串联与并联之争：面向eVTOL的油-电混动系统最优构型理论分析与权衡研究

低空空域资源的规模化与商业化开发，正催生一个以无人机（UAV）、电动垂直起降飞行器（eVTOL）、先进通航飞机等为载体的万亿级新经济形态。中国政府已将低空经济明确为“新增长引擎”，其发展高度依赖于动力技术的突破。纯电动力虽在噪音、排放和维护上优势显著，但受限于当前电化学储能器件的能量密度（普遍低于300 Wh/kg），在航程与载重方面难以满足大规模商业运营需求；传统航空燃油动力则面临碳排放与噪音污染的严格约束。

一、低空经济飞行器混合电推进动力系统

在此背景下，混合电推进动力系统应运而生，它并非简单的技术叠加，而是通过一套复杂的机电能量管理系统，将一种或多种发电原动机（如活塞发动机、涡轮发动机、燃料电池）与一套或多套电储能/驱动装置（如锂电池、超级电容、电动机）进行最优耦合，实现在不同飞行阶段动力源的高效匹配与输出。该系统能够在保留电驱动固有优势的同时，借助高能量密度的碳氢燃料或氢气，大幅延伸飞行器的航程与任务弹性，被视为通往未来全电航空的关键桥梁。

然而，混合电推进系统的设计与应用是一项极端复杂的系统工程，其挑战贯穿于构型选择、关键部件研发、系统集成与控制等多个层面。例如，如何为特定任务剖面的飞行器选择最优的动力拓扑？如何开发出功重比满足航空严苛要求的高效发电机、电动机及燃料电池？如何管理多能源系统在动态飞行环境下的复杂能量流，以实现全局最优能效？本文将围绕这些核心问题，对低空飞行器混电动力系统的技术体系进行深入梳理与探讨。

二、混合电推进系统构型深度解析与应用适配

混合电推进系统的构型决定了能量流动的路径与分配方式，是影响系统效率、重量、可靠性和成本的基础。根据一次能源类型和能量转换链的差异，主要分为油-电混合与电-电混合两大类。

2.1 油-电混合动力系统

该系统以航空燃油为主要能源，通过热机与电系统的并联、串联或混联，共同提供推进动力。

串联构型：热机与推进器完全解耦的“电传动”模式

在串联构型中，发动机（活塞或涡轮）与推进螺旋桨/风扇无机械连接，其唯一功能是驱动发电机发电。产生的电能与储能电池输出的电能共同汇入直流母线，再经由电机驱动器控制电动机，最终转化为推进力。

技术优势：1) 工况优化：发动机可完全独立于飞行需求，持续稳定运行在最高效或最低排放的“甜点”工况，燃油经济性提升潜力巨大。研究表明，串联构型特别适用于航程长、巡航功率需求稳定的任务。2) 设计自由：电力传输特性天然适配分布式推进，允许在机翼或机体多个位置灵活布置小型电动推进器，从而通过“推进-机体”一体化设计降低诱导阻力、提升升阻比，并实现冗余控制。3) 简化传动：省去了复杂笨重的机械减速器与传动轴系，尤其适合多发动机布局。

技术挑战与现状：主要劣势在于能量转换链长（化学能→机械能→电能→机械能），每次转换均有效率损失，导致系统整体传动效率通常低于并联构型。同时，系统需包含发电机和电动机两个大型旋转部件，可能增加系统重量和成本。因此，串联构型在航空领域又常被称为“涡电”或“电传动”系统，其性能高度依赖于高效、轻量化的涡轮发电机技术。目前，该构型在大型货运无人机（如Elroy Air Chaparral C1）和部分旨在验证分布式推进的验证机上得到较多应用。国内如中国航发湖南动力机械研究所已完成80kW级涡轮航空混电推进系统的演示验证。

并联构型：机械动力耦合的“直接助力”模式

并联构型中，发动机和电动机通过离合器、齿轮等机械装置耦合，可以单独或共同驱动同一根推进轴。其结构与汽车混合动力系统有相似之处。

工作模式：该构型可灵活切换多种模式以适应复杂飞行工况：1) 纯电模式：用于地面滑行、低噪声起飞或降落阶段；2) 纯发动机模式：在高效巡航阶段单独工作；3) 混合驱动模式：在起飞、爬升或加速等高功率需求阶段，电机作为“助推器”与发动机共同输出最大推力；4) 发电模式：当发动机功率有富余时，可带动电机反转作为发电机为电池充电。

