中金谈 eVTOL：下一张中国产业全球名片

eVTOL 商业化加速，我们参考电动汽车产业研究框架，按照工程拆解思路，对纯电动 eVTOL 产业生态进行全景分析。本篇报告作为 eVTOL 零部件系列报告的开篇，从 eVTOL 路线讨论以及分布式电驱动系统展开。 摘要 中国发展 eVTOL 具有综合优势，有望成全球名片。eVTOL 作为低空经济的核心构成，中央和地方政府密集出台产业扶持政策，以亿航智能、峰飞科技、小鹏汇天为代表的 eVTOL 资质合格证近期落地加速。 我们认为，受益于新能源汽车产业链的溢出优势，结合国情特征、政策支持等，eVTOL 有望成为继新能源汽车之后，中国产业的又一张全球名片。 eVTOL 技术路线百花齐放，旋翼、动力、补能三大路线三问三答。 eVTOL 产业目前处于发展初期，旋翼技术、动力技术、补能技术均存在多种路线，交融并存。针对 eVTOL 的技术路线之争，基于产业发展和产品设计逻辑，通过对比研究，我们以三问三答分析阐述。我们认为：就旋翼技术路线而言，多旋翼、复合翼和倾转翼短期共存，倾转翼或成主流路线；就动力技术路线而言，纯电动 eVTOL 或成主流路线；就补能方式而言，换电模式或成为 eVTOL 补能体系的有益补充。 eVTOL 分布式电驱动系统高壁垒，聚焦核心部件，关注新能源车及航空产业链迁移。本篇报告作为 eVTOL 零部件系列报告的开篇，首先聚焦 eVTOL 高冗余的分布式电驱动系统。eVTOL 电驱动系统的拆解研究，我们按照电机、螺旋桨、电池、电控及小三电、热管理等核心部件，逐个详细探讨了各个部件的技术要求、产业现状及未来发展趋势等。 我们认为，eVTOL 电驱动系统投资思路，基于其特殊的高冗余分布式系统部署逻辑，聚焦核心部件的制造以及相关材料、工艺和设备供应链，同时密切关注相关新技术进步；对于标的选择上，可优先关注现有新能源汽车电驱动产业链企业的场景迁移，以及目前具有航空产品供应资质企业的降维拓展。 正文 eVTOL：综合优势明显，有望再造中国产业名片 发展优势明显，eVTOL 有望继电动车之后，再添中国产业的全球名片 eVTOL（electric Vertical Take-off and Landing，电动垂直起降）是指以电力作为飞行动力来源，并具备垂直起降功能的飞行器。相对于传统飞行器，eVTOL 具备智能、安全可靠、经济环保等诸多优势。技术进步和政策助力共同催化各国的低空交通系统快速发展，以中国为例，中央和各级政府加速出台 “低空经济” 支持政策，并颁发了全球首张 eVTOL 航空器型号合格证。我们认为，eVTOL 作为低空经济的核心载体，已迈入规模商用阶段，有望快速培育出完整的低空经济产业链。 中国优势明显：国情特征 + 政策助力，新能源汽车产业溢出，百花齐放 我们认为，继新能源电动汽车产业成为全球名片之后，中国有望在 eVTOL 产业获得类似的成就。我们认为，中国发展 eVTOL 产业具有以下优势： ► 人口及地理特征：中国人口密集，城市交通压力较重，同时地形复杂多样，孕育着多场景需求；eVTOL 作为空间点对点运输方式，可脱离地面束缚，轻松应对复杂场景，有效缓解基础设施建设压力。 ► 政策支持：中央和地方高度重视，密集出台多项产业支持政策，颁发全球首张 eVTOL 航空器型号合格证。eVTOL 作为新式交通工具，参考智能驾驶，政策支持是产业发展的核心必要条件，中国政府为其快速发展提供土壤。 ► 新能源汽车产业链溢出，复用及制造能力：eVTOL 与新能源汽车产业链高度重叠，小鹏、吉利、广汽等多家车企已有布局。从电机、电池等动力系统，到激光雷达、IMU 等核心部件，再到碳纤维复材等结构件，中国具有相对成熟的产业优势。 ► 百花齐放，百家争鸣：中国拥有亿航智能、峰飞航空、时的科技、沃飞长空、小鹏汇天等多家 eVTOL 研发生产企业，既有专供一隅的初创科技公司，也有向天空延伸的车企，我们预计未来或有科技巨头延伸布局。丰富的参与者生态，有助催化产业快速成长。 