半个多世纪以来飞机电动力技术逐渐发展成熟，各类电动飞机（航空器）相继出现。太阳能电动飞机首先取得成功，最近十年锂电池和燃料电池电动（通用）飞机发展迅速
70 年代中期太阳能电动无人机最先取得成功，70 年代末至今又有多款有人驾驶和无人驾驶太阳能飞机研制成功。目前有人驾驶太阳能飞机已经突破昼夜连续飞行技术、实用性也明显提高，无人驾驶太阳能飞机用途不断扩展，不断创造续航时间和飞行高度纪录，飞行高度达到同温层以上，续航时间达到十几天并向数月和数年的目标冲击。90 年代末至今的十多年时间，由于高比能量/能量密度锂电池和燃料电池技术及相关技术的进步，小型（有人驾驶）锂电池和燃料电池电动（通用）飞机发展迅速。锂电池电动通用飞机技术逐渐趋于成熟，在不远的将来有可能实现批量生产和大量应用。燃料电池电动通用飞机还处于技术研究和试验阶段，下一步将发展具有一定实用性的燃料电池电动飞机。此外，由于目前的纯电动力系统难以提供较大的输出功率和电能，为此发展了电动力-内燃机混合动力系统，混合动力飞机的研制也在推进过程中。
总之，电动飞机发展正在取得突破性成果，尽管还面临很多难题和挑战，但是其前景是光明的，可以预见本世纪可能迎来电动力航空时代！

电动力推进系统
电动力推进系统是电动飞机的基础，目前只适用于小型螺旋桨通用飞机/直升机和无人机，其组成包括：电能存储/生成系统（太阳能电池、高比能量蓄电池、燃料电池和燃料及燃料存储系统等）、电机、控制电子系统、螺旋桨等，其中一些部件借鉴和移植了电动汽车的技术成果。

典型电动力推进系统的组成
电池和电机是电动力推进系统的两个技术关键。与电动汽车类似，蓄电池（锂电池）、燃料电池（及氢燃料存储系统）和电机是制约其发展的技术瓶颈。由于蓄电池（锂电池）、燃料电池性能都较低，目前的电动力推进系统只能使飞机在减小有效装载的情况下进行短时间的试验验证飞行，离实用还有较大的距离。电动力推进系统技术还可用于大型飞机的 APU、多电系统和全电系统等，未来可能满足大型通用飞机的使用要求。
关键技术——电池和电机
飞机太阳能电池的基本要求：较高的性能，重量轻、效率高；适中的价格，低于航天器太阳能电池；良好的机械性能，柔韧性好能够与机体表面贴合，并能承受一定的载荷，满足恶劣环境条件下使用。目前飞机上主要采用超薄薄膜封装结构单晶硅太阳能电池，近几年效率提高到20%以上，再提高比较困难，因为其理论极限值约为25~30%。太阳能电池的发展方向是进一步提高性能和降低成本。锂（离子）电池和燃料电池具有高比能量特性（单位质量所储存的电能，单位 Wh/kg 或 kWh/kg）/高能量密度（单位体积所储存的电能，单位 Wh/L 或 kWh/L），如图所示。

各类电池比能量比较
锂电池
锂电池是90年代初出现的新型高能电池，主要优点是：比能量/能量密度高，绿色环保/无污染，使用寿命长，额定电压高，无记忆效应，自放电率低，循环寿命高，高低温适应性强，可快速充电等。

目前锂电池的比能量可达到约 150~250Wh/kg，只能满足电动力推进系统的最低要求。尽管在过去 20 年中锂电池的比能量和能量密度有了较大幅度的提高，但要使电动力推进系统接近实用，比能量和能量密度还需在现在的基础上提高约一倍。