技术优势与挑战：优势在于动力传递路径直接，机械效率高，尤其适合对峰值推力要求极高的场景（如eVTOL的垂直起降）。挑战在于机械耦合机构复杂，增加了重量和控制难度，且发动机工作点受飞行需求直接牵动，优化空间小于串联构型。在尾坐式垂直起降飞行器等需要复杂推力矢量管理的平台上，并联构型的飞推综合控制是研究重点。

混联构型（功率分流型）：综合优化的高阶形态

混联构型是串联与并联的有机结合，通常通过一套行星齿轮系作为功率分流装置，实现发动机输出功率在机械驱动路径和发电路径之间的无级调节。这使得系统既能像串联构型那样优化发动机工况，又能像并联构型那样让发动机直接输出机械功，理论上可实现全飞行包线内的全局效率最优。然而，其系统复杂度和控制难度最高，是目前航空混动领域的前沿研究方向，多见于概念设计与预研阶段。

2.2 电-电混合动力系统（氢-锂混合动力）

该系统本质上是纯电驱动，其“混合”体现在使用了燃料电池和锂电池两种不同的电化学发电/储能装置。

构型原理与优势：氢燃料电池以氢气为燃料，通过电化学反应持续、安静地发电，其能量密度远高于当前最好的锂电池，是理想的巡航动力源。然而，燃料电池动态响应较慢，难以满足瞬时大功率需求。高功率锂电池则恰恰相反，是优异的峰值功率源。将二者通过直流母线并联，并由智能能量管理器协调，构成“氢-锂”混合动力系统，可实现“削峰填谷”。中国科学院大连化学物理研究所研发的系统即是典范：无人机起飞时，锂电池作为“短跑健将”提供瞬时高功率（峰值可达20千瓦）；巡航时，氢燃料电池作为“马拉松选手”提供约5千瓦的稳定功率，并同时为锂电池补充电量。该方案使无人机续航时间突破2小时，较纯锂电池方案提升超100%，能耗降低18%。

核心挑战与创新：该系统的性能瓶颈在于燃料电池的功率密度、低温启动特性以及机载储氢技术。研究团队通过采用8微米超薄质子交换膜、自增湿膜电极技术、梯度孔径阴极扩散层优化水管理，以及高比表面积散热翅片，显著提升了燃料电池堆的比功率和环境适应性。同时，针对锂电池的低温短板，国内某科研团队开发了特种电解液添加剂和纳米硅碳复合负极，使电池在-40°C下容量保持率仍达92%。这套“材料-部件-系统”的全链条创新，为电-电混动系统的实用化奠定了坚实基础。

2.3 构型与飞行平台的适配性分析

不同构型因其特性，天然适配不同任务需求的飞行器：

eVTOL与尾坐式VTOL飞行器：垂直起降阶段需要极大功率，巡航阶段追求效率。并联构型因其强大的峰值推力输出能力备受青睐，但串联和混联构型在分布式升力风扇布局上也有其优势，需结合具体气动布局综合权衡。

中长航时固定翼无人机：任务核心是持久巡航，对巡航效率极为敏感。串联构型（涡电）能最大化发动机的巡航效率，是货运、侦查无人机的优选。采用活塞发动机的串联构型（如纵横股份CW系列）则在百千瓦以下功率级具有优异的成本与效率综合优势。

轻型/支线通航飞机：面向未来的9-19座级混电支线飞机，部分涡轮电推进（部分涡电） 构型成为研究热点。它本质上是并联与串联的融合，涡轮发动机既直接提供部分推力，又发电驱动分布式电动风扇，有望实现30%以上的燃油节省。

三、关键使能技术研究进展与挑战

3.1 高能量密度与高功率密度储能技术

动力电池是混动系统中承担峰值功率和能量缓冲的核心。航空应用对其要求极为苛刻：

能量密度：直接决定纯电模式的续航和系统重量。当前顶尖航空锂电池能量密度可达400 Wh/kg，但距航空煤油的12000 Wh/kg仍有数量级差距。固态电池被视为下一代技术方向。

