飞行汽车,下一个交通工具电气化的爆点?

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飞行汽车,下一个交通工具电气化的爆点?

追风少年

撰文 / 涂彦平
编辑 / 张 南
设计 / 师 超
1917年，美国航空先驱格伦·柯蒂斯（Glenn Curtiss）建造了一种新型交通工具——Autoplane，它的主体部分是一辆四轮汽车，尾部安装了三层机翼，头部的螺旋桨推进器则由汽车发动机驱动。

尽管受制于当时的技术水平，这辆飞行汽车并没有真正飞上天空，只是实现了短距离的飞行式跳跃，但柯蒂斯仍被后人尊称为飞行汽车之父。
在柯蒂斯之后，人类飞行汽车的梦想并没有中断，直到约一百年后的今天，飞行汽车所在的eVTOL（electric Vertical Take-off and Landing，电动垂直起降飞行器）赛道才终于迎来爆发。
当前，这条赛道上挤满了各路人马，既有航空业和汽车业的巨头，也有新创的科技公司，我们可以拉出一份长长的名单：波音、空客、罗罗，通用、保时捷、丰田、戴姆勒、奥迪、现代、本田、Stellantis、吉利、小鹏、广汽，英特尔、优步，亿航智能、峰飞航空……其中，中国的亿航智能，美国的Joby、Archer，英国的Vertical，德国的Lilium等eVTOL企业已经上市。
数据显示，截至2021年，全球范围内已有超过200家企业或机构在研发eVTOL产品，共有约420种型号。
在城市地面交通日益拥堵的当下，城市空中交通（Urban Air Mobility ，UAM）被视为一种新的出行方式，越来越受到人们的关注。美国、中国、欧洲等都在进行相关政策的研究和制定。
各路玩家蜂拥入场，各国政策推波助澜，eVTOL会是引发新一轮电动出行革命的划时代产品吗？作为核心部件的电池又有什么特殊要求？

“元年”已至，eVTOL市场或将进入爆发期eVTOL也被称为飞行汽车、空中出租车。跟传统直升机相比，这种电动或者混合电动垂直起降产品可以更快、更安静、更经济高效地运送人员和货物。有数据显示，从eVTOL行业吸引资金的增长趋势来看，世界范围内对eVTOL的投资数额从2018年进入了快车道，且在2021年融资金额达到近40亿美元。
进入2023年，eVTOL赛道更显热闹，越来越多eVTOL公司从航空管理部门那里拿到了适航证书。

1月，小鹏汇天的飞行汽车旅航者X2获得由中国民用航空中南地区管理局颁发的特许飞行证。去年10月，这款飞行汽车在迪拜进行了全球首次公开飞行。在此之前，小鹏汽车董事长、小鹏汇天董事长何小鹏曾透露，要在2024年实现飞行汽车的量产并将价格控制在100万元以内。
6月28日，为商业客运服务开发全电动空中飞行出租车的美国企业Joby宣布，它收到了美国联邦航空管理局(FAA)颁发的特殊适航证，其第一架原型机可以进行飞行测试。紧随其后，加州科创公司Alef在7月获得特殊适航证，其飞行汽车Model A将要测试飞行，而马斯克投资了这家公司。
我们还看到更多相关产业发展规划在出台。
今年7月13日，深圳宝安区发布低空经济产业规划及相关产业发展措施，全力建设低空经济标杆城区。宝安正推动欢乐港湾“湾区之翼”项目建设，待航线通过审批后，将开辟全国首条eVTOL旅游观光的商业化航线和全球第一条城际空中交通运营航线。
因此，2023年也被视为eVTOL商业运营的“元年”。
按照航程能力，eVTOL的目标市场有三个方向：个人市场、区域交通市场和短程共享交通市场。目前，全球有超过50个城市正在考虑城市空中客运的可行性。
法国巴黎计划在明年举行的夏季奥运会期间试运营eVTOL。巴黎机场集团（ADP）公布的费用为110欧元左右，横渡巴黎的费用是乘坐汽车出租车的2倍。新加坡也计划2024年推出空中出租车服务。此外，洛杉矶、达拉斯、墨尔本、迪拜、大阪和里约热内卢等有望在2025年发布UAM服务。

