深度解析eVTOL三电系统,低空经济迈向万亿时代
2024-05-24 09:55:27 来源:半导体器件应用网 作者:余泓陶 点击:4902
【哔哥哔特导读】低空经济将迎来爆发式增长,eVTOL有望引领破万亿市场,你愿意在未来乘坐“空中出租车”吗?
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。
△低空经济规模巨大,未来数年将会迎来大爆发
(图源包图网)
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。
△新闻报道截图(图源网络)
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。
△三电系统将发挥着决定性的作用
(图源包图网)
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。
△多个省市地方政府已密集出台政策支持低空经济发展
(图源包图网)
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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在当今拥挤城市中,eVTOL是新的城市交通解决方案。乘客可以利用天空,不需要飞行员。eVTOL的电气化、自动化和及时响应,创造了航空运输的新未来。
今年的两会上,除了大热的“人工智能”,你是否关注到了“低空经济”?
TE Connectivity正在利用其专业技术帮助电动飞机开发商应对不断增加的高压直流负载。这家互连技术专家在巴黎航展的展台上展示了一个引人注目的透明丙烯酸模型,其中有不少于120种该公司为新型eVTOL飞机生产的组件,包括50种不同类型的连接器。
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