摘要：
飞行器混电动力系统相比传统燃油动力系统，具有动力响应快、能量转化效率高和排放低等优势，是发展低空经济和绿色航空动力的重要技术支撑，但面临系统复杂、功重比低、成本高等挑战。本文首先对混电动力系统的构型及特点进行了分类解析，在此基础上对油-电混合动力和氢燃料电池电-电混合动力低空飞行器的发展现状和应用场景进行了分析。重点探讨了制约飞行器混电动力系统发展的关键技术，包括智能能量管理、电驱动、氢燃料电池以及系统轻量化等关键技术的研究现状，指出了动力电池、氢存储输运、超导电机等存在的技术瓶颈，并为未来低空飞行器混电动力系统在智能管理系统、飞发一体化设计以及专用发动机等领域指明了发展方向。
引言
低空经济作为我国战略性新兴产业，在2024年已被作为“新增长引擎”写入政府工作报告。根据中国民航局的预测，到2035年我国低空经济市场规模有望达到3.5万亿元人民币。高效绿色低碳航空动力是实现低空经济发展的重要技术支撑，近年来受到了广泛关注。低空飞行器复杂的工况及高安全性、低排放、低噪音需求，对动力系统提出了新的需求，其中混合电推进（简称“混电”）动力系统综合了纯电动力和燃油动力各自的特点，具有飞行里程长、动力响应快、能耗和排放低等优势，适用于无人机（UAV）、电动垂直起降飞行器（eVTOL）、直升机、固定翼飞机等低空飞行器。
典型的低空混电动力系统包括以涡轮机或活塞机等热力发动机与电机构成的油-电混动系统（动力输出的混合），以及由燃料电池与动力电池构成的电-电混动系统（电能输入的混合）。油-电混动系统可利用电机动力输出改善发动机的工作区间，提升系统的能量转化效率、降低发动机的有害物排放。电-电混动系统采用电机输出动力，本质上属于纯电驱动力系统。燃料电池一般使用氢为燃料进行发电，具有高效率、零排放、低噪音等优势。此外，由发动机、电机与燃料电池、动力电池构成的更为复杂的混电动力系统也受到了关注。尽管混电动力系统适用面广、综合优势明显，但其应用仍面临诸多挑战。例如，混电专用发动机和大功率航空超导电机的高效、轻量化关键技术需进一步开发；当前动力电池的能量密度偏低，难以满足飞行器大倍率放电及长续航需求；燃料电池动力系统的功重比偏低；氢燃料的存储、供给技术仍需发展；系统的可靠性、安全性有待进一步提升和验证。
本文从低空飞行器混电动力系统的技术路线选择、关键技术突破以及面临的挑战与展望等方面进行综述，重点对当前主流混电动力系统的构型及应用场景进行分析，对混电动力系统的高性能电池、能量管理及高效发电与电驱动技术等关键技术进行阐述，指出混电动力系统大规模应用面临的技术瓶颈和挑战，并对未来发展方向进行展望。
2、混电动力系统构型及飞行器发展现状
面向低空飞行器的混电动力系统按照原动机/动力源的种类可分为油-电混动系统及电-电混动系统。油-电混动系统包含燃油-发动机和动力电池电机两套动力源，电-电混动系统通常包含燃料电池和电池两种电化学能源装置以及电机。本节将分别针对两类系统及相关的低空飞行器展开概述。
2.1、典型的油-电混动系统构型及应用
油-电混动系统构型的应用场景可以覆盖从微型无人机到中大型客机的全谱系飞行平台。其中，在低空无人机或中小型飞行器上应用时，根据驱动旋翼/螺旋桨/涵道风扇方式的不同，混电动力系统主要分为串联型、并联型（单轴或双轴）和混合型系统，如图1所示。
为满足功率需求，在中大型飞机的油-电混动系统设计中燃油动力部分通常使用涡轮发动机，包含涡电（Turboelectric）和部分涡电（PartialTurboelectric）两种构型。其中，涡电系统本质上属于串联型混电动力系统（图2）。为提高系统功重比，典型涡电系统通常只配置容量较小的电池组作为缓冲储能装置，不作为主要能源，由涡轮机带动发电机供电，再由电机驱动涵道风扇提供推力。部分涡电系统本质上属于单轴并联型混电动力系统（图3）。涡轮发动机不但承担发电任务，同时直接参与推力输出，实现了发动机与电机动力的耦合推进，以满足飞行器起飞和加速工况对动力的要求。
2.1.1、串联型
串联型油-电混动系统的原动机（可为活塞发动机或涡轮发动机）通过机械耦合装置带动发电机进行能量转换，生成的电能一方面可直接输送至电动机以驱动螺旋桨或涵道风扇，另一方面可储存至动力电池中以备峰值功率需求。该构型最显著的特点是原动机与推进系统之间无直接机械连接，使得原动机的输出功率与飞行器实际推进功率需求可以完全解耦——这一特性可让原动机工况的优化具有极高的灵活性，不仅可以大幅提升燃料经济性，还能有效降低原动机的启停频率与负荷波动，延长其使用寿命。
由于电动机本身具备转速与转矩控制灵活的优势，在部分低功率需求场景中，系统可省去典型机械传动中的减速装置，实现结构减重与效率提升。此外，由于能量传递以纯电力形式为主，串联构型对动力布置的限制小，设计自由度高，是分布式推进（DEP）系统的最优适配方案，能够满足多点式电推进的布置需求，为飞行器气动布局优化与飞行性能提升提供了更大空间。
串联构型的短板非常明显，能量在“原动机-发电机-电动机”的传递过程中需经历多次转换，每次转换均会产生能量损耗，直接导致系统整体效率受影响。此外，由于原动机不直接参与推进功输出，串联构型油-电混动需两个电机以及配置储能电池等设备，增加了系统的整体质量。在相同系统质量下，串联构型的最大输出功率相对较低，这一局限性在大功率需求的场景（如大型货运无人机）尤为突出。
需要注意的是，在混合动力汽车领域存在使用“增程式混动”的名称来代替串联混合动力系统构型的情况，但实际上“增程式混动”只是串联混合动力的一种，该构型的能源来源以动力电池为主，热机发电模块只是等效为拓展电池容量的手段，不需要考虑覆盖大部分工况平面输出需求。而串联混合动力还存在使用小容量、高放电倍率电池作为储能缓冲装置的构型，全程主要功率需求由热机发电模块直接满足，过去该类系统也被称为“电传动”，在火车机车、工程机械和多轴重型特种车辆上较为多见。受限于当前电池的比容量，油-电串联混合动力的低空飞行器多采用“电传动”模式，并通常采用涡轮发动机作为原动机，构成前文提及的“涡电系统”。
