能源效率均普遍偏高，Lilium Jet > Beta Alia-250 > Archer Maker ≈ Joby 5人座 > Heaviside。Lilium Jet使用涵道风扇，由于高桨盘负载导致垂直飞行能耗高，但随着巡航长度的增加，由于其高效的巡航能力，与其他飞机相比能耗迅速下降。

在计算过程中，假定EV和ICEV的装载率在行驶全程不变，并在在单人、预期装载率、最大装载率情况下进行比较。

B.eVTOL与ICEV的能源效率比较：

在预期装载率下，所有5款飞机在设计的航程内的效率都好于ICEV预期装载率下的能源效率（1000 Wh/乘客英里）；在满载情况下，所有飞机在设计的航程内都比ICEV满载情况下的能源效率（420 瓦时/乘客英里）更好或等效。

C.eVTOL与EV的能源效率比较：

在将EV与五架eVTOL的效率进行比较时，发现单人Heaviside在航程大于20英里时比一个乘员的EV更高效，在航程大于 35 英里时比处于预期装载率的EV更高效。满载的Joby S4、Beta Alia-250和Lilium Jet在其设计航程范围内的能耗分别约为156、181和218 Wh/乘客英里，均低于EV处于预期装载率时的223 Wh/ 乘客英里。 

通过对比可以发现，eVTOL飞行器的能源效率在航程范围内好于地面的EV和ICEV，这是具有里程碑意义的，突出了可以通过eVTOL固定翼巡航实现巨大能源效率的提升。

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二、eVTOL所需电池性能研究

如大家所知，现代eVTOL飞行器的关键支撑技术之一是电池技术的发展，在过去十年中，锂离子电池的性能和成本取得了巨大进步。而且一些eVTOL制造商提出了在飞行器上设计电池组Pack和电池管理系统的方法，这些系统与其他机载系统集成在一起，从而达到提高电池组能量密度的目的。

对于eVTOL飞行器来说，电池有两项关键性能指标与eVTOL综合性能紧密相关，一是能量密度，一是功率密度。相比较来说，电池功率密度是eVTOL飞行器更关键的性能指标，因为它决定了 eVTOL是否可以安全起飞和着陆。而另一方面，能量密度大致上决定了eVTOL的航程范围。

卡内基梅隆大学的研究报告在后半部分对上面提到的5款机型所需的电池能量密度和功率密度要求进行了分析。

eVTOL的 MTOM 大致可以分为三部分，(1) 有效载荷，(2) 电池重量，(3) 空重，即飞机结构、机身、推进系统和其他机载的重量系统。定义空重比（empty weight fraction，EMF）为空重占整机重量之比。EMF越低，说明分配给电池和载荷的重量越多，对电池要求越友好。

报告中分析了由这5款eVTOL飞机的航程和起飞/降落功率需求所决定的对应各自电池组所需的能量密度和功率密度要求。同时展示了与当前电动汽车、空间应用中的几种当前可用的电池组性能之间的对比。结果如下图2所示。

图2：EMF = 0.5时不同飞机的电池组最小能量密度和功率密度（放电时）需求

横坐标为能量密度（Wh/Kg）,主要代表着航程需求，平行于横坐标的水平误差条表示在 EWF = 0.45 - 0.55 时的估计值。纵坐标为功率密度，主要代表着起降需求，平行于纵坐标的误差条显示着陆功率要求，其中一半现有电池组已不能满足要求。到现在为止开发的各种电池组显示并标记为灰色菱形，如比亚迪的刀片电池。

“Current Li-ion”代表已经大规模生产的电池性能；“Novel/prototype Li-ion”表示最近开发的或用于高性能应用电池性能；“Advanced”表示尚未商业化的新型电池设计。

图2中电池组特定能量需求是使用EWF = 0.5（低于当前的航空标准）估算的，较低的空重分数为电池提供了更多的重量分配，从而减少了所需的电池性能指标。

Lilium Jet 7座等具有高桨盘负载的飞机需要更高的起飞、着陆和悬停功率，再加上高MTOM，Lilium Jet的功率密度要求远高于其他飞机。Beta Alia-250的航程最长，而更长的飞行距离需要更大的电池组，导致Beta Alia-250等长航程飞机所需的能量密度要求更高。

而像Archer Maker这样的低航程飞机需要的能量密度则要低得多，这种设计对于当前的锂离子电池性能是可行的。

EWF的重要性，可以通过计算每架飞机采用EWF > 0.55时，增加的能量密度来观察。同时我们还应该考虑在有电池组部分失效的情况下，如只有50%的电池组工作的情况下仍然需要维持着陆所需的功率需求，这对功率密度的要求将更高。

鉴于EMF和电池组失效对能量密度和功率密度的需求影响非常明显，我们可以知道法规将在eVTOL飞行器的技术可行性层面发挥重要作用。

总体来看，在图2中，我们还可以发现有几种eVTOL飞机，如Joby可以通过对当前锂离子电池性能的适当改进来实现预期的功能。同时电池组的充电和老化性能也需要进一步研究，这些都是电池在满足eVTOL领域中的应用时所需要做的技术准备。

在卡内基梅隆大学这份简要报告中，主要讨论了两个问题，一是eVTOL与地面车辆相比的能源效率；二是eVTOL所需的电池性能及与当前电池技术状态的比较。

这让我们既看到了eVTOL飞行器有望在更快的旅行时间内实现比同等地面替代品更高的能源效率，而这将对城市交通的排放强度和可持续性产生巨大影响，展示了eVTOL飞行器的商业前景。同时，对于eVTOL飞行器的关键能源需求电池组所需的性能方向进行了阐述，明确需要做好的技术准备。

卡内基梅隆大学这份研究报告中内容还包括：

（1）eVTOL飞行器的功耗数学模型，包括起降/巡航功率详细计算模型，基于电池大小的航程计算模型；

（2）文中5款eVTOL的机型详细参数，包括桨盘载荷、升阻比、电池容量等；

（3）当前市场主流电池组性能参数，如比亚迪/Model S电池组能量密度等；

（4）陆地面车辆能量效率数据；

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