企业竞争图谱-2024年低空经济：能量系统 头豹词条报告系列

企业竞争图谱-2024年低空经济：能量系统头豹词条报告系列 马天奇·头豹分析师2024-06-07未经平台授权，禁止转载 版权有问题？点此投诉 关键词：固态锂电池 摘要eVTOL依赖电池提供动力，但现有电池技术存在不足，影响航程、续航等性能。电池供应商需平衡能量密度、功率密度、充电速度、循环寿命及安全性。eVTOL电池设立四项核心指标以评估性能。目前电池难以满足长距离飞行需求，混合动力是过渡方案。预计eVTOL电池市场规模将持续增长，受益于技术进步和政府支持。同时，电池更新市场也具广阔前景。 低空经济：能量系统行业定义[1] eVTOL依赖电池为动力系统和机载系统提供能量，电池性能是其发展的关键因素。现有电池技术在密度和安全性方面仍有不足，导致有效荷载低、航程短、续航时间短等问题。当前技术尚不能完全满足eVTOL对航程、生命周期、快充技术和能量密度的要求。电池供应商需在高能量密度、高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性之间取得平衡。尽管锂电池技术相对成熟且能量密度最高，但提升其能量密度仍需技术攻关。 低空经济：能量系统行业分类[2] 按照动力形式的分类方式，低空经济：能量系统行业可以分为如下类别： 低空经济：能量系统行业特征[3] 低空经济：能量系统行业特征包括：1.具有四大核心指标；2.现有eVTOL电池难以满足长距离要求；3.燃油+电动混合动力方式可过渡能量密度不足的问题。 1具有四大核心指标 eVTOL电池当前为评估飞行器的续航能力、充电时间、成本等其他性能和特性设立了四项指标：1.比功率(SP)。描述的是电池单位重量的功率，单位是W/kg。SP 取决于电池化学性质和包装。决定了飞机的容量和所需的电池重量。2.比能量(SE)。描述了单位重量的电池能提供的能量，单位是Wh/kg，比能量取决于电池的化学成分和封装，并决定了飞行器的航程和所需的电池重量。3.充放电速率（C-rate）。用于描述电池的充放电速度，1C表示电池可以在1小时内完全充电或放电。C值的上限取决于电解液和电极材料，影响飞行器的驾驶性能。在需要更大升力或推力的情况下，如垂直起飞或着陆，需要更高的C值以克服重力。此外，更快的加速也需要更大的电池输出功率，因此所需的C值更高。4.循环寿命。是指电池在无法满足飞行器最低动力需求前所经历的充放电周期数，放电电量占电池总容量的百分比越大，放电深度越深。循环 寿命取决于充放电速率、循环深度、温度和电池种类，并决定了电池的使用寿命。5.指标间相互联系。比功率（SP）、比能量（SE）、充放电速率和循环寿命相互关联。对于同种电池，SP和SE相互制约，化学成分决定其上下限。当SP增加到一定程度时，SE会迅速减小。因此，需要在SE和SP之间找到平衡点以满足需求。5C放电率是一个合适的参考标准（但会导致电池寿命较短），在较快的放电速率下实现最大的SP和SE值。 2现有eVTOL电池难以满足长距离要求 目前，电池单体能量密度最高为300Wh/kg，电池包为250Wh/kg，最大放电倍率不超过4C。优步预测未来eVTOL需具备至少160公里航程，要求电池比能量至少230Wh/kg，但实际有效比能量仅50%-60%，因此电池组需达到380-460Wh/kg（400Wh/kg的电池能量密度是城市空中交通电动化的一个关键阈值）。有研究指出，城市出租车和机场穿梭的eVTOL航程多在50公里以内，对应电池包比能量需求约为300Wh/kg，现有电池水平或只能实现50公里以下的短程飞行。 3燃油+电动混合动力方式可过渡当前电池能量密度不足的问题 鉴于目前动力电池能量密度限制了eVTOL的飞行性能，急需可以过渡（给予电池技术发展空间）的解决方案。现对比Volocopter VoloCity纯电与油电混合方案，纯电模式下该机型航行距离35~65千米, 有载情况200千克, 有载效率~0.22。