在实际应用中，2023年首飞的ElroyAirChapar⁃ralC1是该类构型的典型代表，其采用分布式电推进（DEP）以及涡轮发电机与动力电池混合架构，由150kW涡轮发电机与动力电池协同供电，有效载荷可达136kg，最大航程为483km，展现出在中短途货运场景中的应用潜力［7］。中国航发湖南动力机械研究所在2022年基于SA60L轻型运动飞行平台，完成了80kW级涡轮航空混电推进系统演示验证机的首飞［8］（图4［8］）。北京动力机械研究所已完成60kW级混电动力系统第一阶段的涡轮机发电技术验证，为国内涡电系统的功率升级与工程化应用奠定了基础［9］。
活塞机与涡轮机相比，具有结构简单、制造成本低、工况适应性强、有效效率高等一系列优势，更适合作为百千瓦级及以下的轻型飞行器混合动力系统的原动机，即通过活塞机驱动发电机持续供电，满足电机的巡航动力需求，同时配置小型动力电池应对起飞、爬升等峰值功率场景。纵横股份研发的CW100与CW40复合翼无人机是该构型的典型应用案例，两款无人机均采用“电动升力桨+燃油巡航”的混合模式，电动升力桨负责垂直起降阶段的升力输出，活塞机则通过驱动发电机为巡航电机供电，得益于活塞机的高效率，CW100的续航时间可达12h（图5［10］）。
2.1.2、并联型
并联型油-电混动系统的核心特征是发动机与电机通过功率耦合装置（如齿轮箱、离合器等）形成直接机械连接，二者可根据飞行工况需求，单独或共同输出推进功。与串联构型相比，并联构型的优势主要体现在两个方面：一是在相同推进功需求下，发动机可直接参与推进，无需经历多次能量转换，有利于降低系统的能量损耗、提高整体效率；二是动力单元的功能分工更明确，发动机负责稳态功率输出，电机负责动态调节，可减少对储能电池容量与发电机功率的需求，有助于实现系统轻量化，提升飞行器的功重比。
并联油-电混动构型的主要问题：（1）发动机与电机的机械连接需要在特定位置占据一定体积，限制了动力的布置方式，增加了气动布局设计的难度；（2）功率耦合装置需实现发动机与电机的转速、转矩匹配，其结构设计复杂度远高于串联构型；（3）系统需要较为复杂的能量管理策略，实时优化发动机与电机的功率分配比例，以适应起飞、爬升、巡航、降落等不同工况的需求，对控制算法的精度与响应速度要求极高。目前，行业内主要通过采用连续可变传输（CVT）技术优化机械耦合性能，通过模型预测控制（MPC）等算法提升能量管理策略的适应性，以缓解上述技术瓶颈。
并联型油-电混动构型在中大型飞机中多为“部分涡电（PartialTurboelectric）系统”，即涡轮发动机既通过发电机为电机供电，又可直接通过机械传动输出推力，实现“电推进+机械推进”的耦合。在实际产品开发中，国际航空企业已取得多项突破，如罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）公司研发了功率覆盖500~1200kW的小型涡轮机，可支持串并联混合推进模式，适用于电动垂直起降（eVTOL）飞行器与区域通勤飞机；霍尼韦尔（Honeywell）公司在2022年完成了1MW级涡轮发电机的测试，系统功率密度达到8kW/kg，为兆瓦级并联混电系统的应用奠定了基础［12］；2023年西科斯基公司与通用电气（GE）联合研发的HEX验证机，采用CT7涡轴发动机为核心的并联混合动力系统，目标航程超过926km，旨在突破传统直升机的续航限制［13］。同年，联合发动机制造集团（UEC）开发了500kW功率混电动力系统验证机，采用VK-650V涡轴发动机作为原动机，为直升机混电动力系统的研发提供了参考。
2.1.3、混合型
混合型油-电混动系统是串联构型与并联构型的复合产物，通过行星齿轮机构或离合机构等复杂传动装置，将发动机、发电机与电动机高度集成，形成“可串可并”的动力模式：在起飞、爬升等峰值功率需求场景下，系统切换为并联模式，发动机与电机共同输出推进功；在巡航等稳态工况下，系统切换为串联模式，发动机带动发电机为电机供电或为电池充电；同时，发电机与电动机还可灵活切换工作模式，如发电机可作为电动机辅助推进，电动机也可作为发电机回收制动能量，使各动力单元均能工作在最优效率区间，具备最强的工况适应性与能量调节能力。
混合型油-电混动的缺点：（1）系统需集成发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构或离合器等多个核心部件，结构复杂度远高于串联与并联构型，导致系统重量高，难以适应低空飞行器的对功重比与紧凑性的要求；（2）多动力单元的协同控制需同时考虑串联、并联两种模式的切换逻辑，以及各部件的转速、转矩匹配，能量管理策略的设计难度高；（3）复杂的机械传动与电力电子系统也降低了系统的可靠性，增加了维护成本。
基于上述局限性，混合型构型目前在航空领域的实际应用案例较少，更多见于概念研究阶段或汽车领域（如混合动力轿车）。对于飞行器而言，由于低空场景下工况变化相对平缓，串联或并联构型已能满足需求，混合型构型的“全工况优势”难以充分发挥，因此暂未成为行业发展的主流方向。
2.2、典型的电-电混动系统构型及应用
由于燃料电池和动力电池均属于化学电源，因此电-电混动系统本质上只有串联混动系统这一种构型，燃料电池替代了传统油电串联中的“发动机发电机”单元，形成“化学能-电能-机械能”的能量转换链。燃料电池作为主要能量来源，持续输出稳定电能，而动力电池作为辅助储能单元，弥补燃料电池响应速度慢的短板，二者协同为电机供能，兼具零碳排放、低运行噪声的双重优势。当前可用于飞行器的燃料电池类型，主要是功率密度较高的氢质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