产业生态丰富，聚焦 eVTOL 生产体系 我们认为，eVTOL 生态系统主要包含如下角色：政策主管部门、eVTOL 生产企业、指挥调度中心、机场建设、终端需求群体。 ► 政策主管部门：包含民航局、工信部、地方政府等，出台 eVTOL 生产制造、商业运营等政策及行业标准，例如 eVTOL 的 TC、AC 及 PC 证书颁发等。 ► eVTOL 生产体系：包括主机厂以及上游零部件诸如驱动、飞控、通讯、导航系统等供应商。目前国内 eVTOL 尚未有行业标准，采用 “个案” 制度审批，零部件资质不明确，完善中。 ► 指挥调度中心：负责飞行管理、航线规划、流量控制、应急响应和数据管理等，以深圳市为例就在体系内成立有专门的低空服务公司，负责日常运营并与航空系统对接。因涉及三维地图、空域管理等，基本由政府机构主管，调度系统建设多由民航局空管联合内外部软件开发企业共同完成。 ► 机场建设：eVTOL 区别于现有通航飞机，不需要跑道，仅需停机坪即可起降，机场建设标准及难度均相对下降。因所需面积小，可灵活布局，可参考直升机停机坪建设体系。 ► 终端需求群体：涉及载人交通、物流运输、应急救援、旅游观光、产业监测等多终端场景，目前在从商业 B 端、政府 G 端，向 C 端消费群体快速延伸。 我们认为，生产体系是核心，政策是前提，指挥调度中心和机场建设等是保障，终端需求群体是目的，共同促进 eVTOL 生产体系的技术进步、产业链成熟和商业化加速。 图表 1：eVTOL 产业生态图 资料来源：亿航智能官网，中金公司研究部 eVTOL 核心路线三问三答：旋翼路线、动力路线、补能路线 eVTOL 产业发展初期，面临旋翼技术路线、动力技术路线，以及补能路线等多重选择，目前产业内多种路线交融并存。基于产业发展和产品设计逻辑，我们认为：就旋翼技术路线而言，倾转翼或成为主流路线；就动力技术路线而言，纯电动 eVTOL 或成主流路线；就补能方式而言，换电模式或与充电模式共同构建 eVTOL 快速补能体系。 eVTOL 旋翼技术路线：倾转翼或成未来主流 eVTOL 旋翼技术方案分类繁杂，综合国内外多家 eVTOL 的真实产品，我们将其简单分为三类：多旋翼、复合翼、倾转翼三大类。 ► 多旋翼：具有多个水平旋翼，结构简单，灵活性高，但巡航阶段能耗大，存在航程较短、效率低、载荷少等缺点。代表机型有亿航 216、小鹏汇天 X2 等。 ► 复合翼：兼有负责起降的水平旋翼和负责巡航的垂直旋翼系统，结合了多旋翼和固定翼的特点，效率高、航程远，但机身结构和飞行控制较为复杂。代表机型有峰飞 “盛世龙”、亿航 EH-VT30、Volocopter 的 VoloConnect 等。 ► 倾转翼：同一套旋翼可通过机械机构变化实现垂直起降和水平巡航的模式切换，包含倾转涵道机型。该方案所有动力实时可用，机身自重小、能量效率高、续航及载荷优势明显，但机械结构设计及飞控系统综合能力要求高。代表机型有 JOBY S4、时的 E20 等。 图表 2：三种旋翼代表机型 资料来源：JOBY 官网，中金公司研究部 倾转翼 eVTOL 是产业发展趋势，中国企业从多旋翼、复合翼方案加速追赶。按照技术难度、系统效率及续航等，多旋翼、复合翼、倾转翼依次增加。现阶段 JOBY、Archer 等全球领军企业均有采用倾转翼技术方案，国内时的科技、沃飞长空等亦有尝试。近期中国政府颁发的合格证来看，亿航 216 以及峰飞 V2000CG 分别属于多旋翼、复合翼机型，我们认为国内的倾转翼方案技术水平或与海外友商尚存在差距。结合产业现实及发展趋势，参考生物学垂直生态系统概念，我们预计，三种技术方案有望根据场景分层而长期共存，复合翼及倾转翼将成为中国 eVTOL 的主流路线。 eVTOL 动力技术路线：纯电动或成主导 eVTOL 顾名思义，以电驱动作为动力来源，分为纯电动以及混合动力两种。 ► 纯电动 eVTOL：具有零排放、低噪音等特点，但受限于当前电池技术的能量密度，其航程和载重能力相对有限。动力系统采用多个电机、多个电池的分布式系统。 ► 混合动力 eVTOL：结合电池和另一种能源，如氢燃料或燃油，具有航程及载重优势。