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碳化硅也要上天!飛機的電氣化進展,從混合動力開始

Hobby觀察 ? 來源:電子發(fā)燒友網 ? 作者:梁浩斌 ? 2023-07-01 00:13 ? 次閱讀

電子發(fā)燒友網報道(文/梁浩斌)在汽車電氣化的發(fā)展中,碳化硅的應用已經成為行業(yè)共識,采用碳化硅二極管以及開關管組成的功率模塊相比硅基模塊,在應用中能夠縮小模塊體積50%以上、消減電子轉換損耗80%以上。在系統(tǒng)設計中可以簡化散熱系統(tǒng),降低熱預算,同時減小電容電感體積,從而降低系統(tǒng)綜合成本。

當然不止電動汽車,在大功率應用中SiC能夠發(fā)揮的空間很大,其中甚至還包括飛機。最近空客與ST簽署了一項電力電子研發(fā)合作協(xié)議,合作內容將會集中在開發(fā)適用于空客的航天航空應用的SiC和GaN器件、封裝和模塊。具體來說,就是將會在航天航空應用的電動機控制單元、高低壓電源轉換器、無線電力傳輸系統(tǒng)等方面對SiC和GaN器件進行測試評估。

飛機也要電氣化?空客發(fā)展混合動力

空客在官方有介紹到公司的電氣化發(fā)展,空客表示,混合動力可以減少飛機5%的二氧化碳排放量,而對于直升機來說,因為通常比固定翼飛機更輕,所以甚至可以減少10%的二氧化碳排放。

就在6月28日,空客與達赫集團(Daher)、賽峰集團聯合開發(fā)的分布式混合動力推進飛機驗證機EcoPulse,在巴黎航展上首次進行了公開亮相。據官方消息,在通過首次地面測試之后,EcoPulse將會在今年晚些時候以混電推進的形式進行首飛。

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來源:空客官網

具體來說,EcoPulse上采用了分布式的動力架構,即一個獨立的電源可以為分布在飛機上的多臺電機提供動力,空客提供了集成800V高壓的電池系統(tǒng),賽峰集團提供了緊湊型的機載100kW渦輪發(fā)電機(由燃氣輪機驅動),這一套系統(tǒng)共同為機翼上的6個智能電機供電

當然,在飛機前端,還是有一臺由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機驅動主螺旋槳。自今年以來,作為這款飛機的制造商,達赫集團已經在法國進行了試飛,主要是測試空氣動力學、額外增加的重量等對飛機平臺的影響。而在測試過程中,將會主要由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機驅動,逐步從2個、4個、6個增加電動螺旋槳的使用。

EcoPulse上分布式電力推進架構的核心是配電和整流器單元,負責保護高壓網絡和分配可用電力,以及高壓電源線束,這兩項則是由賽峰集團開發(fā)。盡管官方資料中沒有提到碳化硅在EcoPulse上的應用,不過由空客提供的800V高壓電池系統(tǒng)來看,由于在高壓系統(tǒng)中碳化硅相比硅的優(yōu)勢更大,所以采用碳化硅器件的概率較高。

在今年1月,空客DisruptiveLab項目的高效混合動力直升機驗證機也進行了首飛,這款直升機采用空客H130改裝,采用了并聯混合動力的推進系統(tǒng),渦軸發(fā)動機在飛行中的同時也為電池充電。

在H130的基礎上,DisruptiveLab新架構采用空氣動力學鋁和復合材料機身,專門設計用于減少阻力,從而降低油耗。旋翼以更緊湊的方式集成到槳轂中,從而減少阻力,同時降低可感知的噪音水平,其較輕的后機身采用流線型 Fenestron尾槳,有助于提高性能。

按照空客的說法,他們計劃降低旋翼機50%的碳排放。首先通過空氣動力學和重量的優(yōu)化,可以降低旋翼機10%-15%的碳排放量;渦輪發(fā)動機的熱力循環(huán)改進,又可以減少15%-25%的碳排放;最后10%是來自新的混合動力電動系統(tǒng)。

此前空客自2020年一直使用平臺測試輕型直升機的電氣備份系統(tǒng)和先進的健康監(jiān)控系統(tǒng)。2021年的版本中,H130改裝的Flightlab平臺配備了一臺連接到主變速箱的100kW電機,這臺電機可以在渦軸發(fā)動機出現故障時提供30秒左右的動力,即作為安全備份動力的存在,可以為飛行員提供額外的反應時間,或者在起飛和降落階段提供更穩(wěn)定的控制。

去年年底,Flightlab平臺H130機型通過了小電池搭載運行測試,設計運行時間為2分鐘。當時根據官方介紹,Flightlab平臺系統(tǒng)主要包括電機、電池、逆變器和控制臺。其中電機驅動中的逆變器采用了碳化硅技術,將直流電轉換為三相交流電的同時,配合電池系統(tǒng)可以在2分鐘內持續(xù)提供150kW的功率。

另外在Flightlab平臺上的DC-DC也采用了碳化硅,這款逆變器將500V電池系統(tǒng)電壓降低至28V,為直升機內的電動設備以及發(fā)動機等提供所需電力。

電動飛機發(fā)展如何了?

如果提到電動飛機,可能更多人的印象會是多旋翼的“飛行汽車”,比如最近廣汽發(fā)布的飛行汽車GOVE、小鵬匯天最新的X2等等。不過純電動的固定翼飛機其實也早有試驗性的機型推出,早在1957年,就有使用永磁電動機和銀鋅電池驅動的飛機出現,但一直處于試驗性質的存在。

而隨著電動汽車的需求,以及動力電池的持續(xù)發(fā)展,2017年起,全球大量電動飛機研發(fā)項目開始上馬,大多的目標是通用航空和空中出租車等用途。

由于動力系統(tǒng)的變化,電動飛機的構型的多種多樣,比如矢量推力(通過推進器方向變化等提供升力和推力)、單人飛行設備(飛行滑板、飛行摩托等)、升力+推進復合(上升和推進采用兩套獨立的裝置)、多旋翼、電動直升機、電動非垂直起降固定翼飛機等。

2021年,羅羅公司推出的創(chuàng)新精神號全電動飛機,由6000個電池組成的電池系統(tǒng),飛行速度超過550km/h; 2022年9月,Eviation的純電飛機也成功首飛;隨后包括渦輪發(fā)電機、電池系統(tǒng)等電動飛機的幾大核心部件,都有不同程度的進展,電動飛機的產業(yè)鏈進入快速發(fā)展期。

當然,動力方面,比如賽峰和空客等公司,也在推進混合動力的使用,畢竟電池的能量密度未取得突破,對于飛機這種長距離交通工具而言明顯滿足不了需求。按照賽峰的路線圖,公司預計會在2040年實現100%純電推進的飛機。

不過目前來看電動航空器仍未實現大規(guī)模商用化,多家機構認為,電動航空最早會在2025年開始踏入商業(yè)化進程,到2030年實現規(guī)?;瘧茫谳d人、物流等多種應用場景中廣泛使用。摩根史坦利的報告顯示,到2040年電動垂直起降航空器的市場總體規(guī)模有望達到1.5萬億美元。

寫在最后

電氣化確實是當今交通工具的共同發(fā)展方向,但核心依然是電池技術的發(fā)展。對于飛機而言,電池的能量密度、安全則更為重要,航空標準相比于汽車標準明顯要高得多,可以預見短期內,電動飛機還不會在市場中成為主流。

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