碳化硅也要上天！飞机的电气化进展，从混合动力开始

来源:电子发烧友网发布时间:2023-07-011637浏览

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在汽车电气化的发展中，碳化硅的应用已经成为行业共识，采用碳化硅二极管以及开关管组成的功率模块相比硅基模块，在应用中能够缩小模块体积50%以上、消减电子转换损耗80%以上。在系统设计中可以简化散热系统，降低热预算，同时减小电容电感体积，从而降低系统综合成本。当然不止电动汽车，在大功率应用中SiC能够发挥的空间很大，其中甚至还包括飞机。最近空客与ST签署了一项电力电子研发合作协议，合作内容将会集中在开发适用于空客的航天航空应用的SiC和GaN器件、封装和模块。具体来说，就是将会在航天航空应用的电动机控制单元、高低压电源转换器、无线电力传输系统等方面对SiC和GaN器件进行测试评估。

飞机也要电气化？空客发展混合动力

空客在官方有介绍到公司的电气化发展，空客表示，混合动力可以减少飞机5%的二氧化碳排放量，而对于直升机来说，因为通常比固定翼飞机更轻，所以甚至可以减少10%的二氧化碳排放。就在6月28日，空客与达赫集团（Daher）、赛峰集团联合开发的分布式混合动力推进飞机验证机EcoPulse，在巴黎航展上首次进行了公开亮相。据官方消息，在通过首次地面测试之后，EcoPulse将会在今年晚些时候以混电推进的形式进行首飞。

来源：空客官网具体来说，EcoPulse上采用了分布式的动力架构，即一个独立的电源可以为分布在飞机上的多台电机提供动力，空客提供了集成800V高压的电池系统，赛峰集团提供了紧凑型的机载100kW涡轮发电机（由燃气轮机驱动），这一套系统共同为机翼上的6个智能电机供电。当然，在飞机前端，还是有一台由传统涡轮发动机驱动主螺旋桨。自今年以来，作为这款飞机的制造商，达赫集团已经在法国进行了试飞，主要是测试空气动力学、额外增加的重量等对飞机平台的影响。而在测试过程中，将会主要由传统涡轮发动机驱动，逐步从2个、4个、6个增加电动螺旋桨的使用。EcoPulse上分布式电力推进架构的核心是配电和整流器单元，负责保护高压网络和分配可用电力，以及高压电源线束，这两项则是由赛峰集团开发。尽管官方资料中没有提到碳化硅在EcoPulse上的应用，不过由空客提供的800V高压电池系统来看，由于在高压系统中碳化硅相比硅的优势更大，所以采用碳化硅器件的概率较高。在今年1月，空客DisruptiveLab项目的高效混合动力直升机验证机也进行了首飞，这款直升机采用空客H130改装，采用了并联混合动力的推进系统，涡轴发动机在飞行中的同时也为电池充电。在H130的基础上，DisruptiveLab新架构采用空气动力学铝和复合材料机身，专门设计用于减少阻力，从而降低油耗。旋翼以更紧凑的方式集成到桨毂中，从而减少阻力，同时降低可感知的噪音水平，其较轻的后机身采用流线型 Fenestron尾桨，有助于提高性能。按照空客的说法，他们计划降低旋翼机50%的碳排放。首先通过空气动力学和重量的优化，可以降低旋翼机10%-15%的碳排放量；涡轮发动机的热力循环改进，又可以减少15%-25%的碳排放；最后10%是来自新的混合动力电动系统。此前空客自2020年一直使用平台测试轻型直升机的电气备份系统和先进的健康监控系统。2021年的版本中，H130改装的Flightlab平台配备了一台连接到主变速箱的100kW电机，这台电机可以在涡轴发动机出现故障时提供30秒左右的动力，即作为安全备份动力的存在，可以为飞行员提供额外的反应时间，或者在起飞和降落阶段提供更稳定的控制。去年年底，Flightlab平台H130机型通过了小电池搭载运行测试，设计运行时间为2分钟。当时根据官方介绍，Flightlab平台系统主要包括电机、电池、逆变器和控制台。其中电机驱动中的逆变器采用了碳化硅技术，将直流电转换为三相交流电的同时，配合电池系统可以在2分钟内持续提供150kW的功率。另外在Flightlab平台上的DC-DC也采用了碳化硅，这款逆变器将500V电池系统电压降低至28V，为直升机内的电动设备以及发动机等提供所需电力。

电动飞机发展如何了？

如果提到电动飞机，可能更多人的印象会是多旋翼的“飞行汽车”，比如最近广汽发布的飞行汽车GOVE、小鹏汇天最新的X2等等。不过纯电动的固定翼飞机其实也早有试验性的机型推出，早在1957年，就有使用永磁电动机和银锌电池驱动的飞机出现，但一直处于试验性质的存在。而随着电动汽车的需求，以及动力电池的持续发展，2017年起，全球大量电动飞机研发项目开始上马，大多的目标是通用航空和空中出租车等用途。由于动力系统的变化，电动飞机的构型的多种多样，比如矢量推力（通过推进器方向变化等提供升力和推力）、单人飞行设备（飞行滑板、飞行摩托等）、升力+推进复合（上升和推进采用两套独立的装置）、多旋翼、电动直升机、电动非垂直起降固定翼飞机等。2021年，罗罗公司推出的创新精神号全电动飞机，由6000个电池组成的电池系统，飞行速度超过550km/h；2022年9月，Eviation的纯电飞机也成功首飞；随后包括涡轮发电机、电池系统等电动飞机的几大核心部件，都有不同程度的进展，电动飞机的产业链进入快速发展期。当然，动力方面，比如赛峰和空客等公司，也在推进混合动力的使用，毕竟电池的能量密度未取得突破，对于飞机这种长距离交通工具而言明显满足不了需求。按照赛峰的路线图，公司预计会在2040年实现100%纯电推进的飞机。不过目前来看电动航空器仍未实现大规模商用化，多家机构认为，电动航空最早会在2025年开始踏入商业化进程，到2030年实现规模化应用，在载人、物流等多种应用场景中广泛使用。摩根史坦利的报告显示，到2040年电动垂直起降航空器的市场总体规模有望达到1.5万亿美元。