SSB蓄电池燃料电池-电池混合动力城市空中交通技术的经济性分析

2026-03-29 21:06:51

航空业正在寻求低碳推进技术以减少温室气体排放。在航空领域，重量最小化至关重要；因此，氢燃料电池比电池更具优势，因为氢能提供显著更高的重量能量密度。然而，燃料电池较慢的动态响应限制了其处理快速功率波动的能力，这使得配备电池的混合动力系统变得必不可少。本研究对六种城市空中交通（UAM）构型进行了技术经济分析，包括四座倾转旋翼机和同轴多旋翼型飞行器，每种构型配备三种动力系统：纯电池系统、通过质子交换膜燃料电池（PEMFC）为电池充电的PEMFC-电池混合系统（BRC），以及不带BRC的PEMFC-电池混合系统。由于目前尚未有商用PEMFC-电池混合动力UAM问世，该概念设计是通过对纯电动UAM进行逆向工程而开发的。研究表明，采用质子交换膜燃料电池-蓄电池混合动力系统并配备BRC的倾转旋翼城市空中交通（UAM）方案可实现最高净现值（NPV）。最佳质子交换膜燃料电池与蓄电池功率比确定为59:41，对应最大起飞重量（MTOW）为2248千克，测算得出可行性UAM票价为每公里1.92美元。这些结果证实了质子交换膜燃料电池-蓄电池混合动力UAM的经济可行性，并为混合动力UAM的优化设计和成本效益运营提供了量化依据。