锂电池比能量/能量密度提高情况
目前科学家正致力于提高锂电池性能，一种硅纳米丝（nano-Si wire）电极技术有望使锂电池的储电量提高十倍。

新的硅纳米丝电池技术有望使锂电池的比能量提高十倍
燃料电池
燃料电池是一种电化学装置，通过燃料和氧化剂之间的电化学反应，直接将化学能转化成电能，具有效率高，环保（不产生污染或污染很小，噪声、振动水平低），比能量较高等优点。其它优点：在部分负载和满功率条件下都能够达到最高效率，并且具有快速负载跟随性能；模块化结构，便于批量生产，易于重构，安全性高；可使用多种氢基燃料，从纯氢到多种碳氢燃料；燃料电池堆的部件能够循环使用。

燃料电池堆外观
燃料电池电动力推进系统主使用质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）。PEM 燃料电池的工作物质是氢和氧（来自空气），两者发生直接、非燃烧电化学反应时输出电能并产生一定热能，化学反应的唯一产物是水，不产生诸如碳氧化物等燃烧产物，且振动和噪声水平非常低，因此环保性能非常好。PEM 燃料电池一般要求常压工作，在飞机上使用需要一个增压器（因为大气压力随高度增加而下降），对于巡航高度较低的飞机使用增压器还可以提高燃料电池的性能。燃料电池堆对环境要求比较苛刻，需要一套复杂的冷却系统和防离子化系统。
燃料电池的主要是问题是性能有待提高，系统结构复杂，技术成熟度低，成本高。

燃料电池堆系统

燃料电池堆的组成
电机
电机将电能转化成机械能，带动螺旋桨旋转，推动飞机飞行。电机基于电磁作用机理，相对于活塞发动机有很多优点，包括：效率高、节能环保，结构简单、重量轻，可靠性高，维修性好，价格较低，通用性好，输出扭矩特性和高度特性好、无功率脉动，转速合适，操控方便，设计性好等。电动对电机的要求是：体积小、重量轻、效率高、功耗低、转速低、操控性好、可靠性高等。（稀土）永磁无刷直流电机和交流同步电机、开关磁阻电机（SRM）能够较好低满足上述要求，在电动飞机上广泛采用。选用直流和交流电机各有优劣。电动飞机都是直流电源系统，使用直流电机电路系统较简单，但缺点直流电传输损耗大和存在趋肤效应，直流电机功重比低、控制复杂、价格较贵等。交流电机具有控制简单，价格较低，且具有自冷却效应等优点，但需要增加直流-交流逆变器，电路比较复杂。采用脉冲宽度调制（PWM）技术可以较好地解决直流电机的控制问题，有利于其使用。

典型电机结构剖视图（结构简单，零件数量约数十项）
目前永磁直流电机的比功率可以达到 2~3hp/kg（活塞发动机大约为 1.5~2hp/kg），未来可能提高到 6~10hp/kg。现有电机的主要问题是性能和可靠性有待提高，不能满足高功率（大约 100hp 以上）要求。

三种电动力推进系统
根据电能存储/生成系统，电动力推进系统可分成太阳能、燃料电池、蓄电池三种不同的系统，其中前两种系统中也安装蓄电池。目前蓄电池电动力推进系统都采用锂电池，因此本文将其都称为锂电池电动力推进系统。
除了纯电动力推进系统外，还有电动力-内燃机混合动力推进系统。
1太阳能电动力推进系统
太阳能电动力推进系统的组成如图所示。太阳能电池阵列将太阳能转化成电能输出，经过最大功率点跟踪器（MPPT）电子装置实现每个太阳能电池效率最优化控制，成组串联太阳能电池输出的高压直流电输送到汇流条，汇流条经过功率控制装置向电机-螺旋桨系统供电。在使用交流电机的情况下，直流电需要经过直流-交流转换器调制。电路中还接有地面电源插座和蓄电池（锂电池）。
蓄电池（锂电池）与太阳能电池组合使用，其作用为：1）起飞前充满电，在飞机需用功率较大的起飞/爬升阶段提供额外电功率；2）飞行中充电，存储电能富余电能，用于飞机夜间飞行；3）作为备用应急电源。

