eVTOL飛行器的動力系統與能源管理解析

摘要：eVTOL飛行器以其獨特的優勢，在未來城市交通中具有廣闊的應用前景，但其動力系統與能源管理的高效實現仍面臨諸多技術挑戰。文章系統地分析eVTOL飛行器的動力系統構成和能源管理策略，重點探討了電動機、電池、混合動力、燃料電池等關鍵技術以及能量回收、能量優化、熱管理、控制策略等能源管理方法。通過綜合分析和討論，文章提出了一套兼顧高效、可靠、經濟的eVTOL飛行器動力與能源系統解決方案，為相關領域的技術發展提供參考。

關鍵詞：eVTOL飛行器；動力系統；能源管理

中圖分類號：V275

文獻標志碼：A

0 引言

隨著科技發展，城市空中交通概念成真，電動垂直起降（electric Vertical Take-off and Landing，eVTOL）飛行器因高效、環保、低噪等有望解決城市交通、物流、救援問題，但其廣泛應用面臨動力系統和能源管理的關鍵技術挑戰。對于動力系統，如何提高各部件的性能并實現它們之間的高效協同工作是一個重要的研究方向；在能源管理方面，如何準確預測能量需求、實現實時優化控制以及建立可靠的能源管理策略也是當前研究的熱點和難點。雖有進展，但集成優化和精細控制仍有問題。深入研究其動力與能源管理，不僅推動技術應用，也支持城市交通變革。本文將系統地分析 eVTOL 飛行器的動力系統構成與工作原理，探討能源管理的關鍵技術和策略并對未來的發展趨勢進行展望，為相關領域的研究和工程實踐提供有益的參考。

1 eVTOL飛行器概述

eVTOL飛行器是一種融合了電力推進^［1］、自動駕駛、垂直起降等先進技術的新型航空器，有望在城市交通、應急救援、物流運輸等領域得到廣泛應用，成為未來空中交通的重要組成部分。eVTOL飛行器的核心是高效可靠的動力系統和智能高效的能源管理方案。動力系統涉及電機、電池、混合動力、燃料電池等多種技術形式，能源管理則包括能量回收、優化配置、熱管理、控制策略等多個層面。探究eVTOL飛行器的動力系統與能源管理，對于提升其安全性、經濟性、環保性，加速其商業化進程具有十分重要的意義。

1.1 eVTOL的定義與特點

eVTOL飛行器是指采用電力驅動、具備垂直起降能力的新型飛行器。這種飛行器通過多個電動旋翼或傾轉旋翼提供升力和推力，實現垂直起飛、懸停以及垂直降落等飛行模式，同時在巡航階段通過機翼產生升力，從而大幅提升飛行效率。eVTOL飛行器與傳統直升機相比，具有噪聲低、污染小、運營成本低等優點，代表了未來城市空中交通的發展方向。

1.2 eVTOL的應用前景與挑戰

eVTOL飛行器憑借其獨特的優勢，在城市空中交通、應急救援、物流運輸等領域具有廣闊的應用前景。在城市空中交通方面，eVTOL飛行器可作為空中出租車，提供點對點的出行服務，緩解地面交通擁堵問題并為偏遠地區提供便捷的交通連接。在應急救援領域，eVTOL飛行器可快速到達事故現場，執行醫療急救、火災撲救等任務，提高救援效率。在物流運輸方面，eVTOL飛行器可用于“最后一公里”配送，實現高效、靈活的配送服務。然而，eVTOL飛行器的發展也面臨諸多挑戰，如電池能量密度限制、空域管理問題、基礎設施建設等，為充分發揮eVTOL飛行器的潛力，須要在技術研發、法規標準制定、運營管理等方面開展深入工作，推動eVTOL產業的健康發展。

2 eVTOL飛行器的動力系統

2.1 電動機

2.1.1 電機類型與選型

eVTOL飛行器的電動機選型須要綜合考慮功率密度、效率、可靠性等因素，常見的電機類型包括永磁同步電機、開關磁阻電機等。永磁同步電機具有功率密度高、效率高、轉速范圍廣等優點，是eVTOL飛行器的主流選擇；開關磁阻電機則以結構簡單、成本低、耐高溫等特點著稱，在某些應用場景下也有一定優勢。電機選型時須要根據飛行器的任務需求、載重量、飛行時間等因素，權衡電機的各項性能指標，選擇最優的電機類型與規格。