动力系统通常包括一个或多个电机，以及一个辅助的燃油发动机或燃料电池系统。 图表 3：全电动 eVTOL 分布式架构 资料来源：无人机网，中金公司研究部 图表 4：小鹏汇天 X2 的分布式电池系统 资料来源：小鹏汇天官网，中金公司研究部 我们认为，区别于地面交通的车辆纯电动与混动路线的长期共存，纯电动或成为 eVTOL 的核心主导路线： ► 冗余要求：飞行器对系统冗余要求较高，如果空中停车，需要系统快速反应弥补动力缺失。电驱动系统具有天然的分布式布置优势，电机和电池均可按照需求灵活拆分组合。 ► 第一性原理：因使用场景不同，eVTOL 的设计区别于固定翼大飞机的单发或者双发。eVTOL 需要电能，最优解是携带电能载体，可充放电的动力电池符合该要求，在机身自重和空间相对受限的情况下，携带发电装置如发动机、氢燃料等或性价比不具优势。 ► 技术进步：目前全电动主要受制于电池密度，参考电动汽车发展史，电池能量密度通过技术升级在持续提升，目前 eVTOL 以高镍三元锂电池为主，伴随凝聚态、固态/半固态等技术发展，未来可期。 ► 环境及乘客友好：eVTOL 低空域飞行，涉及城市上空等人口稠密区，对于噪音以及环境问题更为敏感，兼顾空中乘客体验，纯电动模式兼有环保和舒适度优势。 eVTOL 补能体系：换电模式或成重要补充 eVTOL 采用高度冗余的多个电池分布式部署，区别于电动车单块大电池，无法通过单充电口实现类似车端的快充，同时多个电池的安全问题也成为关注焦点。另一方面，凝聚态/固态等新电池技术，因导电介质特性，充电速度变慢。我们认为，充电模式或在 eVTOL 遇到挑战。 eVTOL 的生产工具属性，可类比重卡场景，换电模式可有效提升运营效率和经济效益。eVTOL 用于载人或者载货，本质上属于生产工具，对比地面交通体系，可类比重卡或者出租。对生产工具而言，提高运营效率是其商业模型和盈利能力的主要来源，以电动重卡为例，目前换电重卡渗透率已超 75%。对于 eVTOL 而言，其商业运营模式与换电重卡高度类似，拥有相对固定的起始点和路线，短途载货（载人）。以亿航 216 机型为例，单次续航时长约 25min，我们预计其安全充电时长或超 10min；将相关参数嵌入短途客运场景，短途游客落地后需等待较长时间充电才能搭载第二波游客起飞，eVTOL 商业运营模型存在优化空间。 无人机换电已成熟商业化推广，eVTOL 换电已有机型落地。目前，无人机领域的换电模式已商业化量产落地，用于物流、巡检场景的自动补能续航，代表企业包括美团、大疆、瀚川智能、星逻智能以及以色列 Airbotics 等。以瀚川智能为例，其无人机智能移动巡检系统，可支持多架大疆 M300 无人机群的作业管理和自动补能。eVTOL 换电代表企业为 Volocopter，其首款商用机 VoloCity 拥有 9 组电池，所有电池 5min 内可快速更换，可实现市内 30km 短途空中交通。 我们认为，换电模式有望成为 eVTOL 除充电之外的重要补能方式，优势如下： ► 为生产工具提效增利：eVTOL 属于生产工具，换电可有效提升运转效率和经济性，或轻松实现 “换电三分钟，通航一小时”，提升运营收益。 ► 电池上天标准高，专业保养及监管防风险：eVTOL 电池分布式部署，如汇天、JOBY 等单机配置 4 个电池包，亿航 216、Lililum Jet 等多达 10 个；空中电池安全比汽车安全更重要，多个电池安全管理难度更大，而换电站内可实现每个电池专业管理和监测，有效避免问题电池上天。 ► 系统契合，基建成本低：航线固定，点对点模式，换电系统的设计及基础设施建设成本低，也可根据目的地的变化与移动换电车组合实现更加灵活的补能。 图表 5：Airbotics 的无人机换电站及站内实景 资料来源：Airbotics 官网，中金公司研究部 我们认为，换电模式将和快充模式共同构建 eVTOL 快速补能体系。伴随 eVTOL 商业化稳定、机型设计和动力参数等逐步稳定，固定航线和机型的换电模式或优势更加凸显。 