德勤曾给出了一份eVTOL的时间表：2020年-2025年，货运eVTOL将实现商业化；2025年-2030年，客运eVTOL商用化的第一阶段；2030年之后，成熟的自动驾驶将eVTOL应用到更广泛的领域。目前乐观的预测是到2040年将实现整机生产数量800万，年飞行服务次数450亿次。
从业者和投资者相信，eVTOL的未来市场巨大的。
摩根士丹利的研究报告从城内、城郊、最后一公里、短距离航线和国防5个应用场景预测全球UAM市场规模将在2030年达到550亿美元，到2040年和2050年，全球UAM市场规模将达到1万亿美元和9万亿美元。

eVTOL需要怎样的电池今年3月1日特斯拉投资者日上，马斯克表示：“随着我们提高电池的能量密度，除火箭外，所有交通工具都将完全实现电动化。”
显然，更好的电池技术是eVTOL成功商业运营的关键一环。
第三方数据机构Global Sky Media的报告指出，比功率、比能量、充放电速率和循环寿命是评估eVTOL电池性能的四个主要指标，对航程、运载能力、充电时间、维护成本等关联密切，“eVTOL对动力电池的性能要求比电动汽车更高，需要电池具备高比能量和比功率，能在较大的放电速率下持续工作，可以快速充电，并保证良好的寿命。目前的动力电池技术水平还不能同时完全满足这些要求，提高电池单位重量的性能是技术发展的关键。”
技术上，电池为eVTOL的动力及机载系统提供能量。目前，磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。但对比汽油12000Wh/kg的能量密度，二者之间有约40倍的差距，100kg（约60升汽油）的同样能量需要约4000kg的锂电池，这对需要克服重力作业的eVTOL这类运载工具而言，每一克重量都要“锱铢必较”。
简单来说，电池的比能量水平主要用来改善eVTOL的航程，而比功率与eVTOL飞行性能有关。除此之外，eVTOL的飞行需要经历起飞、巡航、悬停等阶段，各阶段对电池的放电倍率的要求也各不相同。
基于eVTOL悬停的5C放电倍率，满比能量和比功率目标分别是2022年的250Wh/kg和1kW/kg、2030年的500Wh/kg和1.25kW/kg，2040年则要达到1000Wh/kg和2.5kW/kg。
为了保证飞行安全，eVTOL的电池热失控的风险必须要防范。
今年6月21日，EASA（欧洲航空安全局）发布了《VTOL锂电池第三版符合性方法》。这份材料给出了VTOL电池热失控的测试要求，明确表示要“以可行的方式确保产品在预期操作条件下具有足够的安全水平，这可能包括对检测到热失控后的着陆时间的考虑”。
由此可见，只有在高能量密度、高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性等多个方面取得平衡，才能真正闭环eVTOL的商业模式。

软包电池的又一片蓝海在软包、方形和圆柱三种不同封装方式的锂离子电池中，同时满足高比能、高倍率、高安全的软包电池在eVTOL领域备受青睐，比如被视为行业标杆的Joby就采用了软包电池。

从Joby近期公布的数据看，其正在适航审定的S4五座eVTOL所用的软包电芯能量密度为288Wh/kg，封装后的电池组能量密度为235Wh/kg，并在实验室中经过了1万次设定飞行轨迹的循环。Joby表示，在目标应用场景下，S4的电池95%情况下可以在上下乘客的时间内完成下一航段的充电，实现保持不间断的高频次飞行，这对于商业运营的经济性至关重要。

除此之外，eVTOL选择软包电池还出于更多实际应用的考量。
eVTOL起降期间要求电池提供高于3C的持续放电倍率，瞬间的放电倍率甚至可达10C，而软包电池的叠片工艺相当于多极片并联，内阻显著下降，不仅能降低电池自耗电，且拥有更好的循环寿命和倍率特性。加之eVTOL的电池布置需要灵活多变，比如安装于机翼内，这些是软包电池无可比拟的本征优势。
越来越多的电池企业也在面向航空市场推出软包电池产品。
波音公司投资、Northvolt收购的加州初创公司Cuberg就开发了一种20Ah的锂金属软包电池，并基于该软包电池设计和制造了航空模块，能量密度为280Wh/kg。宁德时代今年发布的凝聚态电池也包含用于拓展航空业务的软包电池。
但商业化进度最快的，应该是国内最大的软包电池生产商孚能科技。

在今年6月的《对话》节目中，孚能科技董事长王瑀曾谈到：“空中电气化问题是很重要的，因为飞机采用航空煤油，会产生大量的污染。孚能科技在五六年前已经开始涉足空中电气化这个领域了。”他透露，孚能科技的航空电池已经与国际知名eVTOL制造商达成合作，很快就会进入商用阶段，其中一款产品可以支持大约400多公里的续航里程。
孚能科技用于eVTOL的软包电池产品具体参数不详，但可以对照的是，其目前批量供应的软包电芯能量密度已达285Wh/kg。在大软包电芯设计创新的基础上，孚能科技配合固态化技术和高能量密度材料体系开发了SPS超级软包解决方案。SPS是无模组的大软包迭代平台，集成度达到75%，零部件减少50%，兼容三元、铁锂、钠电池、石墨、硅碳、锂金属等材料体系，能量密度从270到400Wh/kg，能够满足纯电动汽车300-1000公里续航，10分钟充电续航400公里。
目前，孚能科技的电池产品已经满足在海、陆、空不同场景下的需求。
下一个交通工具电气化的爆点，就在空中。eVTOL企业看到机会，电池企业也看到了下一片蓝海。
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