2.1.2 電機控制策略

電機控制策略的設計須要綜合考慮電機特性、飛行工況、能源優化等因素。常用的電機控制策略包括矢量控制、直接轉矩控制等。矢量控制通過解耦電機的磁鏈和轉矩，實現對電機轉速和轉矩的精確控制，適用于高動態性能要求的場合；直接轉矩控制則通過直接控制電機的轉矩和磁通^［1］，降低了控制系統的復雜度，在動態響應和魯棒性方面具有優勢。

2.2 電池系統

2.2.1 電池類型與特性比較

目前，應用于eVTOL飛行器的電池主要包括鋰離子電池、固態電池等。鋰離子^［2］電池以其高能量密度、長循環壽命等優點成為主流選擇，但在安全性、低溫性能方面還有待提高；固態電池采用固態電解質，具有更高的安全性和能量密度，但目前成本較高，商業化進程相對較慢。選擇電池類型時，須要綜合考慮能量密度、功率密度、安全性、成本等因素并針對不同的應用場景選擇最優方案。

2.2.2 電池組設計與優化

電池組設計須要在滿足系統功率、能量需求的同時，兼顧電池組的輕量化、緊湊性等要求。電池組設計須要綜合考慮電芯選型、串并聯拓撲、機械結構等因素，通過合理的電氣和機械設計，實現電池組性能的最優化。電池組還須要配備完善的電池管理系統，實現對電池狀態的實時監測和控制，確保電池組的安全穩定運行。在電池組優化方面，可以通過優化能量配置、均衡管理等策略，提升電池組的能量利用效率和循環壽命。先進的電池組設計還可以采用模塊化、標準化的理念，提高電池組的通用性和可維護性，降低系統成本。

2.3 混合動力系統

2.3.1 混合動力方案分析

盡管純電動eVTOL飛行器具有諸多優勢，但受限于當前電池技術水平，其續航時間和載重能力還難以滿足長距離運輸等任務需求?；旌蟿恿ο到y通過燃油發動機、發電機、電池^［1］等組件的協同工作，兼具電力推進的低排放、低噪音優勢以及燃油動力的高能量密度、長續航優勢?；旌蟿恿Ψ桨缚煞譃榇撌?、并聯式等不同架構，各有優劣，方案選擇須要綜合考慮飛行器的任務需求、動力系統效率、重量分布等因素，權衡各方案的性能和經濟性，選擇最優架構。

2.3.2 混合動力系統能量管理

能量管理策略須要綜合考慮飛行器的工作狀態、動力需求、能源存儲狀態等因素，合理調配各個動力源的功率分配，優化系統的工作。常用的能量管理策略包括規則基礎控制、等效消耗極小策略等，先進的能量管理策略還可以引入智能優化算法，如模型預測控制、強化學習等，實現能量管理策略的自適應優化。同時，能量管理策略還須要與飛行控制系統、電池管理系統等協同工作，實現整個系統的高效運行。

2.4 氫燃料電池系統

2.4.1 燃料電池工作原理

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學能直接轉化為電能的裝置，因其高效、清潔、可再生等特點，在eVTOL飛行器動力系統中具有廣闊的應用前景。燃料電池的工作原理是氫氣和氧氣在電催化劑的作用下，發生電化學反應，生成水和電能，其中，氫氣在陽極催化劑的作用下，釋放出電子和質子；電子通過外電路到達陰極，驅動負載工作；質子則通過電解質膜到達陰極，與電子和氧氣反應生成水。燃料電池可以實現高效的能量轉化，且反應過程只生成水，無污染排放。但燃料電池存在成本高、氫氣存儲難等問題，目前在eVTOL飛行器中的應用還處于起步階段，須要攻克關鍵技術難題。