目前，基于氢燃料电池的电-电混动构型已在中小型飞行器领域实现多地演示验证（图6）。德国研发的HY4氢燃料电池飞机于2023年完成试飞，其搭载80kW级燃料电池系统，采用高压储氢方式，可搭载4名乘员，是全球首款实现载人飞行的四座氢燃料电池飞机。ZeroAvia公司在HyFlyerII项目中，基于Donier228飞机平台研发了19座氢燃料电池飞机，巡航功率达150kW，最大航程为560km，向区域通勤飞机的零排放转型迈出重要一步。国内研究机构也同步在该领域积极探索，如同济大学研发的“飞跃一号”（1kW级）、辽宁通用航空研究院的“雷鸟”（10kW级）、哈尔滨工业大学的“翌翔”系列（续航时间16h）以及北京航空航天大学的“氢动一号”等无人机，均成功验证了PEMFC在航空场景中的适用性，上海DreamFly公司的DF600液氢动力无人机（37kW级）突破了液氢储输技术，为解决氢能储存的能量密度与安全性问题提供了可行方案。
2.3、混电动力系统应用场景与技术发展趋势
2.3.1、构型适用场景分析
当前飞行器混电动力系统的构型选择，本质上是对电池能量密度、电机功率密度、一次能源供应能力等核心技术指标的综合匹配，不同构型的适用场景存在明确分化。尤其是在使用混动系统的飞行器中，采用固定翼以滑跑方式起飞的功率需求远小于相同或相近起飞重量下采用垂直起降方式的飞行器。具体归纳如图7［22-27］所示，图中MTOW指最大起飞重量。
串联构型凭借最高的设计自由度，成为DEP系统与氢燃料电池系统的首选构型。其中，活塞机油电串联构型因其成本低、结构简单的优势，适用于百千瓦级及以下的轻型飞行器，如轻型无人机、小型eVTOL等。涡轮机油电串联构型则依托高功重比、长续航的特点，适用于数百千瓦至兆瓦级的中大型飞机，如中短途货运飞机、区域通勤eVTOL等。氢燃料电池串联构型目前仍处于技术验证阶段，主要应用于千瓦级至百千瓦级的中小型无人机，但凭借零排放优势，正逐步向兆瓦级大型飞行器，如大型客机、远程货运飞机等拓展，是未来航空业实现碳中和的核心技术路径之一。
并联构型则聚焦于对功重比与效率要求极高的兆瓦级及以上航空动力系统，通常以涡轮机为主动力源，电驱动系统作为辅助动力，通过机械耦合实现“高效推进+动态调节”，主要适用于大型客机、重型直升机等大功率飞行器，可在保证航程的同时降低燃油消耗。
混合型构型则受限于系统复杂度与重量问题，目前在航空领域的应用空间有限，暂未形成规模化应用。
2.3.2、技术发展趋势
油-电混动系统作为当前技术成熟度最高的混电动力方案，是行业短期内的主流发展方向。未来的技术突破将集中在两个核心领域：一是系统能量管理与控制策略的优化，通过引入人工智能算法如强化学习、深度学习等，建立全工况下的动力单元动态协同控制模型，进一步提升系统在起飞、爬升、巡航、降落等不同工况下的能量利用效率；二是燃料的低碳化转型，逐步用可持续航空燃料（SAF）、氢燃料等替代传统化石燃料，例如氢燃料涡轮机技术可在保留涡轮机高功重比优势的同时，实现“零碳排放”，有望成为油-电混动系统向零碳转型的过渡方案。
基于氢燃料电池的混动系统正处于快速发展阶段，是航空业长期零碳目标的核心依赖技术，未来的技术突破将围绕三个关键方向展开：（1）高性能燃料电池电堆与核心部件的开发，通过优化质子交换膜材料、催化剂结构与双极板设计，提升燃料电池的功率密度与寿命，目标是将系统功率密度提升至3kW/kg以上，满足中大型飞行器的动力需求；（2）液氢储输技术的突破，需研发高效的绝热储氢容器与低温输送管路，解决液氢储存的热泄漏与安全性问题，实现氢燃料的长航程供应；（3）系统集成与可靠性提升，通过集成化模块化设计减小系统体积与质量，优化系统布局与热管理，提升系统在高空低温、高湿度等恶劣环境下的可靠性，推动系统从千瓦级向兆瓦级商用化转型，最终实现大型客机的氢燃料电池动力应用。
3、混电动力系统关键技术研究进展
3.1、高能量密度电池技术
相较于陆地交通，低空飞行场景对混电系统中动力电池能量密度、充放电倍率及热安全均提出了更高的需求（图8（a））。当前商业化锂电池以液态电解质体系为主，主要技术路线包括三元锂（NCM/NCA）和磷酸铁锂（LFP）电池。根据国际能源署（IEA）2023年报告，三元锂电池的能量密度普遍处于200~250Wh/kg内，磷酸铁锂电池则约为150~200Wh/kg［28］。目前，锂电池约200Wh/kg的能量密度难以满足支线及干线飞机的需求。2023年中国工业和信息化部等四部门印发《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》，对航空用锂电池的能量密度提出具体要求：满足电动飞行器使用需求和适航要求的400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，500Wh/kg级产品小规模验证［29］。2023年4月，宁德时代宣布凝聚态电池单体能量密度达到500Wh/kg，该技术采用高导电率聚合物电解质与超高比容量正极（如富锂锰基材料）结合，通过电极-电解质界面改性提升离子传导效率，正在进行民用电动载人飞机项目的合作开发。
固态电解质电池作为下一代储能技术，目前正处于从实验室研发向产业化过渡的关键阶段，主要技术路线包括硫化物、氧化物和聚合物电解质体系。其中硫化物电解质室温电导率最高（10-3~10-2S/cm），但存在界面相容性差和空气稳定性问题；氧化物电解质热稳定性最佳（>800℃），但室温离子电导率偏低（10-5~10-4S/cm）；聚合物电解质柔性好但室温性能较差。目前实验室层面能量密度最高可达500Wh/kg，工程化产品能量密度集中在300~400Wh/kg。随着固态电池电解质材料的发展，电池的能量密度有望满足支线及干线航空混电系统需求。
低空飞行器中的“电传动”与可充电的“增程式”混合动力构型对电池性能的要求差别也较大：“电传动”构型的电池作为高功率缓冲单元，核心需求在于超高的功率密度（>4~5kW/kg），卓越的倍率性能（5~10C放电倍率）及超长的浅循环寿命（>2×104次）；而插电式构型则要求电池同时兼具高能量密度（>280~300Wh/kg）和高功率密度，以支撑纯电航程和高推力需求，并需具备良好的深循环寿命（>2000次）和快充能力。为满足这些需求，电极材料体系正沿两条主要路径发展：（1）目前正极向超高镍单晶（如NMC9系）及镍锰尖晶石材料（如LNMO）发展，负极则通过硅碳复合提升能量密度，以优化现有液态体系；（2）未来固态电池体系，可采用固态电解质从根本上解决高能量锂金属负极的安全性与界面问题，最终实现高能量密度、高功率特性及高安全性（“三高”）的协同突破，为低空经济提供终极动力解决方案。相关技术需求及路线对比参见图8。