功率密度与倍率性能：决定其能否满足eVTOL起飞时数倍于巡航功率的瞬时需求。这要求电池具有极低的内阻和出色的散热设计。

宽温域与安全性：飞行器工作环境温度范围广。通过电解液配方创新（如引入新型添加剂使工作温度下限拓展至-50°C以下）和负极材料改性（如硅碳复合材料），可大幅改善低温性能。同时，“单电池包失效”等安全设计准则必须从系统层面予以贯彻。

3.2 高效大功率航空电机与先进热管理技术

电动机是将电能转化为机械推进力的最终执行机构，其功重比（kW/kg）和效率是核心指标。

电机技术路径：根据功率等级，技术路线分化明显。1) 100kW以下：高转速永磁同步电机是主流，通过高速化设计提升功率密度。2) 100kW-1MW级：多相永磁电机通过增加相数提高容错能力和功率等级。3) 兆瓦级以上：面向大型混合动力飞机，高温超导电机因其几乎为零的绕组电阻，有望实现功率密度（>15 kW/kg）的跨越式提升，成为革命性技术，但面临低温制冷系统的集成挑战。

冷却技术：高功率密度必然带来高热流密度。风冷已无法满足需求，强制液冷（油冷或水冷） 和相变冷却成为必然选择。冷却系统设计需与电机电磁、结构设计深度协同，实现高效散热与轻量化的平衡。

3.3 氢燃料电池系统集成与水热管理技术

对于电-电混动系统，燃料电池的功率密度、寿命和环境适应性是关键。

电堆高性能化：通过超薄质子交换膜、低铂/非铂催化剂、优化气体扩散层结构与流场，降低传质损失与内阻，提升电流密度和比功率。

机载储氢技术：目前主流是35-70MPa的IV型高压复合储氢气瓶，其质量储氢密度约5-7%。低温液氢储氢技术质量储氢密度可达10%以上，是未来远程飞行的潜在方案，但面临蒸发损失、绝热保温等工程难题。

水热管理：燃料电池反应生成水和热量。精密的水热管理系统需确保膜电极始终处于最佳湿度区间，防止“水淹”或“膜干”。同时，高效的热管理系统需及时排出废热，并可能利用废热为客舱加温或除冰。动态模型预测与控制算法对于应对飞行姿态变化带来的影响至关重要。

3.4 航空混动专用发动机技术

混合动力系统中的热机（尤其是串联构型），其设计理念与传统航空发动机有本质不同。

设计点重构：传统发动机为高空高速巡航优化，而混动专用发动机（如涡轮发电机）的设计点更侧重于在特定高度和功率下的最高发电效率和最低油耗点，并可能需要频繁启停或快速变工况运行。

燃料适应性：为达成全生命周期低碳目标，发动机需兼容可持续航空燃料和氢气。燃氢发动机（尤其是涡轮发动机）的燃烧室设计、氮氧化物排放控制和燃料喷射系统是需要攻克的核心技术。

3.5 智能能量管理策略

能量管理策略是混动系统的“大脑”，决定了多能源如何在复杂多变的飞行任务中协同工作。

3.5.1 规则型策略

规则型策略以工程经验为基础，依托预设逻辑条件构建控制框架，根据系统实时状态参数动态切换功率分配模式，典型实现方式包括状态机控制、阈值控制与模糊逻辑控制。

状态机控制将飞行过程拆解为离散状态并匹配专属规则，响应快、结构清晰且故障易定位，但对状态划分合理性依赖强，复杂工况下适配性差。阈值控制通过设定关键参数临界值（如电池SOC，温度）触发能量分配，方法简洁、工程实现易，但依赖经验参数，缺乏动态自适应能力。模糊逻辑控制借助模糊集合理论量化不确定性因素，复杂环境下适应性更优，但规则库与隶属度函数设计要求高，计算量较大，增加硬件成本。规则型策略因控制简单、实时性好已初步工程应用，但对复杂动态工况的适应性有限，需优化逻辑提升鲁棒性。