2.4.2 燃料電池系統設計

氫燃料電池系統在eVTOL飛行器中的應用，須要綜合考慮燃料電池堆的選型、氫氣存儲和供給、熱管理、水管理等因素，進行系統層面的設計和優化。燃料電池堆的選型須要權衡功率密度、能量轉換效率、成本等因素，目前質子交換膜燃料電池因其啟動快、工作溫度低等特點，成為eVTOL飛行器的主要選擇。氫氣存儲和供給系統須要兼顧儲氫密度、供氫動態特性、安全性等要求，目前高壓氣態儲氫是主要方式，但液態儲氫、固態儲氫等新技術也在不斷發展。燃料電池系統的熱管理和水管理也是影響其性能和可靠性的關鍵因素，須要合理設計冷卻系統、濕度控制系統等，確保燃料電池在最優環境下工作。

3 eVTOL飛行器能源管理策略

3.1 能量回收技術

3.1.1 制動能量回收

eVTOL飛行器在下降和著陸階段，旋翼的快速制動會釋放出大量的動能，如果不加以利用，這部分能量就會以熱能的形式耗散掉，造成能源浪費。制動能量回收技術通過在旋翼上安裝發電機或者將電機改為發電模式，將旋翼制動過程中的機械能轉化為電能，存儲在電池中，供后續飛行使用。該技術可以顯著提升eVTOL飛行器的能源利用效率，延長續航時間。

3.1.2 減速能量回收

eVTOL飛行器在巡航狀態下，通過調節旋翼槳距，改變飛行器的迎風面積，可以實現類似于固定翼飛機的滑翔飛行，減少動力需求。在這個過程中，飛行器的動能會轉化為勢能，勢能則可以在后續爬升階段被重新利用，從而達到節能的目的。這種利用飛行器下降過程中的勢能進行能量回收的方法，稱為減速能量回收。該技術可以通過優化飛行軌跡和能量管理策略，在保證飛行任務完成的同時，最大限度地減少能量消耗，但減速能量回收對飛行器的航跡規劃和控制提出了更高的要求，須要綜合考慮任務約束、空域限制、天氣條件等因素，平衡飛行性能和能效水平。

3.2 能量優化配置

3.2.1 能源系統建模

eVTOL飛行器能源系統是一個復雜的多能源、多變量耦合系統，包含電池、電機、逆變器、燃料電池等多個子系統，能源流動和轉換過程復雜。為實現能源系統的優化設計和管理，須要建立準確的能源系統模型，描述系統的靜態特性和動態行為。能源系統建?？梢圆捎枚喾N方法，如基于物理的建模、數據驅動的建模等?；谖锢淼慕８鶕到y的物理機理，建立反映系統功率流、效率特性的數學模型;數據驅動的建模則通過機器學習等手段，從歷史運行數據中提取系統特征，生成相應的模型。

3.2.2 能源優化算法

在能源系統模型的基礎上，須要運用優化算法，在滿足飛行器任務約束的同時，求解能源系統的最優工作狀態，實現能源利用效率的最大化，常用的能源優化算法包括凸優化、動態規劃、智能優化等。凸優化通過凸近似的方法，將能源優化問題轉化為凸優化問題求解，以獲得全局最優解，但往往須要較高的計算資源。動態規劃通過將優化問題分解為階段子問題，利用最優子結構的性質，高效地獲得全局最優解，但動態規劃求解維度受限，難以應用于高維優化問題。智能優化算法，如遺傳算法、粒子群算法等，通過模擬自然界的智能行為，實現全局搜索能力，在解決高維、非線性優化問題方面具有獨特優勢。

3.3 熱管理系統

3.3.1 熱管理系統設計

eVTOL飛行器的電池、電機、逆變器等部件在工作過程中會產生大量的熱，如果不能及時有效地散熱，會導致部件性能衰減，甚至引發安全事故。熱管理系統設計須要綜合考慮系統的熱源分布、冷卻介質、換熱方式等因素，通過優化冷卻系統布置，合理配置冷卻資源，實現系統的高效散熱。先進的熱管理系統可以采用多元冷卻介質，如空氣、液體、相變材料等，利用不同介質的熱物性差異，實現系統的高效低成本散熱。同時，熱管理系統還須要與其他系統實現功能集成，如利用冷卻液路實現電池包的均溫控制等，以提升系統的綜合性能。

