纯电动飞行汽车具备技术经济优势|能源学人

清华大学郝翰副教授团队针对飞行汽车多场景、多动力、多情景应用，开展基于全生命周期拥有成本的技术经济评估，识别飞行汽车多元应用场景下的优势动力技术演化趋势。相关成果在美国国家科学院新刊PNAS Nexus上发表，清华大学车辆学院博士生刘铭为第一作者，美国橡树岭国家实验室、阿美公司作为合作研究单位。

         

【核心结论】

①对于主流的短途城市内交通需求，纯电动是飞行汽车成本最低的技术路线。长期来看，应将纯电动作为飞行汽车优先考虑的技术路线；

②随着电池等关键技术进步，纯电动的成本优势将进一步扩大。尤其是当600 Wh/kg电池应用时，纯电动将在所有应用场景下建立成本优势。这进一步强调了发展适合飞行汽车的高能量密度电池技术的必要性。

③机场巴士（Airport shuttle）是飞行汽车盈利能力最强的应用场景，应考虑优先发展。

         

【背景介绍】

飞行汽车被认为是重塑未来交通系统的革命性技术之一。一方面，飞行汽车可以提供高速、点对点交通服务，大幅提升交通效率。另一方面，飞行汽车的运营也有助于减少地面交通拥堵，提高交通系统的效率。

尽管飞行汽车的商业价值已得到广泛认可，但是飞行汽车技术路线（尤其是动力系统）选择仍存在较大争议。纯电动是目前最受关注的飞行汽车动力系统选择。包括空客、波音、亿航在内的多家企业推出了纯电动飞行汽车样车。燃料电池动力系统也获得了广泛的关注。而内燃机仍然是一个潜在选项，尤其是使用可持续燃油时，其也可以实现与前两者相同的减排效用。当考虑到飞行汽车潜在的应用场景（如空中出租车，机场巴士，私人飞行汽车等）时，动力系统的选择可能变得更加复杂。

为了弥补上述研究空白，论文采用了总拥有成本（Total Cost of Ownership）的方法，全面探究了不同场景下，不同动力系统飞行汽车的经济性。论文分析了飞行汽车成本最低的技术路线；识别了飞行汽车商业化主要障碍；分析了飞行汽车最优应用场景，为飞行汽车产业发展、技术研发、政策制定提供了重要支撑。

         

【内容详情】

（1）技术竞争

图1（横坐标：续航，纵坐标：载客量）展示了不同应用场景下成本最低的动力系统选择（颜色），并标出了最低成本技术路线的成本优势（深色：优势大，浅色：优势小）。子图A-D按照时间顺序（2020-2050）排列，关键技术参数（如电池能量密度）假设为随时间变化不断改进。

         

当前（2020）情景下，纯电动（化石燃料发电）是100 km以内成本最低的动力系统，而内燃机（传统燃油）则是剩余应用下成本最低的选择，在200 km以上应用中具有巨大的成本优势。

随着技术进步与可再生能源成本下降，短期内（2025），飞行汽车技术竞争格局将发生巨大变化。纯电动（清洁能源发电）将成为250 km以内成本最低的动力系统。而在长续航应用中，内燃机仍将保留一定成本优势。

在长期（2030，2050）场景下，得益于电池技术的持续进步，纯电动（清洁能源发电）将不断扩大成本优势，在绝大多数应用场景下均具备成本竞争力。而燃料电池技术的发展也将使燃料电池（绿氢）动力系统在长续航高载荷应用中具备一定发展潜力。

         

（2）成本拆分

图2展示了不同场景下，不同动力系统飞行汽车的成本。子图A-D按照时间顺序（2020-2050）排列。

机身制造成本是早期区分不同技术路线经济性的主要因素。例如：在当前（2020）情景下，纯电动与燃料电池空中出租车（100 km，4人）的机身制造成本为0.23与0.64 美元/人·公里，而内燃机仅为0.08 美元/人·公里。这是由于当前电池能量密度与燃料电池功率密度仍处于低水平。随着技术进步（2025及之后），不同技术路线的机身制造成本将逐步达到相近水平。