高能量密度和大倍率放电对飞行器混动系统的热安全提出严峻的挑战。提升电池热安全可从本征热安全和热管理系统两个维度着手：在本征安全方面，固态电池是实现高能量密度与高安全性协同的重要技术路线；在热管理方面，独立的电池热管理系统受限于冷却介质、体积与重量等因素，难以满足航空动力系统高度集成的要求。因此，亟须开展将大容量、高能量密度、大倍率充放电电池的热管理系统与飞机整体热管理系统相集成的研究。
3.2、高效大功率电机技术
对于中小型飞行器的电机功率需求为数千瓦到数百千瓦，而大型飞行器的电机对于功率、功重比的要求等级更高。电推进系统的高功率密度和功重比是决定飞行器的性能和应用前景的关键因素，尤其是在面向低空飞行的兆瓦级动力系统，电机材料技术和散热技术等关键技术的突破至关重要。
3.2.1、高效大功率电机技术发展趋势
电机技术的核心指标包括高功率密度、高扭矩密度以及高效率，其性能依赖于电机设计、材料选择和优化的电磁结构设计，同时还需要兼顾高可靠性和高响应速率的要求。针对小型低空无人机和eVTOL等不同的低空飞行应用场景，所采用的电机传动方案和技术路线也不同。小型推进器由于其尺寸体积限制严苛，更适用采用无齿轮箱的直驱电机方案，此时电机的高扭矩密度为优先指标。中大型推进器其输出功率更高，更倾向于采用高转速电机与齿轮减速箱匹配的传动方案，此时高功率密度是航空电机的关键指标。目前，较受关注的驱动电机技术包括永磁同步电机（PMSM）技术、轴向磁通电机（AFPMM）技术和高温超导电机（HTSM）技术。
永磁同步电机采用永磁体转子与定子磁场的同步运行实现动力输出，具有高效、高功率密度、可靠性和低维护成本的优势，在我国汽车领域已经广泛运用于动力电机。在极限指标方面，2025年3月，美国H3X公司研发的350kW和1.5MW的航空集成逆变器式电机，转速为2700r/min，持续功率密度（功重比）分别达7kW/kg和12kW/kg，扭矩分别高达1238Nm和5300Nm，且模块化设计可以满足多种飞行器的推进需求。
与传统的径向磁通电机设计不同，轴向磁通电机技术磁通路径设计为沿轴向分布，因此电机的形状可实现扁平化，并显著提升功率密度以及能量转换效率，特别适用于航空与海上运输领域。在BBGreen渡轮项目中，轴向磁通电机实现了620kW的功率输出，并通过减重优化减轻了约660kg的系统质量。在航空领域，NASA的X-57Maxwell项目通过14个分布式轴向磁通电机的整合设计，从系统架构优化的角度节省了20%的功率消耗，并将巡航效率提升了5倍。
高温超导（HTS）电机技术（图9）利用高温超导材料（如钇钡铜氧NdFeB）在低温条件下（-246~-192℃）具有极低电阻的特性，大幅提升了绕组的电流，进而实现极高的磁场强度，使得电机的功率密度与效率大幅度提升。由于高温超导材料具备极高的电流承载能力和近乎消除电阻损耗的特性，高温超导电机具有铜损耗低、效率高、功重比高的特点，具有实现超过10kW/kg功重比的潜力，远超目前常规兆瓦级电机的功重比（约2.5kW/kg级），为低空推进系统的高效设计提供了突破性的解决方案。NASA的先进超导电机验证机（ASuMED）项目开发的1MW级超导电机功重比高达20kW/kg，效率高达99.9%。日本九州大学研究了冷却系统下的10MW全超导电机，转速为9000r/min，功重比达25.6kW/kg。欧洲ASuMED项目则通过采用创新设计的超导转子和定子，设定了功重比16~20kW/kg的目标。此外，NASA的N3-X项目规划了25MW级涡轮分布式全电推进系统，由14个1.785MW采用超导技术电机驱动，此方案为未来的电动化航空推进模式提供了模块化设计解决方案。
当前超导材料、电枢绕组技术、转子技术、低温技术和绝缘技术等是航空所需高温超导电机的瓶颈技术。此外，对于使用液氢燃料混电系统，利用液氢热沉可为超导电机提供超低温环境，有望率先实现演示应用，但相关的电机结构设计及机载液氢输运系统控制及热管理仍是需要突破的关键技术。
国内外面向低空用驱动的部分超导电机研究主要技术参数见表1。
3.2.2、高效电机关键材料研究进展
当前航空电机的材料优化主要聚焦于电机铁芯、电机绕组及电控系统三大核心领域，通过针对性材料升级与性能突破，满足航空电机对高功率密度、高效率以及轻量化需求。
（1）电机铁芯材料
在电机铁芯材料领域，传统硅钢片因损耗较高已难以满足航空电机对高功率密度与高效率的需求，非晶合金（金属玻璃）凭借其优异的软磁特性成为核心替代方向，其损耗密度仅为传统硅钢片的1/10~1/5，且具备薄、硬的物理特性与高强度的力学优势，适配高转速、高频轴向磁通电机的运行场景。目前铁基非晶合金应用最为广泛，当前的前沿研究继续向低损耗、高频、高强度的研究方向发展，除非晶合金外，高硅钢、纳米晶材料以及软磁复合材料（SMC）等也在特定应用场景中展现出广泛潜力。
（2）电机绕组材料
传统铜线存在密度高、高温下导电率下降的缺陷，未来电机绕组材料的发展将聚焦于向轻质、高导电与高热稳定性的方向迭代，碳基导体材料与金属材料复合化、宏观尺度构建与界面连接工艺的突破将是推动高性能绕组材料研究的关键。例如碳纳米管线（CNT）凭借低密度、室温导电率优于铜线且随温度升高不衰减的特性，成为极具潜力的替代材料；为提升其性能，当前研究通过碘掺杂、环氧浸润致密化、压力轧制等方法优化电导率，部分CNT的导电率已达1.3×106S/m，逐步接近铜线的5.8×106S/m［58］，不过目前仍面临单根CNT性能向宏观线束传递效率低、与金属连接技术不成熟等问题，预计尚需20年左右突破量产工艺。
（3）功率器件材料