综上所述，我们认为，eVTOL 有望受益于中国新能源汽车产业链的溢出效应，在政策端的高度支持下，或成为继新能源汽车之后的又一张中国产业的全球名片。 基于第一章我们对 eVTOL 的旋翼技术路线以及动力技术路线的讨论，后续我们将以纯电动 eVTOL 为例，按照工程拆解的思路，参考电动汽车产业研究框架，对 eVTOL 的产业生态进行全景分析。本篇报告首先聚焦于 eVTOL 的电驱动系统进行工程分析。 图表 6：纯电动 eVTOL 系统全景图，电驱动子系统构成 资料来源：Joby 官网，小鹏汇天官网，搜狐汽车官网，中金公司研究部 eVTOL 的心脏和四肢：高冗余的分布式电驱动系统 eVTOL 需要多套分布式电驱系统，已完成首飞的机型中，多旋翼代表机型亿航 216 搭载 8 组 16 套电驱，复合翼代表机型峰飞 CV2000G 搭载 13 套电驱（10 升降 +3 推进），倾转翼代表机型 JOBY S4 搭载 6 套电驱。但无论是多旋翼、复合翼还是倾转翼 eVTOL，具体到单个旋翼，其驱动系统结构大体相同（倾转翼需增加机械切换装置）。参考电动车的驱动系统研究框架，我们将 eVTOL 的电驱动系统分为电机、螺旋桨、电池、电控及小三电、热管理等子系统。 图表 7：eVTOL 的电驱动系统与电动车的电驱动系统同源，产业链具有迁移性 资料来源：特斯拉官网，Joby 官网，中金公司研究部 电机：电机直驱或成主流，高功率密度是技术方向 eVTOL 电机用来给螺旋桨提供动力，一桨一电机，要求系统具有高功率、大扭矩、低噪音，对应电机参数要求满足高比扭矩、高比功率等。现有 eVTOL 电机的驱动方式分为两种： ► 电机直驱：电机直接带动螺旋桨，结构简单，但需要大扭矩低速电机，技术难度大。 ► 组合驱动：参考汽车电驱动，采用电机 + 行星齿轮减速器，可采用现有高速电机，技术成熟，但结构复杂，齿轮箱内部齿轮、轴承等保养需求大。 图表 8：Joby S4 最新的集成化电机直驱 资料来源：Joby 官网，中金公司研究部 伴随技术进步，电机直驱或成主流。目前市场上两种电机方案并存，但相关企业信息披露较少。受限于技术水平，部分企业采用组合驱动方案，通过高转速电机与大减速比齿轮箱的配合来实现高功率输出。现有直驱电机方案主要见于汇天 X2 等多旋翼轻型 eVTOL，单电机功率密度要求较小，相对容易实现。我们认为，按照第一性原理，考虑减轻自重提升效率等，伴随高功率电机技术进步，电机直驱或成为 eVTOL 电机的主流驱动方式。 螺旋桨：“天上的车轮”，碳纤维材质及工艺设备高壁垒，关注新技术方案 螺旋桨是 eVTOL 电驱动系统关键组件，材料、工艺等高要求。螺旋桨负责将来自电机的动力转化为升力或推进力，实现 eVTOL 的垂直起降、巡航等不同飞行状态。螺旋桨需要满足高气动效率、结构强度、噪声控制、可靠性等多重要求，同时最小化能量消耗。类比新能源汽车驱动系统，eVTOL 的螺旋桨类似于汽车的 “车轮”，但因为螺旋桨的工作介质是空气，因此对材料、造型工艺、可靠性等会有更高要求。 碳纤维螺旋桨成主流，制造工艺及设备门槛高。螺旋桨材料及叶片设计与系统能效高度相关，叶片材料通常是轻质且强度高的复合材料，如碳纤维或玻纤增强塑料，现有 eVTOL 螺旋桨多为碳纤维复合材料，例如小鹏汇天 X2。碳纤维螺旋桨的制造工艺和设备要求较高，碳纤维还是 eVTOL 机身、机翼、座椅等核心中大型部件的主要用材。 图表 9：小鹏汇天的碳纤维桨叶、碳纤维全机身 资料来源：小鹏汇天官网，中金公司研究部 电池：高冗余的 “分布式心脏”，高能量密度是技术方向 eVTOL 采用多电池的分布式部署，保障系统高度冗余和安全可靠。eVTOL 的电驱动系统采用分布式部署，主要考虑飞行器对于系统高冗余的严苛要求。具体到机型， Joby S4 拥有 6 套倾转翼驱动系统，整机搭载 4 组分布式电池包，每个电机同时连接两组电池包，一主一备，每个电池包连接多个电机，以确保在任意一个电机或电池空中突发失效时，整个系统在高度冗余下可保持安全运转。小鹏汇天 X2 配有 4 组分布式电池包，亿航 216 配有 10 组分布式电池包，Lilium 的多涵道倾转机型 Jet 也配有 10 套电池包。 