2锂电池电动力推进系统
锂电池电动力推进系统的组成见下图，系统的工作过程：锂（离子）电池组输出直流电，直流-直流转换器对电压和电流进行调制，然后输送给直流-交流转换器（逆变器），再输送给交流电机；或者输送给脉冲宽度调制器，再输送给直流电机。电动机带动螺旋桨旋转，推动飞机飞行。整个过程由飞机管理装置（或者能量管理和分配系统）/驾驶舱控制界面进行控制。

锂电池电动力推进系统原理框图
3燃料电池电动力推进系统
燃料电池电动力推进系统的组成见下图，系统的工作过程：燃料电池堆将高压氢气储箱中的氢气和（逆变器）空气中的氧气转化成直流电输出，直流-直流转换器对电压和电流进行调制，然后输送给直流-交流转换器（逆变器），再输送给交流电机；或者输送给脉冲宽度调制器，再输送给直流电机。电动机带动螺旋桨旋转，推动飞机飞行。整个过程由飞机管理装置（或者能量管理和分配系统）/驾驶舱控制界面进行控制。

燃料电池电动力系统原理框图
蓄电池（锂电池）选装，构成燃料电池+锂电池组合，用来弥补燃料电池功率不足问题，在起飞和爬升阶段提供额外的电功率，还用作备份电源，保证飞机的安全性。
电动力（纯）推进系统的优点
电动力推进系统和常规碳氢燃料-内燃机动力系统的能量存储和能量转换过程不同。如图所示，碳氢燃料-内燃机动力系统中存储在碳氢燃料中的化学能通过内燃机的燃烧过程，将化学能转化成机械能。
氢燃料电池系统将存储在氢燃料（可从碳氢燃料重整获得）通过燃料电池的电化学反应，将化学能转化成电能；固态氧化物燃料电池系统与之类似，但能直接使用碳氢燃料。蓄电池系统将存储在电解液内的化学能通过电化学反应转化成电能。太阳能系统通过太阳能电池直接将太阳能转化成电能。上述各种电动力推进系统最终都由电机将电能转化成机械能。

常规内燃机动力系统和电动力推进系统能量
存储和能量转换关系图（太阳能-电动力系统使用太阳能电池直接将太阳能转换成电能，这里未示出）

与内燃机动力相比，电动力系统的突出优点效率极、环保性极佳、系统结构简单。
常用的活塞式航空发动机的效率只有约 30%左右，而电动力系统部件的效率都很高，其中燃料电池约为 50~60%，蓄电池约为 80%以上，电机为约为 90%以上。太阳能电池能将大约 20%左右的太阳能并转换成电能，未利用的太阳能并没有被浪费，因此其能量的利用率也很高。太阳能电池、锂电池、氢燃料电池和电机工作时几乎不产生污染，固态氧化物燃料电池产生的污染物也很少，并且电动力系统的噪声和振动水平极低。电动力推进系统主要部件结构都较简单，特别是电机比活塞发动机简单许多。各部件之间主要采用电缆连接，布局灵活，带来设计上的有很多好处。电动力推进系统除了上述优点外，还有很多问题和不足，要达到使用还有很多挑战性问题需要突破。
电动力推进系统的问题和不足
电动力推进系统的主要问题是锂电池、燃料电池的比能量/能量密度低和电机的性能低。
锂电池、燃料电池与碳氢燃料（汽油、柴油）的比能量数值如下表所示，前两者的数值只有后者的几十分之一。正因为如此电动力推进系统的重量远高于活塞动力系统，结果只能牺牲飞机性能。

碳氢燃料是除了液氢之外比能量最高的燃料，即使只有 30%的能量被利用上（内燃机的平均效率），仍高达 3.6~3.7kWh/kg，相当于锂电池的近 20 倍和燃料电池的近 10 倍。将锂电池电动力系统（包括锂电池及控制器/充电器、电机及控制器系统等）、燃料电池电动力系统（燃料电池组/堆及控制器、电机及控制器等系统、氢燃料储箱系统和氢燃料）、活塞发动机动力系统（发动机系统、燃油系统等）的比能量/比功率进行综合折算，前两者也之后后者的几分之一，电动力系统的重量是同等输出功率（总能量）的活塞发动机动力系统的几倍。