在电机控制相关的功率器件领域，传统硅基功率器件如绝缘栅双极型晶体管（IGBT），因其开关损耗高、耐高温性差，需要配备复杂冷却系统而难以适配低空飞行器的高压、高频工况。目前，碳化硅场效应晶体管（SiCMOSFET）是主流应用器件，如英飞凌CoolSiCMOSFET，在低扭矩工况下总开关损耗比硅基IGBT降低20%~60%。在硅基器件的基础上，功率半导体材料研究重心逐渐向宽禁带和超宽禁带材料转移，尤其是氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga2O3），在高频、高功率密度、高温环境下表现出优异性能。GaN相较于SiC有更高的电子迁移率和开关速度，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）技术在AlGaN/GaN异质结构中形成的二维电子气（2DEG），赋予器件高截止频率和高击穿电压，并支持增强型（E-mode）设计以降低静态功耗并提升系统安全性。Ga2O3作为新兴超宽禁带材料，拥有高达4.8~5.3eV的禁带宽度和极高的临界电场强度，是实现高压功率电子器件的小型化和高效率的优选。但Ga2O3的低热导率（约0.1~0.3W/（cm·K））在高功率密度场合限制其热散能力，当前研究聚焦于界面散热、背面冷却以及与高热导材料（如金刚石）的集成技术，以提升热管理能力。未来电控系统材料的发展将依赖于器件材料、封装热控与系统级电磁兼容协同设计能力的提升。
3.2.3、高效电机冷却技术
当前航空电机冷却系统的技术路线主要为直接空冷、专用冷却液液冷和滑油油冷三种。
（1）空冷。作为优先选择的轻量化方案，通过自然对流（组件表面设计鳍片）或强制风冷（集成低噪音风扇）实现散热，适用于中低功率场景，如巡航阶段的电机、低压电子设备及地面待机状态的电池，其核心优势在于无额外管路与冷却液，能显著降低系统重量，未来的技术优化方向聚焦于设计高湍流气流通道（如在鳍片间增加导流结构）以提升散热效率，确保组件温度维持在安全范围。
（2）液冷。是高功率场景（如悬停阶段的电机、逆变器、快充状态的电池）的必要方案，通过水-乙二醇混合液或专用航空冷却液循环实现散热，分为直接液冷（冷却液流经电池/电机内部通道）和间接液冷（通过换热器传递热量）。铜损占通常电机总损耗的60%以上，针对电机定子，常采用“液冷套加绕组内嵌导热管”的组合导出铜损热量。针对逆变器等功率电子器件，通常搭配开关损耗低的SiC/GaN器件与直接液冷基板。
（3）油冷。通过绝缘油循环流经电机定子/转子，结合外部换热器散热，适用于高转速大功率电机（如转速大于5000r/min的矢量推力电机），其核心优势是兼具冷却与润滑功能，且耐受高温，油温可达120℃。未来技术优化方向包括选用低黏度合成油来降低油泵功耗，以及集成油-气换热器以减小系统体积。
冷却系统需与动力总成其他组件协同集成，如将电池、电机、逆变器的冷却回路集成换热，通过主动控制实现按需冷却。且需考虑故障冗余，如液冷系统备用水泵、空冷系统备用风扇，以符合相关的安全要求，避免动力中断风险。
总体而言，尽管低空飞行器电机已取得显著进展，但在实际应用中仍面临诸多挑战，包括功率密度提升过程中散热管理技术的瓶颈、稀土和超导材料的高昂成本，以及分布式推进系统的综合设计与适航认证安全性等问题。从发展路径来看，超导电机技术或将成为主流，而全电推进飞机的商业化需等待电池与电机技术的双重突破。短期内（2025—2035年），百千瓦级电机（功率密度约为15kW/kg）将推动eVTOL的商业化运营以及混动支线飞机的应用。中长期（2035—2050年），兆瓦级超导电机（功率密度超30kW/kg）有望实现窄体客机的全电化以及宽体氢燃料电池混动飞机的应用。
3.3、氢燃料电池系统及水热管理技术
燃料电池混合动力系统作为未来航空绿色化的重要方向，其发展依赖多项核心技术的协同突破与系统级整合。在当前的研究与工程实践中，燃料电池系统和电堆、集成设计技术、机载储氢技术以及热管理技术逐渐成为影响系统性能与应用可行性的主要维度。以下部分将依次对这些关键领域的技术现状、研究进展与未来挑战展开探讨，以期为氢能航空动力路径的发展提供参考。
3.3.1、燃料电池系统及电堆
航空燃料电池系统以极高功率密度与能量密度为核心诉求，其能量密度门槛需达1000Wh/kg以上，远高于汽车燃料电池（仅需满足长续航）及当前车用锂电池，如斗山创新DP30M2S系统（2.7kW/6.9kg）可实现锂电池数倍航时，且相同能量下氢燃料质量仅为航空煤油的24%。而汽车燃料电池（多用于商用车）更关注耐久性，需达104h以上，航空无人机燃料电池虽仅需2000h航时寿命，但需冗余设计（如配备用锂电池）保障飞行安全，避免失效等故障导致灾难性后果（见表2）。
在极端运营环境适应性上，航空燃料电池系统需应对高空低温、低压环境，面临“内部散热与外部防冻”的矛盾，而汽车在恒定大气压下应对地面宽温（-30~60℃），仅需维持电堆25~55℃理想区间。此差异直接导致辅助系统（BoP）设计的差异：（1）航空用离心式空压机（无油、高动态响应）应对高空低压，汽车用涡旋/螺杆式空压机（侧重能效成本）；（2）航空采用IV型碳纤维储氢罐（减重70%）及液氢储存，汽车以35/70MPa高压气态储氢为主；（3）航空创新“燃料热沉”策略，汽车则依赖液体冷却与PTC加热器（见表3）。
以氢燃料电池飞行器为例，据英国航空航天技术研究中心估计，中大型飞行器的电力推进系统各部件功率密度发展目标如表4所示。到2050年，电力推进系统功率密度需要从目前1.0kW/kg提升至3.0kW/kg以上。表中系统或部件的功率密度定义为系统或部件的额定输出功率与系统或部件的质量之比。不同于地面应用场景，航空应用对于推进系统的质量敏感度极高，直接决定飞行器的有效载荷与续航性能，因此本文采用质量功率密度即功重比进行评估预测。
燃料电池电堆技术是航空氢燃料电池动力系统的核心，其选型与发展路径与飞行器的功率需求、航程及运行环境紧密相关。如表5所示，不同航空应用场景对电堆的功率等级、冷却方式及技术成熟度提出了差异化要求。
