電動飛機技術的發展研究

摘要：電動飛機技術是一項跨時代的高新技術。它和電動汽車的發展軌跡一樣，改變了傳統的飛機設計思想，從飛機綠色環保、高效節能的理念出發，優化整個飛機的設計，極大地提高了飛機的可靠性、環保性、舒適性和維修性。電動飛機是未來飛機的發展方向。

關鍵詞：電動飛機;電力推進技術.集成電力電子技術;電力混合推進技術;高能量密度電池技術;電動飛機整體設計技術

中圖分類號：V272 文獻標識碼：A

DOI：10.19452/j.issn 1007-5453.2019.30.001

飛機的能源系統是為飛機的飛行和控制操縱提供能源的保障系統。根據其作用，飛機能源系統可分為一次能源系統和二次能源系統。飛機的發動機是飛機的主要能源系統，它把飛機燃油的化學能轉變成為飛機的推動力和飛機上需要控制操縱的二次能源的各種能量。因此，發動機是飛機的一次能源系統，是飛機能源系統核心[1～4]。

飛機的二次能源系統是飛機控制和操縱等功能的能源系統，它的能量主要由飛機發動機提供，即是一次能源來提供。傳統的二次能源主要有液壓能、氣壓能、電能和機械能，每種二次能源都包含獨立的能源產生、轉換、控制、保護、分配、傳輸和應用，各自形成了結構復雜而完整的系統。多種能源共存的現象會導致飛機的設計更為復雜，內部結構臃腫，發動機附件結構復雜，安裝空間緊張，檢測維護不便，而且液壓能和氣壓能容易出現泄漏等問題，造成飛機的故障率高和可靠性差，因而大大降低了飛機使用性能和可靠性[5～9]。

電力電子技術的不斷發展使得優化和改進飛機的傳統能源系統成為可能，同時產生了多電和全電飛機技術。該技術目前已廣泛應用于多種民用航空和軍用航空的飛機中，如波音787系列飛機、空客A380和A350系列飛機以及美國F-35戰斗機等。

近幾年，隨著對環境保護、安全飛行、客戶舒適和節能等更高的要求，以及電池技術的快速發展，人們逐漸對飛機一次能源系統進行革命。一是對現有發動機提高效率、降低燃油消耗，因而產生了飛機發動機的電力混合動力技術，使發動機燃油消耗大為降低，發動機效率大為提升;二是對現有發動機進行徹底革命，用電動力來推動飛機，產生了飛機的電力推進技術，即電動飛機技術。這種發展已經在國內外成為技術發展的熱點，各國都在加大本領域的力量開展研究開發[10，11]。電動飛機技術的發展過程如圖1所示。

從圖1可以看出，多電、全電到電動飛機技術是一個逐步發展的全過程，從多電到全電是飛機二次能源電能量逐漸增大的過程，到電力混合和電動飛機將是整個飛機技術的一次革命，是飛機的一次能源逐步用電能來實現的過程。

而電動飛機技術發展的核心是電力推進技術，電力推進技術的發展才能促進電動飛機技術的發展，即新能源飛機技術。

1 電力推進飛機技術

電力推進技術的進步非常迅速。飛機燃油的能量密度大約為12700kW·h/kg，而目前電池能量密度最大能夠達到500W·h/kg，兩者相差很大。但傳統燃油發動機效率較低，電池能量密度提高到一定程度時，未來就有可能取代傳統的發動機。而目前，要采用電力系統直接驅動大型飛機還有一定困難。因此，在電池能量密度沒有達到所需要的能量密度前，從傳統的發動機驅動到電力驅動有一個過渡方案，即電力混合動力推進技術方案[2]。

混合動力推進技術的發展如圖2所示。

相關研究資料顯示，即使是電力混合推進，一架單通道飛機所需的電池容量也是相當可觀的。美國國家航空航天局（NASA）燃氣一電混合推進項目的技術負責人謝麗爾·褒曼表示：“驅動一架巡航狀態的大型飛機需要至少1kW·h/kg的能量密度。”NASA和麻省理工學院聯合進行的電池研究結果顯示，在未來10～15年內會有不同的化學電池的組成可以達到1～1.5kW·h/kg的能量密度水平。