3.3.2 主動與被動熱管理技術

熱管理系統可分為主動式和被動式2大類。主動式熱管理依靠外部能量輸入，通過風扇、泵等部件實現冷卻劑的強制循環，可以實現精確的溫度控制和高效的熱交換，但系統復雜度和能耗較高；被動式熱管理則主要利用自然對流、輻射等機制實現熱量傳遞，系統簡單可靠，但散熱能力有限，難以應對高熱流密度場景。先進的eVTOL飛行器熱管理系統往往采用主被動相結合的方式，合理配置冷板、熱管、相變材料等被動式熱控部件，利用其高效導熱、高熱容的特性實現局部熱均衡；同時配以風冷、液冷等主動式手段，提升系統的熱傳輸能力，實現精確溫控。

3.4 能源管理控制策略

3.4.1 基于規則的控制策略

基于規則的控制是一種常見的能源管理策略，通過預先設定一系列邏輯規則，根據系統的工況狀態，采取相應的控制措施，實現對能源流動的調控，如在電池電量低于閾值時，減小電機輸出功率；在電池溫度超過限值時，加大冷卻系統功率等?；谝巹t的控制簡單可靠，易于工程實現，但面對復雜多變的飛行環境，難以實現最優控制，因此，該方法往往與其他控制策略相結合，作為基礎控制手段，保障系統的正常運行。設計基于規則的控制策略須要全面考慮影響能源系統的關鍵因素，提取合理的控制規則并采用魯棒性設計，確?？刂葡到y的可靠性。

3.4.2 基于優化的控制策略

相比于基于規則的控制，基于優化的控制采用更加系統的思路，將能源管理問題建模為一個動態優化問題并運用優化理論求解最優控制策略，實現能源系統效率和經濟性的最大化?；趦灮目刂瓶煞譃槿謨灮刂坪蛯崟r優化控制。全局優化控制在飛行任務始發階段，根據飛行任務、環境條件等信息，求解全局最優的能源管理策略并作為飛行過程的控制依據，但該方法未考慮飛行過程中的不確定因素，一旦實際工況偏離預設條件，最優性難以保證。實時優化控制則在飛行過程中，根據當前的系統狀態，實時更新優化目標并求解短時最優控制策略。該方法可以快速響應工況變化，具有更強的魯棒性，如圖1所示。但同時也對優化算法的計算效率提出了更高要求?；趦灮目刂仆c模型預測控制等先進控制方法相結合，通過滾動優化的方式，在保證全局最優性的同時，提升控制系統的實時性和魯棒性。

4 結語

綜上所述，eVTOL飛行器的動力系統與能源管理是一個復雜的系統工程，涉及電機、電池、混合動力、燃料電池等多種關鍵技術以及能量回收、能量優化配置、熱管理、控制策略等諸多能源管理手段。只有在動力系統設計和能源管理策略2個層面進行系統優化，協同設計與集成，才能真正實現eVTOL飛行器的高效、安全、經濟運行。未來，還須要在動力系統的輕

量化、高比功率方面以及能源管理的智能化、自適應方面開展進一步攻關，為eVTOL飛行器早日成為未來空中交通的主力軍而不斷努力。

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（編輯 王雪芬）

Analysis of eVTOL aircraft power system and energy management

HUA Chenyu

（Shenyang Aerospace University， Shenyang 110100， China）

Abstract：eVTOL aircraft has a wide application prospect in the future urban traffic because of its unique advantages， but its power system and energy management still face many technical challenges. In this paper， the power system structure and energy management strategy of eVTOL aircraft are systematically analyzed， and the key technologies such as electric motor， battery， hybrid power and fuel cell are emphatically discussed， and energy recovery， energy optimization， heat management， control strategies and other energy management methods. Through comprehensive analysis and discussion， a set of efficient， reliable and economical solutions for eVTOL aircraft power and energy system is put forward， which provides a reference for technical development in related fields.

Key words：eVTOL aircraft; power system; energy management