串联式油电混合模式下，在假设条件下，该飞机装备了一个150千克重的100千瓦燃油发电机，以及42千克的7.5千瓦时应急电池和18千克的应急燃油。在携带80千克燃油的情况下，飞机可以以90千米/小时的巡航速度飞行7.74小时，覆盖700千米的距离，或者以110千米/小时的最大速度飞行至380千米远。在减去所有必要设备重量后，飞机仍有150千克的有效载荷空间。最终，飞机的有效载荷为350千克，在900千克的起飞重量下，有效载荷率达到0.39，性能上显著优于当前技术下的纯电模式。 低空经济：能量系统发展历程[4] eVTOL动力系统随eVTOL发展共经历三段历程，第一阶段（2011-2014年）：这一时期标志着eVTOL技术的早期探索，主要集中在电动能量系统的测试和验证。这个阶段的飞行器主要是原型机，重点在于验证电动飞行的可行性。由于技术尚处于起步阶段，飞行往往限于短距离和低空；第二阶段（2014-2016年）：全电动eVTOL开始进行更多的公开测试，包括无人驾驶和载人飞行。这个阶段表明全电动eVTOL技术的成熟和可靠性提升，使得进行载人测试成为可能。纯电能量系统因其清洁能源和较低的噪音污染而得到重视；第三阶段（2016年-至今）：该阶段混合动力和其他新型能量系统开始被整合到eVTOL设计中，以提高性能和续航能力，随着技术进步 和能源需求的多样化，混合动力eVTOL应运而生。这种趋势反映了对更长航程、更高载重能力和更广泛应用场景的追求。氢燃料和太阳能等新能源的探索，显示了行业对于可持续发展和环境影响的关注。 能量形式探索期2011~2014 2011年8月12日，Solution F电动直升机演示机在法国韦内勒首次自由飞行。2013年，Volocopter VC200在德国卡尔斯鲁厄莱茵施泰滕Fair Hall进行首次无人驾驶飞行。2014年8月11日，Opener BlackFly v1在加拿大安大略省科堡进行首次无人驾驶飞行。2014年8月13日，美国宇航局润滑闪电混合柴油电动倾斜翼垂直起降飞机在美国弗吉尼亚州汉普顿的美国宇航局兰利着陆载荷设施进行首次系留飞行。eVTOL以纯电与油电混合形成行业动力形式开端。 纯电动强盛期2014~2016 2016年2月11日，Opener BlackFly v2在美国加利福尼亚州帕洛阿尔托附近进行了首次无人驾驶飞行。 2016年2月17日，阿奎尼亚沃尔塔 (Aquinea Volta) 在法国卡斯泰尔诺达里 (Castelnaudary) 首次悬停飞行。 2016年9月13日，Tier 1 Robinson R44电动直升机在美国加利福尼亚州洛斯阿拉米托斯的洛斯阿拉米托斯陆军机场首次载人飞行。 多种能量系统发展期2016~ 2018年，罗罗推出基于M250发动机的混合动力eVTOL。2018年，瑞士推出aEro2混合动力eVTOL。 2019年，贝尔公司发布混合动力的eVTOL空中出租车概念Nexus。 2020年，Joby Aviation预生产原型机的正式亮相。 2022年，Aergility推出阿特利斯混合动力货运无人机原型机。 2024年，Alaka'i Technologies设计的Skai四座氢动力垂直起降飞机已通过提交G-1问题文件开始FAA型号认证流程。 2024年，美国国家航空航天局发布文章表示支持创建CoFlow Jet的太阳能eVTOL MAGGIE。随技术发展，太阳能、氢能等新型全电动能量系统被展开研究应用至垂直起降飞行器。 低空经济：能量系统产业链分析 低空经济：能量系统行业产业链上游为原材料环节，电池方面主要包括正极、负极、隔膜、电解液等生产厂商，发动机方面主要包括高温合金等原材料及零部件生产厂商；产业链中游为电池/航空发动机制造环节，主要为电池组制造企业以及发动机生产商；产业链下游为应用环节，主要包括eVTOL整机制造厂商。