与路面汽车不同的是，飞行汽车的动力系统成本对于总成本的影响远小于机身制造成本。尤其对于燃料电池和内燃机，其动力系统成本仅占总成本1%。对于纯电动，短续航下动力系统成本占比较小，但是长续航下的高动力系统成本（10倍于燃料电池与内燃机）将是其成本竞争力不足的主要原因。

能源成本反映了不同技术路线的能效与能源价格，是区分不同技术路线经济性的关键因素之一。对于短途低载荷应用，短期内不同技术路线之间的能源成本差距较大（纯电动：0.01；燃料电池：0.08；内燃机：0.09美元/人·公里）。而随着长期技术进步，不同技术路线之间的能源成本差距将逐步缩小。对于高载荷应用，高能耗使得不同技术路线之间的能源成本一直保持较大差距。

         

（3）应用优先级

为了进一步区分不同应用场景的重要性，论文进一步计算了不同应用的盈利能力，如图3所示。图3展示了不同应用场景下，飞行汽车实现目标投资回报率所要求的定价，定价越低则该应用盈利能力越强。

以10%的投资回报率为目标值，私人飞行汽车（租赁）、空中出租车、机场巴士的定价需达到1.53、1.89以及0.56美元/人·公里。机场巴士的定价已低于网约车价格（0.60美元/人·公里），表明了其巨大的商业化潜力。而私人飞行汽车（租赁）与空中出租车的定价也将低于私人飞机、直升机等交通工具。随着技术进步，上述应用的定价可进一步下降。在2050年技术水平下，机场巴士的定价将下降到0.31美元/人·公里。

对于长途应用，高成本使得飞行汽车的定价偏高。短期内，为实现10%的投资回报率，长途空中出租车（400 km）与空中轻客的定价需达到2.20与1.08美元/人·公里。长期内，空中轻客的定价也需达到0.50美元/人·公里。与之相比，高铁商务座的价格仅为0.27美元/人·公里。这表明：长途应用可能无法成为飞行汽车主流应用场景。

当定价设定为网约车的2.5倍时，飞行汽车可以实现相当高的投资回报率。私人飞行汽车、空中出租车以及机场巴士的投资回报率将达到13%、10%以及67%。而随着满载率的提升，投资回报率将进一步提升。尤其对于机场巴士，投资回报率将达到104%。

         

（4）讨论

考虑到短途城市内应用将是飞行汽车主流应用场景，短途应用下成本更低的纯电动动力系统对于飞行汽车产业的重要性将进一步提升。燃料电池和内燃机动力系统的生存空间将被进一步压缩，尤其是考虑到长途应用下飞行汽车将面临高铁的激烈竞争。因此，纯电动将成为飞行汽车最优先的动力系统选择。

电池技术是纯电动动力系统核心竞争力的来源。当前，电池技术的发展主要由路面交通的电动化推动。对于路面交通使用的电池技术，其发展的核心目标是低成本，高能量密度的重要性相对更低（如磷酸铁锂电池的应用）。但是对于飞行汽车而言，安全性是电池技术的第一要求，电池能量密度也将是关键因素，因为其很大程度上影响了成本。而电池成本在飞行汽车电池技术发展过程中的重要性将降低，尤其是考虑到动力系统成本对总成本有限的影响。这进一步强调了发展适合飞行汽车的电池技术的重要性。

短途高载荷应用（尤其是机场巴士）将是飞行汽车商业化的重要选择。2021年，全球航空运输旅客量超过22亿人次。其中大部分旅客通过乘坐地铁、公交、出租车等方式前往机场。与这些交通方式相比，机场巴士可以大幅提升出行的效率（减少一半以上用时），这将对旅客产生巨大吸引力。而这仅仅是众多短途城市内应用场景中的一个。对于此类应用，建议充分利用其较大的利润空间，采用激进的定价策略快速扩大市场规模。

         

Ming Liu, Han Hao, Zhenhong Lin, Xin He, Yuping Qian, Xin Sun, Jingxuan Geng, Zongwei Liu, Fuquan Zhao, Flying cars economically favor battery electric over fuel cell and internal combustion engine, PNAS Nexus, 2023.

https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgad019

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