氢燃料电池需要专门的氢燃料储存系统，如果使用碳氢燃料制氢还需要复杂的重整系统。氢密度低且易燃，使用安全性差，存储空间大，密封和防燃烧要求高。储氢系统和重整系统也是氢燃料电池推进系统的技术难点。为了节省重量和空间，在保证安全性和使用性的条件下，需要提高氢燃料的存储密度。
氢燃料制备和使用等方面存在各种问题：氢气、特别是液氢的制造工艺能耗非常高，需要耗费大量电能，萃取工艺制氢产生大量二氧化碳，氢燃料供应和运输都比较困难，成本非常高

各类燃料密度/质量密度比较
锂电池、燃料电池还存在技术成熟度低、综合性能低、成本价格高等问题，这些都制约其发展的瓶颈问题。这些问题都在解决过程中，并正在取得可喜的进展。

电动力-内燃机混合动力系统
鉴于纯电动力推进系统存在的上述问题并满足较大型通用飞机/直升机的功率需求，一些企业/研究机构着手发展电动力-内燃机混合动力系统（与汽车工业类似）。燃油-内燃机系统的高比能量特性能够充分满足飞机的使用要求、且经过上百年的使用和发展非常成熟、可靠，能够弥补纯电动力系统的不足。尽管混合动力系统有一定的优势，但却产生了复杂性等诸多问题，有待深入解决，因此混合动力系统还处于探索阶段。
混合动力系统技术方案有两种。
一种是在活塞发动机-螺旋桨系统基础上并联电机，电机通过机械传动装置与活塞发动机功率输出轴（驱动螺旋桨）连接，在飞机需用功率较大的起飞爬升阶段两者同时工作或者活塞发动机单独工作，在飞机转入平飞，需用功率较小时，电动机单独工作通过机械传动装置带动螺旋桨工作。电机由一套锂离子电池系统提供电动率。德国飞行设计公司（Flight Design）正在发展这种混合动力系统，在 Rotax 914 活塞发动机上并联电机。该混合动力系统功率范围 160~200hp（120~150kW），主要适用于四座单发飞机。一台概念验证机进行了大量试验包括故障模式模拟。
另一种混合动力系统的方案是在锂电池-电机电推进系统的基础上，再增加一套辅助活塞发动机发电系统。活塞发动机上安装有发电机，活塞发动机工作时带动发电机发电，产生的电能输送给电机。活塞发动机-电动机发电系统提供辅助电力，满足飞机特定工作情况下的大电功率需求。

汽油活塞发动机－电机-锂电池混合动力系统（Flight Design）

（直升机）柴油发动机-发电机-锂电池-电机混合动力系统
混合动力的问题是两套系统结构复杂、重量大、匹配难、操控和使用维护困难，但在纯电动力系统技术无法满足飞机大功率使用要求的情况下，几乎是唯一选择。
小结
尽管电动力推进系统和混合动力系统发展领域还存在很多问题，但在过去十年间可以说取得了长足的进步，已经能够满足飞机的最低使用要求。随着科学技术的进步，在各国技术专家、科学家的不懈努力下，一些关键技术难题有望突破，将使得配装电动力推进系统的电动飞机能够飞得更远、更快、更高，并达到实用化。

