碳化硅也要上天！飛機(jī)的電氣化進(jìn)展，從混合動(dòng)力開始

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在汽車電氣化的發(fā)展中，碳化硅的應(yīng)用已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)，采用碳化硅二極管以及開關(guān)管組成的功率模塊相比硅基模塊，在應(yīng)用中能夠縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以簡化散熱系統(tǒng)，降低熱預(yù)算，同時(shí)減小電容電感體積，從而降低系統(tǒng)綜合成本。

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

飛機(jī)也要電氣化？空客發(fā)展混合動(dòng)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(dòng)力可以減少飛機(jī)5%的二氧化碳排放量，而對于直升機(jī)來說，因?yàn)橥ǔ１裙潭ㄒ盹w機(jī)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(dá)赫集團(tuán)（Daher）、賽峰集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)的分布式混合動(dòng)力推進(jìn)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)EcoPulse，在巴黎航展上首次進(jìn)行了公開亮相。據(jù)官方消息，在通過首次地面測試之后，EcoPulse將會(huì)在今年晚些時(shí)候以混電推進(jìn)的形式進(jìn)行首飛。

來源：空客官網(wǎng)

具體來說，EcoPulse上采用了分布式的動(dòng)力架構(gòu)，即一個(gè)獨(dú)立的電源可以為分布在飛機(jī)上的多臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，空客提供了集成800V高壓的電池系統(tǒng)，賽峰集團(tuán)提供了緊湊型的機(jī)載100kW渦輪發(fā)電機(jī)（由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)），這一套系統(tǒng)共同為機(jī)翼上的6個(gè)智能電機(jī)供電。

當(dāng)然，在飛機(jī)前端，還是有一臺(tái)由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主螺旋槳。自今年以來，作為這款飛機(jī)的制造商，達(dá)赫集團(tuán)已經(jīng)在法國進(jìn)行了試飛，主要是測試空氣動(dòng)力學(xué)、額外增加的重量等對飛機(jī)平臺(tái)的影響。而在測試過程中，將會(huì)主要由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，逐步從2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)增加電動(dòng)螺旋槳的使用。

EcoPulse上分布式電力推進(jìn)架構(gòu)的核心是配電和整流器單元，負(fù)責(zé)保護(hù)高壓網(wǎng)絡(luò)和分配可用電力，以及高壓電源線束，這兩項(xiàng)則是由賽峰集團(tuán)開發(fā)。盡管官方資料中沒有提到碳化硅在EcoPulse上的應(yīng)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(xiàng)目的高效混合動(dòng)力直升機(jī)驗(yàn)證機(jī)也進(jìn)行了首飛，這款直升機(jī)采用空客H130改裝，采用了并聯(lián)混合動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中的同時(shí)也為電池充電。

在H130的基礎(chǔ)上，DisruptiveLab新架構(gòu)采用空氣動(dòng)力學(xué)鋁和復(fù)合材料機(jī)身，專門設(shè)計(jì)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(shí)降低可感知的噪音水平，其較輕的后機(jī)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(jì)劃降低旋翼機(jī)50%的碳排放。首先通過空氣動(dòng)力學(xué)和重量的優(yōu)化，可以降低旋翼機(jī)10%-15%的碳排放量；渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)改進(jìn)，又可以減少15%-25%的碳排放；最后10%是來自新的混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)。

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

去年年底，F(xiàn)lightlab平臺(tái)H130機(jī)型通過了小電池搭載運(yùn)行測試，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為2分鐘。當(dāng)時(shí)根據(jù)官方介紹，F(xiàn)lightlab平臺(tái)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、電池、逆變器和控制臺(tái)。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的逆變器采用了碳化硅技術(shù)，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電的同時(shí)，配合電池系統(tǒng)可以在2分鐘內(nèi)持續(xù)提供150kW的功率。

另外在Flightlab平臺(tái)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(jī)內(nèi)的電動(dòng)設(shè)備以及發(fā)動(dòng)機(jī)等提供所需電力。

電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展如何了？

如果提到電動(dòng)飛機(jī)，可能更多人的印象會(huì)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(dòng)的固定翼飛機(jī)其實(shí)也早有試驗(yàn)性的機(jī)型推出，早在1957年，就有使用永磁電動(dòng)機(jī)和銀鋅電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)出現(xiàn)，但一直處于試驗(yàn)性質(zhì)的存在。

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

由于動(dòng)力系統(tǒng)的變化，電動(dòng)飛機(jī)的構(gòu)型的多種多樣，比如矢量推力（通過推進(jìn)器方向變化等提供升力和推力）、單人飛行設(shè)備（飛行滑板、飛行摩托等）、升力+推進(jìn)復(fù)合（上升和推進(jìn)采用兩套獨(dú)立的裝置）、多旋翼、電動(dòng)直升機(jī)、電動(dòng)非垂直起降固定翼飛機(jī)等。

2021年，羅羅公司推出的創(chuàng)新精神號(hào)全電動(dòng)飛機(jī)，由6000個(gè)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(jī)也成功首飛；隨后包括渦輪發(fā)電機(jī)、電池系統(tǒng)等電動(dòng)飛機(jī)的幾大核心部件，都有不同程度的進(jìn)展，電動(dòng)飛機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入快速發(fā)展期。

當(dāng)然，動(dòng)力方面，比如賽峰和空客等公司，也在推進(jìn)混合動(dòng)力的使用，畢竟電池的能量密度未取得突破，對于飛機(jī)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(yù)計(jì)會(huì)在2040年實(shí)現(xiàn)100%純電推進(jìn)的飛機(jī)。

不過目前來看電動(dòng)航空器仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用化，多家機(jī)構(gòu)認(rèn)為，電動(dòng)航空最早會(huì)在2025年開始踏入商業(yè)化進(jìn)程，到2030年實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，在載人、物流等多種應(yīng)用場景中廣泛使用。摩根史坦利的報(bào)告顯示，到2040年電動(dòng)垂直起降航空器的市場總體規(guī)模有望達(dá)到1.5萬億美元。

寫在最后

電氣化確實(shí)是當(dāng)今交通工具的共同發(fā)展方向，但核心依然是電池技術(shù)的發(fā)展。對于飛機(jī)而言，電池的能量密度、安全則更為重要，航空標(biāo)準(zhǔn)相比于汽車標(biāo)準(zhǔn)明顯要高得多，可以預(yù)見短期內(nèi)，電動(dòng)飛機(jī)還不會(huì)在市場中成為主流。