图表 10：Joby S4 分布式搭载 4 组电池包 资料来源：Joby 官网，中金公司研究部 提升电池能量密度是核心需求和技术发展方向。eVTOL 对电池能量密度、电池包大小等具有较高要求，以 Joby S4 为例，其电池能量密度为 288Wh/kg，电池包采用碳纤维复合材料减重。此外，分布式电池部署方案对于多个电池 BMS 综合管理也提出了更高要求。我们认为，目前 eVTOL 主机厂的电池 BMS 系统或以自研为主，因为与飞控系统存在高耦合，对外需求主要为高能量密度的电池本体，目前采用高镍三元锂电池居多。宁德时代 2Q23 发布的凝聚态电池，单体能量密度高达 500Wh/kg，执行航空级的标准与测试，满足航空级的安全与质量要求。 电控及小三电：配电架构复杂化，部件工艺、材料及集成化要求提升 eVTOL 配电架构的部件、系统要求等提升。与电动车类似，eVTOL 的电驱动系统也需要电机电控、高低压转换 DC-DC，以及配电单元 PDU 等小三电。鉴于 eVTOL 高功率电机的特点，对电控等控制模块的开关频率、系统绝缘及热极限、NVH 优化、谐波抑制等均提出更高要求，涉及碳化硅 SiC 器件、精密嵌塑、高压架构、高热流密度散热以及高集成度传感器等，且需要满足高可靠性要求的类航空系统设计。 图表 11：eVTOL 配电架构示意图 资料来源：欣锐科技官网，中金公司研究部 核心组件外购与自研并存，部件配置遵循系统冗余要求。目前 SiC 器件应用广泛，高压化方案因机型设计而异，具体到部件层面，电机控制器与电机需协同设计，部分 eVTOL 主机厂选择电机电控整体外采；另一方面，因为电控与飞控系统存在耦合，也有部分主机厂自研。类似还有电池 BMS 系统。对于小三电而言，以充电型 eVTOL 为例，搭载 OBC 的机型因其仅在地面场景使用所以一般仅搭载 1 个，而 DC-DC 和 PDU 等根据系统设计不同而配置各异，由于考虑冗余因此一般双备份起步。 热管理：驱动系统的核心保障，液冷方案或伴随产业发展成主流 eVTOL 电驱动热管理是系统的核心保障。eVTOL 驱动系统的热管理主要涉及电机、电机控制器、电池，以及小三电等，与电动车热管理系统高度相似，区别在于 eVTOL 的迎风面积和迎风角度更多，同时分布式电驱动系统的特点，使得 eVTOL 驱动系统热管理难度提升。我们认为，目前针对电机电控的热管理方式，轻量型 eVTOL 主要以借助螺旋桨流场的风冷为主，中大型 eVTOL 电机普遍采用液冷以提升效率；针对电池系统的热管理，与电机热管理类似，兼有风冷、液冷两种。 图表 12：小鹏汇天峰值功率 50kW 的风冷直驱电机 资料来源：小鹏汇天官网，中金公司研究部 精密嵌塑：电子电气架构升级的核心工艺 一体化精密嵌塑有望成为 eVTOL 电子电气架构升级的核心工艺。eVTOL 对自身重量、空间布局、架构设计等要求较高，电子电气架构的设计需要在满足分布式冗余的前提下，尽可能的节约空间、避免过多的分立部件以及繁杂走线；此外，考虑到 eVTOL 空中飞行时，机身的震动等会对组装型部件可靠性造成影响，例如螺母螺帽松动等。 参考电动车电子电气架构的技术发展，目前 “一体化精密嵌塑” 工艺在宝马、特斯拉等带领下已开始快速渗透，该工艺可以将众多分立部件、多条线束以及连接器等，高度集成为一个独立部件，既能节省材料、空间及重量，又可提高系统安全可靠性，符合智能化和高压化技术趋势。 图表 13：兴瑞科技部分产品，以及特斯拉应用该工艺的产品图 资料来源：兴瑞科技官网，驱动视界官网，中金公司研究部 本文作者：邓学、袁牧、常菁，来源：中金公司，原文标题：《eVTOL：技术路线讨论，分布式电驱动详解》 分析员 邓 学 SAC 执证编号：S0080521010008 SFC CE Ref：BJV008 分析员 袁 牧 SAC 执证编号：S0080523110002 分析员 常 菁 SAC 执证编号：S0080518110003 SFC CE Ref：BMX565