图文摘要

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引言

尽管所有工业部门都在努力减少温室气体排放，但全球变暖仍在持续加剧——2023年录得了174年来最高的近地表平均温度[1]。全球约20-25%的温室气体排放来自交通运输领域，其主要源于汽油和柴油燃烧[2]。为此，业界正加速向环保动力系统转型，包括采用电池和氢燃料电池系统以降低排放。值得注意的是，CO₂航空运输的每乘客公里排放量仍显著高于其他交通方式，飞机和直升机的排放量分别为285克和276克，而轿车和公共汽车仅为42克和66克[3]。这一数据凸显了航空动力系统从内燃机（ICEs）向低排放动力系统转型的必要性。
城市空中交通（UAM）已成为短途按需航空运输的一种前景广阔的解决方案，但其可行性高度依赖重量。纯电池驱动UAM虽具备快速动态响应能力，却受限于较低的质量能量密度。质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统因其氢燃料显著更高的质量能量密度，成为更适宜的主能源方案。然而，PEMFC固有的较慢瞬态响应特性使其无法独立应对突发的功率需求。基于此，结合PEMFC高能量密度与电池快速响应优势的燃料电池-电池混合动力系统，被普遍视为未来UAM的理想解决方案。因此，针对优化混合动力系统架构及提升耐久性与可靠性的先进材料研究正在积极开展[4][5]。
尽管关注度日益提升，目前商用化的航空用质子交换膜燃料电池-电池混合动力系统仍十分有限。仅少数采用空冷式质子交换膜燃料电池的混合动力无人机模型得到验证，而适用于城市空中交通（UAM）规模功率需求的液冷式质子交换膜燃料电池技术尚处于研发阶段。此外，由于UAM属于新兴航空器类别，其适航认证程序尚未完全建立。因此，需要通过大量测试来满足美国联邦航空管理局（FAA）和欧盟航空安全局（EASA）等机构制定的严格安全标准。不过，在行业主导的倡议推动下，相关技术正取得快速进展。Joby Aviation于2024年6月试飞了搭载175千瓦质子交换膜燃料电池和40公斤液氢储罐的六旋翼PEMFC-电池混合动力UAM；ZEROAVIA则在2024年4月完成了配备600千瓦质子交换膜燃料电池系统的多尼尔228固定翼飞机改装型号的35分钟试飞[6][7][8]。除上述案例外，多家公司正积极推进质子交换膜燃料电池-电池混合城市空中交通（PEMFC-battery hybrid UAM）技术的研发与商业化进程[9]-[18]，这充分彰显了该领域日益增长的产业动能。
为实现燃料电池-电池混合动力城市空中交通载具（UAMs）的商业化，需同时优化系统设计与能量管理策略（EMS），以在最小化燃料消耗的同时最大化飞行距离。目前已有数项研究针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）-电池混合动力UAMs开展概念设计。Tiseira等人提出涵盖从无人驾驶到双座构型的PEMFC-电池混合动力直升机概念设计方案[19]。但该研究存在局限性：所有案例中的电池尺寸均被视为相同，且单座与双座构型尽管最大起飞重量（MTOW）不同，却采用了相同尺寸的PEMFC。此外，双座模型基于单座模型设计，导致氢燃料罐尺寸随有效载荷增加而减小。Mazzeo等人则针对双座混合动力直升机提出了三种不同构型的概念设计[20]。这三个混合动力系统由70千瓦、80千瓦和90千瓦质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统与相同的17.2千瓦时锂硫电池组成。本研究存在局限性，因为假设三种配置中PEMFC的功率密度相同，且未实施PEMFC与电池之间的具体混合比率优化。Park等人提出了一种针对双座起降巡航型城市空中交通（UAM）的PEMFC-电池混合系统容量确定方法[21]。本研究通过仅采用三款商用PEMFC产品的功率密度来估算PEMFC系统部件重量，从而确定UAM所需的PEMFC功率。此外，本研究所考虑的UAM类型近期已不再受青睐。
多项关于质子交换膜燃料电池(PEMFC)-电池混合型城市空中交通系统(UAM)的研究已陆续开展。Xiao等学者通过将电池驱动固定翼UAM的动力系统假设为液冷式PEMFC-电池混合系统，开发了基于强化学习(RL)的能量管理系统(EMS)。由于缺乏真实飞行数据，他们采用了从混合UAM模拟模型获取的数据集[22]。Gao团队则针对PEMFC-电池混合无人机提出了一种基于RL的健康感知EMS，旨在降低PEMFC与电池的退化成本[23]。Boukoberine等研究人员...提出了一种基于真实飞行数据的质子交换膜燃料电池-电池混合动力无人机等效消耗最小化能量管理策略[24]。Yao等人针对风冷式质子交换膜燃料电池-电池混合动力无人机，提出了一种分层模型预测控制能量管理策略[25]。在我们先前的研究中，开发了基于规则的能量管理策略方案，通过启动质子交换膜燃料电池辅助充电功能，使配备两套风冷质子交换膜燃料电池系统和电池系统的无人机保持电池荷电状态处于安全范围，并确定了最优能量管理策略配置[26]。Xiao等人同样为质子交换膜燃料电池-电池混合动力无人机提出了一种基于规则的能量管理策略，用于控制质子交换膜燃料电池对电池进行自动切换充电[27]。
技术经济分析对于评估质子交换膜燃料电池-电池混合动力城市空中交通（UAM）的商业可行性至关重要。然而目前仅开展了少量相关研究。Ahluwalia等人采用拥有总成本（TCO）分析法，对比研究了采用电池、质子交换膜燃料电池（PEMFC）以及PEMFC-电池混合动力系统的倾转旋翼与多旋翼UAM，最终得出结论：对于倾转旋翼UAM，PEMFC-电池混合动力系统最具成本效益；而对于多旋翼UAM，则纯PEMFC系统更为经济[28]。但该研究存在若干局限性，特别是假设PEMFC系统的质量功率密度恒定为1 kW/kg，这一假设难以反映实际情况。此外，成本估算仅基于燃料电池系统、电池系统、燃料储罐及机体结构的价格进行，同时将氢燃料与电力成本视为固定值，未考虑其价格随时间波动的可能性。Kim等人基于对纯电动多旋翼型城市空中交通载具EHANG-216的逆向工程（因目前尚无商用质子交换膜燃料电池-电池混合动力城市空中交通载具）[29]，研究团队开展了质子交换膜燃料电池-电池混合动力系统的全生命周期成本（LCC）分析与敏感性分析。通过改变混合系统中质子交换膜燃料电池的配比、飞行距离、有效载荷及燃料成本等参数进行LCC评估，最终得出质子交换膜燃料电池与电池间最优功率分配比约为32:68。但该研究存在局限性：未阐明混合系统随质子交换膜燃料电池配比变化而产生的重量与系统功率波动。此外，其分析仅针对多旋翼构型，成本估算仅涵盖质子交换膜燃料电池、电池、电机、燃料箱及机体结构，且假设氢气与电力价格保持恒定。
为实现质子交换膜燃料电池-电池混合动力城市空中交通（UAM）的商业化应用，确定质子交换膜燃料电池与电池的最佳功率配比至关重要，同时需对机票价格进行深入的经济可行性分析。与既往研究不同，本研究通过技术经济分析方法，对逆向工程设计的电池型UAM改进而来的质子交换膜燃料电池-电池混合动力UAM进行合理票价估算。通过逆向工程方法，为所研究的六种UAM确定了最优的质子交换膜燃料电池-电池功率配比。本研究聚焦倾斜旋翼与同轴多旋翼这两种最具代表性的UAM构型，分析三种动力系统方案：(1)纯电池动力，(2)通过质子交换膜燃料电池充电的电池混合动力系统（BRC），(3)不含BRC的混合动力系统。基于概念设计的逆向工程方法，根据爬升、巡航和下降阶段的功率需求，估算了质子交换膜燃料电池系统的规模。为提高本研究的实用性，研究参考了已商业化车用质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统的重量功率密度，并考量了低温环境下电池性能衰减问题。与既往研究不同，本次评估将工程设计成本、制造成本及研发成本与部件成本共同纳入考量，以实现更贴近现实的成本分析。基于相关成本参数开展平准化飞行成本（LCOF）测算，辅以敏感性分析以评估各成本构成要素的影响程度。同时开展了净现值分析以确定可行的机票价格。结果表明，采用质子交换膜燃料电池-电池混合动力系统及BRC的同轴多旋翼城市空中交通系统具有最低的每公里运营成本（1.32美元/公里）。当票价为1.92美元/公里时，所有构型均能实现正净现值，其中采用相同动力系统的倾转旋翼构型净现值最高，这预示着该设计具有显著的经济潜力。本研究为筛选最具盈利性的城市空中交通系统设计方案与动力系统配置提供了重要的方法论参考。