对于小型无人机等低功率应用场景，空冷型PEMFC因其系统简单、重量轻、无需复杂液冷回路等特点成为主流技术方向。与能量密度约为200~300Wh/kg的锂电池相比，当前小型空冷PEMFC系统的能量密度可达约500Wh/kg，未来有望突破1000Wh/kg，且其续航能力、最大起飞重量优势显著。目前研究重点集中于开放式阴极开放式电堆设计及集成、运行策略优化以及动态响应性能提升等方面。2025年，李业等成功研制了采用钛基双极板的千瓦级空冷电堆，其功率密度达到500W/kg，在无人机飞行试验中实现了74min续航，平均输出功率1318W，验证了其工程化应用的可行性。Ferreira等针对阴极开放式、闭式阳极循环电堆的研究表明，在高电流工况下需要同时调整短路周期时间以及氢气吹扫频率策略进行高效水热管理。在系统动态响应方面，Zhang等通过建模仿真分析了操作参数对电压动态特性与水热管理的影响。在起飞阶段和巡航阶段，必须采取不同的水热管理策略以保障系统的功率输出与稳定性。该类电堆的未来发展将集中于提高功率密度、环境适应性与智能热管理策略。
针对中大型飞行器，如垂直起降飞行器eVTOL，支线飞机等，其百千瓦至兆瓦级的功率需求远超空冷系统的散热能力上限，因此高效、可靠的液冷型高功率电堆是必然选择。液冷系统通过对冷却介质的主动循环实现更精确的热控制，显著提升电堆的功率密度和工作稳定性，尤其适合中高空长航时飞行任务。未来预计氢燃料电池电堆的功率密度需要从7kW/kg提升至16kW/kg，从低温燃料电池系统（LTPEMFC，工作温度约80℃）提升到高温燃料电池系统（HT-PEM，工作温度超过160℃）。该领域技术发展聚焦于耐高温膜电极、抗腐蚀轻质金属双极板、系统架构优化以及与水热管理深度耦合的整体设计。尽管当前液冷电堆在航空领域的实际应用仍处于验证阶段，但已成为高功率航空推进系统实现工程化的关键路径，未来需进一步突破功率上限、降低系统重量并提升动态响应性能。
3.3.2、集成设计技术
据预测，2030年氢燃料电池系统的功率密度可达2.5kW/kg，以适用在20座至100座以下的中大型支线飞机。实现氢燃料电池与推进系统的高度集成，需要部件至系统级的模块化、紧凑化设计与飞行器气动布局集成等技术的突破。
欧美已率先开展了百千瓦级氢燃料电池动力系统在低空飞行器以及混动支线飞机领域的集成设计研究。2024年，克兰菲尔德大学（CAeS）完成了额定功率为240kW的氢燃料电池涡桨飞机集成设计。该设计将燃料电池电堆、辅助子系统、直流电动机、逆变器及控制装置集中布置于前舱，而后舱配置了高压配电系统与接地电源接口。燃料电池散热器和冷却管道被巧妙地布置在主起落架周围，既优化了散热效率，又确保了结构安全与维护便捷性。2025年3月，联合技术公司（UTC）研发的氢燃料电池垂直起降飞行器H2eVTOL完成试飞，在后舱设计安装了两个燃料电池堆、集成逆变器的magniX电动机和缓冲电池组，尾翼下方配备了“IV型”储氢罐，机舱两侧安装了风扇冷却系统。
我国在氢燃料电池动力飞行器领域，也开展了大量集成设计研究。哈尔滨工业大学设计制造的“翌翔二号”无人机，对各个部件进行了精细的轻量化和适应性设计以及内舱布局设计，燃料电池电堆安置于后侧，氢气瓶固定于中段，而锂电池及其余电力电子设备置于前端。北京航天航空大学研制的“氢动一号”复合翼无人机的直吹冷却设计，利用推进器气流中引流用于燃料电池的冷却，替代了传统燃料电池进气和冷却所需的轴流风扇，有效减轻重量并优化系统散热效率。
氢燃料电池推进系统各部件的模块化、高紧凑化设计、子系统的功能整合以及结合飞机构型优化，是实现系统高效集成的关键环节，此外，还需要通过系统级精细化设计实现结构紧凑性、高能量效率与安全性。
3.3.3、机载储氢技术
储氢技术是航空氢燃料电池系统的核心挑战之一，直接决定飞行器的航程、有效载荷与安全性。目前，航空储氢主要涵盖高压气态储氢、低温液氢储存和固态储氢三种技术路径。在氢燃料混合动力系统中，氢气的低体积能量密度使得储氢，尤其是机载液氢存储成为制约系统性能进一步提升的瓶颈。当前技术难点主要集中于储氢装置的体积能量密度、安全性与机身一体化设计。
当前地面交通中气氢的储存已普及70MPa高压氢瓶技术，可以基本满足汽车等载具的需求，但在机载储氢方案中，液氢相较于气氢更具可行性。近年来，基于镁基材料的固态储氢广受关注，虽因重量敏感难以应用于支线客机，但在无人机领域有较高应用潜力。
液氢储存装置需具备优良隔热性能以抑制蒸发、提升安全性。目前常用隔热方式包括多层隔热、真空隔热与泡沫隔热。多层隔热结构体积与重量较大；真空隔热在真空环境破坏时性能急剧下降；泡沫隔热在重量与性能之间取得较好平衡，但开发更轻量、更安全且隔热性能更优的构型和材料仍是未来的重点研究方向。目前主要的研究着眼于真空绝缘储氢罐（如空客参与欧盟资助的Cryoplane项目和欧洲CleanSky项目），以及泡沫绝缘储氢罐［83-85］。使用泡沫绝缘罐飞机的操作空重约为48吨（FlyZero）到58吨（Verstraete）之间，泡沫绝缘罐罐体只需数吨的就能够储存约6.6吨的液氢，相较于类似容量重达30吨的真空绝缘罐可显著降低飞机重量，对飞行器整体性能有着决定性的影响。
储氢结构布局与气动性能之间存在显著的权衡关系，储氢罐的位置对飞机重量、航程、效率以及客舱布局、载客量有重要影响。由于需同时满足低泄漏率与高效隔热要求，机载储氢罐多设计为圆形或圆柱形，难以实现保型集成，目前通常置于机舱内部。这不仅占用客舱空间、影响飞机重心设计，也带来液氢泄漏危及乘员与货物的潜在风险［88］。将储氢罐外挂于机身的方案可缓解舱内空间占用，但会破坏气动外形，尚未成为主流。将储氢罐与机体进行结构集成是一种有前景的解决方案，但需重新设计机身结构并综合考虑强度与气动特性。Huete等提出将储氢罐集成到机身内部，能够有效降低飞机重量，但牺牲了部分载客量。空客Beluga长航程飞机采用双层夹板设计，将储氢罐分别置于客舱前后部，以满足氢能源需求，但这种设计需要低直径的储氢罐，导致罐体本身较重，且将增加飞机的阻力和重量，在低空应用中面临较大的挑战。