[7] 低空经济：能量系统行业产业链主要有以下核心研究观点：[7] 上游：中国动力电池实现自主化但产能过剩；TiAI和SiC/Ti将是新一代航空发动机的关键材料。中国已形成完整的动力电池产业链，2022年锂盐、正极材料和负极材料出货量分别占全球70%、70%和90%以上。2023年全球动力电池总使用量约705.5GWh，同比增长38.6%，中国六家企业市占率达63.5%。然而，锂电池产能过剩，电动汽车增速放缓，导致负极材料市场需求疲软，磷酸铁锂和三元电芯价格大幅下降。传统航空发动机公司通过混动技术应对电动化挑战，高温钛合金和TiAl金属间化合物提升发动机在高温下的性能和耐用性。Rolls-Royce和GE公司通过SiC/Ti复合材料显著减轻了发动机组件重量并提升了性能。 中游：氢燃料电池技术具有潜力，全固态锂电池技术加速推进。 氢燃料电池能量密度高、安全性好，但储存难且“绿氢”制取成本高。质子交换膜技术为主要方向，混合动力系统采用氢燃料电池和锂离子电池组合。中国提出2025年高比能量电池目标350Wh/kg，2030年400Wh/kg，2035年500Wh/kg。宁德时代和NASA分别研发出500Wh/kg能量密度的锂电池，加速全固态电池商业化进程。 下游：非对称温度调控技术平衡电池高充放电速率与寿命，市场选择充电为主要补能方案。 在1C充放电率下，电池寿命为1,500次，但在5C下仅为1,000次，增加eVTOL维护成本。非对称温度调控技术（ATM）在6C充电率下可使电池完成2,000次循环后仍维持92.3%容量。2023年，Beta公司提供350千瓦快速充电，50分钟内完全充电；2024年，Joby和亿航推出统一充电接口和超快充电池。当前，充电方案更具应用前景，换电作为补充。[7] 产业链上游 生产制造端 电池方面：正极、负极、隔膜、电解液等生产厂商；发动机方面：高温合金、叶片等原材料及零部件生产厂商。 上游厂商 西部超导材料科技股份有限公司 查看全部 产业链上游说明 电池：中国动力电池实现自主化，目前行业产能过剩。 在产业链方面，中国已经形成了动力电池完整的产业链，正极材料、负极材料、电解液、 隔膜等关键的主材，全部都能够在中国生产。 2022年，中国的锂盐出货量占全球70%, 正极材料出货量占全球的70%, 负极材料出货量占全球90%以上。数据显示，2023年全球动力电池总使用量约为705.5GWh，同比增长38.6%。TOP10榜单中，2023年6家中国企业市占率达63.5%，完全占据主导地位，相比2022年市占率59.6%同比上升。 在供需方面，如今锂电池产能大幅扩张，远高于预测的需求量。 2023年以来 ，电动汽车增速放缓，动力电池市场受“ 去库存 ”影响，导致整个负极材料市场需求增长放缓甚至疲软。体现至价格端，2023年，磷酸铁锂电芯(动力型)和三元电芯(动力型)的价格分别从年初的0.825元/Wh和0.92元/Wh降至年末的0.43元/Wh和0.515元/Wh，降幅分别为47.88%和44.02%。 发动机（混动）：TiAI和SiC/Ti复合材料将是新一代高推重比航空发动机用的两种关键结构材料。早在2018年，罗罗公司提出利用M250燃气涡轮发动机为电池充电，供电给电动机，驱动4至5人乘坐的Volante Vision飞行器，飞行速度可达400km/h。传统航空发动机龙头公司为应对电动“降维打击”切入混动市场。材料方面，高温钛合金和金属间化合物正在变革航空发动机零部件的制造，提升其在极端温度下的性能和耐用性。这些材料允许叶片和其他关键组件在300至600摄氏度的高温环境中维持结构完整性和力学性能。在国际上，高温钛合金已经成为先进航空发动机重量的重要组成部分，如F100和F119发动机分别含有25%和40%的钛合金。而中国第二代航空发动机中钛合金的使用比例约为13%至15%，通常使用温度不超过400摄氏度。TiAl金属间化合物的应用能够将压气机叶片的耐热性能提高到700至800摄氏度，并且减轻结构质量达50%。RollsRoyce和GE公司通