3.5.2 优化型策略

优化型策略以数学建模为核心，通过构建含约束条件与目标函数（如燃油消耗最小、能源效率最大）的优化模型求解最优能量分配方案，按计算范围分为全局优化与实时优化。

全局优化代表方法为动态规划（DP）与庞特里亚金极小值原理（PMP）：DP通过多阶段决策求全局最优，常作为性能对比基准，但计算量随状态维度指数增长；PMP将优化问题转化为最优控制问题，计算效率更高，但仅满足最优解必要条件，无法确保全局最优。实时优化代表方法为等效燃油消耗最小策略（ECMS）与模型预测控制（MPC）：ECMS将电能消耗折算为等效燃油，计算量小、易在线实现，但依赖等效因子选取，全工况优化效果有限；MPC基于滚动优化思想动态控制，鲁棒性与抗干扰能力好，但依赖系统模型精度，对硬件算力要求高。优化型策略能提升系统能效，当前在理论层面的研究较为深入，但受计算复杂度与先验信息依赖限制，工程化应用需突破技术瓶颈。

3.5.3 学习型策略

随着人工智能发展，学习型策略逐步应用于混合动力航空系统能量管理，尤其在城市空中交通（UAM）与电动垂直起降（eVTOL）飞行器中，适配多源异构能量协同管理及复杂工况需求。其核心是通过算法与环境交互学习实现自适应控制，典型方法包括强化学习（RL）、深度强化学习（DRL）及自适应动态规划，推动能量管理从“规则驱动”向“端到端学习”转型。学习型策略在低空飞行器能量管理中的工程化优势体现在三方面：

（1）在线优化与动态适配：依托“离线-在线”双层框架，离线通过海量数据预训练DRL智能体建立基线策略，在线基于实时传感器数据更新模型适配环境变化，缩短决策耗时。研究表明，DRL策略可降低混合动力设备氢气消耗11.8%，减缓储能组件退化。

（2）泛化与多目标协同：适配eVTOL多样任务剖面，平衡“节油-减排-电池健康-飞行安全”目标。如Joby S2 eVTOL通过DRL实现分布式螺旋桨推力分配与故障重构协同；动态可重构电池技术（DRBN）经AI优化后，可用容量提升15%以上，寿命延长1倍，能量效率超95%。

（3）故障容错与安全冗余：与预测健康管理（PHM）系统集成，实现“主动容错”。AI可识别组件细微退化并预警，故障时（如电机失效）实时重构功率分配，保障关键系统运行，如Joby Aviation容错电源系统通过AI实现性能平稳下降。

3.5.4 当前学习型策略落地面临三类瓶颈：

（1）数据与标准化问题：需大量高质量训练数据，成本高且缺乏共享协议，跨场景模型稳健性差；预训练模型存在供应链风险，安全责任界定难。

（2）安全验证与认证矛盾：航空“可追溯、确定性安全”要求与AI“黑箱特性”冲突，现有标准（如AS9100DO-333）难以验证其全工况安全性，动态认证体系缺失。

（3）硬件与集成适配不足：复杂算法对嵌入式硬件算力要求高；推进系统模块化硬件与AI控制协同设计不足，部分机型仅靠“附加软件层”集成，未发挥可重构优势。

四、结论与展望

混合电推进动力系统作为低空经济腾飞的核心技术引擎，正处于从技术验证迈向商业应用的关键阶段。其发展呈现出清晰的多维度融合趋势：

构型融合化：未来系统将不再局限于单一的串联或并联，而是朝着更复杂的多架构融合方向发展，例如结合涡轮直接推力、分布式电推进与储能电池的“部分涡轮电推进”构型，以同时兼顾起飞、巡航、冗余安全等多重需求。

能源绿色化：技术路径将从当前的“航空煤油-电”混合，逐步过渡到“可持续航空燃料（SAF）-电”混合，并最终迈向“氢-电”（氢燃料电池混合）或“氢燃料-电”（氢燃料涡轮混合）的零碳排放终极形态。

部件高性能化：对功率密度和效率的追求永无止境。兆瓦级超导电机、固态电池、高比功率燃料电池堆以及轻量化液氢储罐等下一代部件技术的成熟，将彻底打开大型混电飞行器的设计空间。

控制智能化：基于数字孪生的系统健康管理、结合人工智能与全局任务信息的自适应能量-轨迹一体化优化策略，将使混动系统从“按预设规则运行”进化到“自主认知与决策”的智能生命体。

面对这一系统性创新工程，我国需坚持全链条布局：在基础材料与核心器件（如碳化硅功率器件、高性能磁钢、膜电极）上突破瓶颈；在系统集成与适航验证上构建标准；在市场应用与基础设施（如加氢、充电网络）上协同推进。唯有如此，才能在全球低空绿色动力技术的竞争中占据战略制高点，真正将低空经济的宏伟蓝图变为现实。

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