总体而言，液氢凭借较高的体积能量密度成为当前最可行的技术路径，航空储氢技术正处于从高压气态储氢向液氢存储的关键转型阶段。隔热性能、储罐结构与机身气动布局的一体化设计仍需进一步突破。未来需重点研发轻量化、高隔热及抗泄漏的新型储氢材料与结构，推动储氢装置从“舱内安置”向“机体融合”方向发展，此外，在安全性方面，现有研究多集中于高压气态储氢，针对航空液氢泄漏及其对飞行安全影响的系统研究仍较为缺乏。加强液氢泄漏安全性与应急管理的系统性研究，是为氢燃料电池航空动力系统的实用化提供关键支撑的重要任务。
3.3.4、燃料电池热管理系统设计技术
在航空用燃料电池电堆的热管理系统中，针对小型UAV的空冷型电堆通常高度依赖环境气流与飞行状态进行散热，系统结构相对简单，但也更容易受到低空环境中气压、温度与风速变化的影响。当前研究主要集中于通过优化阴极流场结构和改进风扇控制策略。同时微型热管技术应用于空冷电堆冷却可显著提高散热效率，例如白兴英等设计了一种厚度为1.32mm的蒸汽腔，并将其集成于PEMFC的双极板中，用于电堆热管理。通过实验评估PEMFC堆在快速启动和稳态运行期间的输出特性，结果表明该蒸汽腔具备快速热响应和优异的温度均匀性，有效提升了PEMFC的整体性能。Li等提出了将平板闭合循环脉动热管用于电堆散热，该结构基于分段热阻模型表现出较高的计算精度，并通过增强冷凝段换热能力、降低气液流动阻力，显著提高了传热功率，能够满足多单体电池的协同冷却需求。
对于百千瓦至兆瓦级的大功率燃料电池堆，高效热管理系统是决定其性能、可靠性与飞行安全的关键。除风冷与液冷等传统散热方式外，相变冷却等先进技术逐渐得到重视与应用。相变冷却技术利用相变材料（PCMs）在相变过程中吸收或释放大量相变潜热的特性，能够在较小空间内实现高效吸热，其核心部件是蒸发器和冷凝器。相关研究表明，在液体水的分离效率足够高的前提下，通过采用铝制冷凝器的水蒸发冷却，可将散热器前部面积减少27%。Choi等提出的相变冷却系统采用六氟异丙基甲基醚（HFE-7100）作为工质，其沸点为61°C，成功用于低温质子交换膜燃料电池。相变冷却技术也具有提高燃料电池功率密度的潜力，但稳定性和控制仍然存在技术挑战。在低空应用中，蒸发冷却系统的操作稳定性受到外部环境（飞行高度、速度和气压变化等）影响大，是未来氢燃料电池冷却技术中亟需深入研究的重要方向。此外，纳米流体冷却技术通过将纳米颗粒（如氧化铝、铜等）分散在液体冷却介质中，以提高冷却液的热导率和换热性能。研究表明纳米流体具有良好的对流换热能力，对换热器尺寸要求较小，从而提高系统冷却效率，但存在功耗高、稳定性低和制备困难等问题。
总体而言，燃料电池热管理技术正根据应用场景与功率等级的不同，从部件结构轻量化、控制策略智能化及系统集成化方向发展。UAV用空冷燃料电池动力系统需着力解决环境自适应与轻协同散热问题，而高功率系统则聚焦于高热通量散热与多热源耦合管理。未来研究需突破包括变工况热响应建模、新材料与结构设计、以及全飞行包线内的能量/热协调控制等关键技术，以支撑燃料电池在全航空域范围内的规模化应用。
3.4、混动专用发动机
航空混动专用发动机主要分为航空活塞机（APE）与航空涡轮机两大类，当前均面临效率、适应性、排放等关键技术问题。表6汇总了典型的用于混合动力系统的发动机相关技术指标，活塞机如Rotax914，LycomingIO-360等适用于小型实验平台或轻型通航飞机；而涡轮机如PW127XT，AE2100等具备更高功率与更优的功重比，能满足区域支线客机或实验性混动原型机的需求。涡轴类发动机（如Arriel2E，HTS900）通常应用于直升机及倾转旋翼混动平台。
以下按照油-电混动和低空推进相关的主要关键新技术，分析活塞机和涡轮机两类发动机的研究方向，传统热机本身技术的演进方向，如下一代涡轴发动机的涡轮材料、先进压气机设计等关键技术本文不再展开论述。
3.4.1、燃料适配性与新能源应用技术
在燃料与新能源应用方面，技术开发旨在提升能源适应性并实现低碳化。针对航空活塞机的相关研究实现了煤油（RP-3）无需改动结构即可替代柴油，高负荷指示热效率提升1.4%~12.4%，生物燃料（如小球藻生物柴油）能降低HC，CO排放。未来混合动力航空发动机的燃料适配性研究将重点聚焦于氢能、生物燃料和SAFs在热效率、燃烧稳定性及低排放特性方面的优化。其中氢能应用对于低空尤为关键，因为低空的排放法规可能会参考汽车的法规，提出远比民航领域苛刻的减碳需求，氢燃烧具有零碳排放的优势，燃烧仅产生水蒸气，研究显示75%vol氢掺混可降低51.1%的CO2，Koc等证实纯氢燃料涡轮机CO2排放为零。从氢与传统燃料（如甲烷）的物理属性差异来看，氢分子质量更小、火焰温度更高（2045℃，高于甲烷的1875℃）、最大层流火焰速度更快，且沃泊指数（WobbeIndex）更高（氢48.21MJ/m3，甲烷40.9MJ/m3），带来火焰稳定性和材料腐蚀等挑战。动力系统需采用镍基高温合金等抗氢脆、抗腐蚀材料，针对氢燃料高温燃烧、高水含量废气及其对发动机结构材料的腐蚀与脆化效应，需进一步发展具备优异性能的高温合金与涂层材料，以构建兼具安全性与环境适应性的先进动力系统。氢储存相关技术参见燃料电池一节储氢部分，此处不再重复。
航空活塞机的燃烧系统需考虑过去的燃烧模式与各类新型低碳和零碳燃料的结合。由于SAF本身的物性与传统航煤差距不大，因此航空活塞机应用SAF的关键问题主要在可靠性领域。氢活塞机是航空活塞机的主流发展方向，在稀燃条件下，氢活塞机有效热效率已超过45%，采用超稀燃技术（λ>2.5时）可实现NOx近零排放，其CO2排放量不到传统柴油发动机的2%。通过氢直喷结合NOx存储还原催化等技术，NOx转化率可达98%，宝马7系氢燃料示范车在驾驶循环中的NOx排放量仅为美国加州超低排放车辆限值的3.9%。氢喷射技术方面，低压直喷可依托现有氢燃料电池供氢零部件，成本较低；高压直喷能减少压缩负功，缸内直喷技术可实现与汽油机相当的功率密度，部分方案功率密度与柴油机相当或略高。