电动飞机发展现状和技术进展
电动飞机基本上还处于探索性发展阶段，主要进行技术验证和试验，仅技术较成熟的锂电池电动飞机有少数项目进入商业化产品试制和试验阶段。此外，燃料电池电动飞机也有望进入产品开发阶段。各类电动飞机中，除了太阳能电动飞机外，发展重点都是有人驾驶通用飞机电动飞机在发展方式/途径上主要是在常规活塞动力飞机基础上改装电动力推进系统，太阳能电池电动飞机由于技术上的特殊性采用全新设计的方式，另外少数锂电池电动飞机项目为全新研制。由于纯电动力推进系统比能量低、总能量（电量）低、输出功率有限，目前仅适用于能耗较低的 2 座及以下的低档简易型通用飞机/航空器，主要类型有动力伞、动力滑翔机、动力三角翼、超轻型飞机、（2 座）轻型运动飞机等。受电动力推进系统技术性能所限，电动通用飞机的航程、续航时间指标只有常规动力飞机的几分之一，速度也低很多。
混合动力推进系统能够弥补纯电动力系统不足，提供较高的输出功率和总能能量，可满足四座单发通用飞机及轻型直升机，目前混合动力系统和混合动力系统尚处在研究阶段。
1太阳能电动飞机
太阳能飞机是通过安装在翼面（及机身）上的太阳电池将太阳能转换为电能，电能输送给电机，电机带动螺旋桨推动飞机飞行。由于太阳能仅能在白天获得，因此飞机只能昼间飞行。
为了实现飞机昼夜连续飞行，需要安装电能存储装置，多选用锂离子电池。昼间飞行时，太阳能电池阵列的富余电能储存到锂离子电池中，夜间飞行时由其为电机供电。由于锂离子电池存储的电能有限，有一些飞机采取电能转化成势能的方式。就是白天太阳能电池功率富余时，富余电能推动飞机爬升到一定高度，夜间飞行时，逐步降低飞行高度，将势能转化成动能，使飞机保持空中飞行。

近十年来，无人和有人驾驶太阳能飞机先后突破昼夜连续飞机技术，不断创造新的续航时间和飞行高度纪录。满足气动弹性要求的高强度（刚度适中）、高韧性（大挠度）、超轻复合材料结构设计和制造技术日趋成熟。有人驾驶太阳能电动飞机尺寸超大和使用受天气条件限制的特性决定了以目前的技术水平太阳能电动飞机还难以做到实用化和大量普及。太阳能电动飞机未来一段时间的发展方向主要是具有超常飞行特性和特殊用途的无人机。
2 锂电池电动飞机、燃料电池电动飞机和混合动力飞机
锂电池电动飞机、燃料电池电动飞机和混合动力飞机主要用于通用航空领域，用作普及型私人飞机（有人驾驶）。

蓄电池（锂电池）和燃料电池电动飞机布局示意图
锂电池电动飞机系统复杂程度最低，技术最为成熟，一些接近实用的机型即将完成研制，未来一段时间将可是电动通用飞机的主流机型。目前锂电动飞机正在实现从技术验证研究阶段向商业化机型开发阶段过渡。飞机平台从最简易的单座动力伞/动力三角翼、动力滑翔机/超轻型发展两座轻型运动飞机，飞行性能和实用性有了较大幅度的提高，续航时间从十数分钟提高到 2 小时以上，航程也相应增大，使用速度也有所提升，基本上能够满足用户的娱乐飞行等一般使用要求。尽管与常规动力飞机相比还有一定距离，但如果按照目前的发展速度，在未来十年内有望达到与后者比肩。

燃料电池电动飞机的燃料电池和氢燃料存储技术相对复杂，目前还处于试验研究阶段。试验机的性能也在稳步提升，续航时间、飞行速度等纪录不断突破，装载能力也有所提高。

目前混合动力系统还都处于技术研究阶段，技术验证飞机还没有完成研制出来。目前已知的混合动力飞机技术研究/验证项目有：Flight Design 和塞斯纳 E172 两个四座单发活塞飞机项目和 EADS的直升机。

总结和展望
当前电动飞机发展方兴未艾，技术研究和机型开发都取得重大进展，随着挑战性技术难题解决，电动飞机在不久的将来有望达到实用化并大量普及，开创电动力航空时代。电动力化是航空器未来发展方向之一，电动飞机的未来值得期待。我国应该加强相关技术研究，大力开发电动飞机产品。因此，笔者建议中国航空工业加强相关技术研究，并尽快开展技术研究和机型开发工作。

还是很不错。