混合动力概念、分类、特点及产业进展如何？

低空飞行的另一种解决方案。

1.混合动力：弥补纯电劣势，续航能力优势明显

纯电驱动的效率高，但能量密度低，针对中长距离的低空出行，纯电动目前还不具备 可行性。若仅考虑单独部件效率，传统推进系统（内燃机）的效率约为 20%-36%，而电推进系统（电池和电机）的效率可以达到 75%-83%，是内燃机的 3 倍。然而电池最高声 明的电池能量密度比内燃机的喷气燃料低约 30 倍，因此内燃机与电推进系统的推进功率 比将转变为约 10:1，这限制了纯电动飞机的续航里程和飞行时间。纯电动飞机要想达到传 统飞机 25-50%的航程，其电池能量密度需要超过 1000Wh/kg，现有电池无法达到。 混合动力是低空领域的另一种驱动方案，作为纯电方式的补充，其性能和前景类似于 新能源汽车混合动力。全球多家飞机制造商，如波音、空客、巴西航空工业公司，以及罗 罗、西门子、美国宇航局、代尔夫特理工大学和德国航空航天中心等企业和机构致力于开 发混合动力飞机。国内政策也在鼓励以混合动力研究方向。工信部《通用航空装备创新应 用实施方案（2024-2030 年）》中提到，以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、 可持续燃料动力等技术路线，并开展 400kW 以下混合推进系统研制。

根据驱动原理的不同，混合动力包括串联混合动力、并联混合动力、串并联混合动力、 涡轮电动混合动力等： 1）串联混合动力：内燃机驱动发电机，发电机输出的电驱动电机，电机连接旋翼。 在需要低推进力的飞行阶段（例如巡航阶段），发电机转换的能量也可以为电池充电。优点在于，内燃机不与推力产生机械耦合，始终以最佳运行功率和速度运行；概念简单，易 于控制推进力。缺点在于，电机必须单独提供整个推进力，需要使用高功率电机和更大的 电池，这会增加传动系统的重量和体积。 2）并联混合动力：内燃机和电源并联驱动，并以机械耦合，可以单独或共同提供推 进力。优点在于，内燃机的轴上没有发电机，机器的尺寸可以更小；因为推进力由两者提 供，重量也相应减轻。缺点在于，机械耦合增加了额外的质量；推进控制系统更复杂，由 于内燃机参与推进，在不同的飞行阶段的运行效率需要优化。 3）串并联混合动力：内燃机、电机、发电机和螺旋桨通过联轴器机械连接。内燃机 的机械动力可用于驱动螺旋桨，或通过发电机转换为电能为电池充电。优点在于，允许在 运行期间轻松改变拓扑结构，并且是混合动力汽车中最常用的架构。缺点在于，在控制和 重量预估方面复杂性过高，技术难度大。 4）涡轮电动混合动力：与串联类似，但不依赖电池来提供推进能量，由内燃机驱动 发电机，所有电力都来自燃料，没有额外的储能设备。与串联一样，将内燃机推进器与电 磁推力产生装置分离可提高推进性能，内燃机可以在接近其峰值效率功率与速度条件下运 行，并且可以位于飞机的最佳位置，其电力被分配到多个电机驱动的旋翼。

不同的混合动力所用能源系统存在差异。涡轮电力推进系统和全电力推进系统为单一 能源系统；并联混合动力系统垂起过程和水平推进过程相互独立，垂起过程的电力需求由 电池提供，水平推进过程的电力需求由内燃机提供；串联混合动力系统内燃机和电池可同 时工作，因此其机理比其他推进系统更为复杂。

混合动力结合了传统燃油飞机的特点，相比纯电动飞行汽车的性能优势明显：最大起 飞重量和电池重量降低、巡航高度更高、巡航距离更长、载荷能力更强。参考 Evaluation and Comparison of Hybrid Wing VTOL UAV with Four Different Electric Propulsion Systems 的对比实验，以无人机为例：1）在固定的性能要求和飞行参数下，混合动力类 型的最大起飞重量和电池重量更低；2）巡航高度更高：全电动飞行器的最高巡航高度仅 1100m，并联混合动力飞行器为 2500m，涡轮电动和串联混合动力均超过 5000m；3） 巡航距离远高于纯电方式；4）载荷能力强，最大飞行重量对载荷的敏感度低。

2.产业进展：目前玩家较少，处于早期研发阶段

全球多家飞机制造商，企业和机构在推进全电动垂直起降飞行器（eVTOL）之外，也 在同时致力于开发混合动力飞机或飞行器，但目前进度基本处于概念或早期研发阶段。 1）克莱因视觉 Klein Vision：斯洛伐克公司克莱因视觉开发的 AirCar 飞行汽车采用 了混合动力的设计，搭载宝马一款 160 马力汽油发动机。其电推进系统采用了可伸缩机翼、 折叠尾翼、降落伞展开等设计，折叠尾翼有助于实现更好的纵向稳定性和起飞特性。其设 计最高时速 250 公里，飞行最高高度 3000 米，航程可达 1000 公里。 2）吉利：吉利旗下的 Terrafugia 公司所设计的 TF-X 型号飞行汽车采用混合动力驱 动。TF-X 搭载两台插电式混合动力 500 千瓦电动机并以此驱动两个旋翼，车上配有一台 300 马力的内燃机为电池充电，同时驱动涵道风扇的运转。3）罗罗：罗罗是英国老牌发动机公司，2018 年宣布其混合动力飞行汽车项目。概念 机采用混合动力系统，使用 RR Model 250 为倾斜机翼上的四个螺旋桨和倾斜尾翼上的两 个螺旋桨发电。飞机可以搭载 4-5 名乘客，速度 400 公里/小时，飞行里程约为 800 公里。

4）Elroy Air：Chaparral 是一款混合动力货运 eVTOL，采用了八个垂起旋翼和四个 水平旋翼的配置。其独特的设计在于中央机身下方有一个可携带 300 磅（136 公斤）货 物的吊舱。拥有一个矩形细长的空气动力学形状的机身和 T 型尾翼，并配有固定的四轮式 延伸起落架。起落架横跨吊舱。动力方面采用了涡轮发电机混合动力架构，通过将燃气涡 轮驱动的发电机与电池相结合解决了全电动系统的局限性。其最大续航里程 483 千米，巡 航速度约 230 公里/小时。

尽管混合动力 eVTOL 在续航、性能、补能等方面相较当前纯电 eVTOL 技术具有明 显优势，但市场上从事混合动力 eVTOL 研发的企业仍然相对较少，背后原因可能在于： ① 技术挑战：混合动力系统的设计和集成相较纯电动系统更为复杂。需要同时管 理传统燃油发动机和电动机，对初创 eVTOL 主机厂来说，这会导致更高的研 发难度和更长的开发周期。 ② 成本原因：混合动力系统的开发和制造成本较高，需要同时拥有出色的内燃机 和电动机及联动系统技术。相较之下，纯电动系统的研发成本更低，且第三方 供应商电池和电机技术更为先进，成本更低。 ③ 市场需求和监管因素：当前市场对零排放、低噪音的电动航空器有着强烈的需 求。纯电动 eVTOL 能够提供更为环保和安静的解决方案，符合许多城市和政 府的可持续发展目标。与早期新能源汽车类似，纯电动方案更符合监管机构倾 向的路线。