氢活塞机的未来应用需要从燃烧控制、排放控制、材料润滑等领域取得关键技术突破。燃烧控制上，需重点攻克氢气缸内直喷和空气超高增压技术以提升动力性与经济性，深入研究早燃爆震机理及抑制措施以改善燃烧稳定性。排放控制上，需开发低温活性优异、耐水且高稳定的NOx后处理催化剂，集成氧化催化剂与颗粒过滤器应对润滑油相关排放。材料与润滑领域，要研发抗水、抗氧化、防氢渗透的专用润滑油，解决部件氢脆问题并选用氢兼容材料。同时，将完善氢泄漏监测、结构密封及应急处置等安全体系，提升高压喷氢器等关键部件的耐久性。
当前航空氢能发动机的主流发展方向是氢燃气轮机，针对氢燃料的特性，发展出扩散燃烧和预混燃烧两大方向。扩散燃烧具有结构简单、可适配100%vol氢燃料的优势，Weiland等通过氮稀释实现低NOx排放，但需通过“湿脱硝”（注水/蒸汽）方式控制高温高NOx问题，Cocchi等验证该方式可降低30%NOx。而预混燃烧通过提前混合燃料与空气降低峰值温度，Cho等的多管微混合器实现小于5×10-6的NOx排放，Inoue等设计新型燃烧室实现30%vol氢掺混无闪回，Cappelletti等通过轴向旋流器优化使100%氢燃料的NOx控制在1.7×10-5以内。
未来低空飞行器的法规可能参考汽车领域制定比传统民航相关法规更为严苛的排放控制法规。因此必须考虑热机尾气后处理问题。参考汽车发动机的研究，无论是活塞机还是涡轮机，针对氢燃料燃烧、SAF等的后处理都需要考虑NOx的抑制，因此参考选择性催化还原（SCR）和氮氧化物捕集（LNT）等汽车尾气后处理技术并向低空飞行器动力系统的开发和移植可能将成为未来研究的重点之一。
3.4.2、混合动力推进系统专用发动机设计
混电专用发动机与常规发动机设计存在差异，尽管混动专用发动机已受到关注，但高效、低成本的混动专用发动机实验研究及实际应用仍有待进一步研究。
常见的混动类型在传统发动机构型中考虑与电机的一体化集成设计，如活塞机采取无飞轮、曲轴与电机转子一体化设计［130］，涡轮机考虑内置式启发电机或高/低压涡轮直连式的设计［131］。这些设计构型对热机旋转部件及相关的流动燃烧组织控制均引入了新的要素，因此在设计方法、动力学建模控制、振动控制以及相关的传热散热控制技术方面出现了新的研究需求。清华大学开展了航空并联混合动力专用涡扇发动机（图10［132］）研究，开发了混电专用发动机快速设计方法并解析了其热力循环与工作特性［132-133］。此外，在活塞机混动系统中，可通过采用阿特金森循环或米勒循环等方式，结合结构简化与轻量化设计，开发混动专用活塞机。
同时，世界各研究部门也在探索新构型的混电专用发动机，哈尔滨工业大学开展了固体氧化物燃料电池与涡轮相结合的新型发动机构型设计研究，提出了无涡轮混动系统，通过电机驱动压缩机和更高的燃烧室出口温度实现发动机性能的提升。近年来还有人提出将活塞机与涡轮机结合以提高发动机循环参数的方案。
综上所述，航空混动专用发动机的两大技术路线——航空活塞机与涡轮机均在围绕效率提升、环境适应性与排放控制等核心挑战展开系统性创新。围绕氢燃料的特性挑战在燃烧组织、材料兼容与储运安全等方面寻求突破，致力于实现零碳高效燃烧。两者均体现出多技术融合、系统集成与绿色低碳的发展趋势，未来仍需在燃烧稳定性、材料可靠性及经济性等方面进一步突破，以推动航空混动推进系统的成熟与应用。
3.5、系统能量管理技术
能量管理技术是决定混合动力航空系统动力、经济与安全性能的核心要素，其策略设计直接影响系统整体运行效率。当前该领域能量管理策略分为规则型、优化型与学习型三类，各类策略在控制复杂性、实时响应能力及优化效果上存在差异。
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JobyS2eVTOL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JobyAviation容错电源系统通过AI实现性能平稳下降。
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。
针对上述瓶颈，未来研究需围绕“技术优化-标准建设-系统集成”展开。
表7中汇总了当前各种不同策略的能量管理策略及代表研究案例。
4、结论
绿色低碳低空混电动力系统通过多能源和多动力融合，显著提升低空飞行器的航程、载荷与环境适应性，是低空经济发展的重要技术支撑。本文在分析典型低空混电动力系统构型及应用场景的基础上，对其关键技术的研究进展及存在的技术瓶颈进行了系统综述，主要结论如下：
（1）在混电动力系统构型方面，串联式混电系统更适用于eVTOL等分布式电推进低空飞行器，而并联式构型更适用作面向支线和干线飞机的大功率混电动力系统。在动力电池技术难以完全满足功重比等技术指标的情况下，混电驱动是最重要的技术路线。
（2）以涡轮机或活塞机与电驱相结合的油-电混动系统已获得广泛研究及演示飞行，是当前低空飞行器动力系统发展的重要方向，而燃料电池电-电混动系统利用其相较于纯电动力更长的续航及更强的载重能力，在无人机领域获得了应用，其中氢质子交换膜燃料电池是投入应用的主要类型。
（3）目前混动专用发动机、超导电机、动力电池及氢燃料电池等电驱动系统相关部件的性能是制约低空混电动力系统大规模应用的关键，其中兆瓦级高温超导电机技术、超500Wh/kg高能量密度动力电池技术以及高功重比氢燃料电池系统及机载液氢存储技术是关键瓶颈技术。
（4）低空飞行器相对复杂的飞行剖面以及混电动力系统多能源及多动力驱动装置的特点，使得高效能量管理至关重要，目前基于规则、动态规划和强化学习的系统能量管理研究均被广泛研究，而基于强化学习的能量管理、热管理、飞行管理的结合是未来智能管理的重要发展方向。
总体而言，面向低空飞行器的混电动力系统具备长航时、高效率、低噪音等诸多优势，是未来立体交通和推动国民经济发展的重要领域和新质生产力。在解决前述关键技术问题的基础上，还需要在安全管理、适航认证等方面加强政策支持与产业协同，推动研发技术从验证向规模化应用转化。
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