傳統燃氣渦輪航空發動機的總體效率為35%～50%，但混合動力電推進系統通過結合兩個或更多功率轉換器有可能會進一步提高發動機的效率，同時電力推進系統可以降低發動機的噪聲。混合動力技術通過將燃氣渦輪與電力技術相結合，采用了能量密集的液態燃料的燃氣渦輪，來實現新型飛機發動機的無噪聲、高效電力推進。

根據航空工業未來發展的推測，在2030年之后可能會出現新型混合動力分布式推進的支線飛機。預計屆時飛機的電力系統用電量需求將為10～20MW，該用電量要比傳統電力系統高出一個數量級。而且飛機的高性能高功重比的電機、長壽命高可靠高能量密度銼電池、新型超導材料、網絡以及安靜的螺旋槳設計都是這一技術下的核心關鍵技術[4]。未來混合動力系統發展如圖3所示。

電力電子技術和電池技術的進步推動了電力推進技術的快速發展，特別是電動汽車技術的飛速發展，使得電動汽車的高功重比高性能電動機推進技術、電力電子集成系統技術、高能量密度長壽命電池技術和電動汽車整體系統設計技術已經成熟，這為電動飛機技術的發展奠定了堅實的基礎。

近來，歐洲和美國在電動飛機技術上投入了大量研發力量，爭取在未來能夠取得實質性的突破。我國在電動飛機技術的發展道路上也在快速前進，特別是一些機制靈活的創新型企業，都在加大力度開展研發的投入，準備占領這項新技術制高點[6]。

相關的電動飛機研究表明：電力驅動飛機使得飛機的機動性和實用性更強、飛機電力系統的故障模式更為清晰，它降低了飛機系統的導線重量（質量）、提供了系統效率、減少了全生命周期成本和飛機排放和噪聲，使得飛機派遣率更為有效[9]。電力推進的電動飛機技術是世界航空工業發展方向之一，未來更智能、更互聯的電動飛機電力推進系統關系如圖4所示，圖4說明了使用新型技術電力推進電動飛機的整機屬性。

飛機燃料成本和環境壓力直接推動了飛機電力推進技術的發展，電力電子技術和電池技術的進步也使電力推進技術成為可能。電力系統的另一個優點是可以通過系統健康管理來簡化飛機維護系統[1]]。

電力推進技術是一個逐步發展過程，先從小功率、中功率在到大功率，未來隨著軍用飛機武器技術的發展，電力推進技術會有更大的用途。電力推進系統小、中和大功率的發展路徑如圖5所示。

從前面的討論可以得出如下結論，電力推進技術是電動飛機的核心，它決定了電動飛機技術的發展，是電動飛機發展的關鍵。

2 電動飛機的關鍵技術

電動飛機技術也和電動汽車技術發展一樣，經歷了一個漫長的發展過程，其核心技術可以總結為4項：高效高功重比電機推進技術、高能量密度長壽命的電池技術、集成電力電子控制技術和電動飛機整體設計技術[2]。為了能夠清晰地描述我國電動飛機技術的發展，根據電動汽車技術的發展制定了電動飛機發展路線圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，不同的顏色代表不同的發展階段，電動飛機技術要取得突破，還需要在基礎研究方面進行努力，這樣才有可能實現技術突破。下面就4項關鍵技術進行逐一詳細分析。

2.1 高效高功重比電機推進技術

電力推進技術具有明顯的優勢，即可以實現未來飛機的零排放目標又可以應對不斷上漲的燃油成本。電力推進系統通過電能驅動電力推進器使飛機獲得推力、飛機運行不再完全依賴燃油，因而減少或消除了常規推進系統所產生的污染排放（即氮氧化合物、一氧化氮、煤煙以及未燃碳氫化合物）。

電力推進系統推進電機是電動飛機的關鍵，其功重比直接決定電動飛機的性能，目前應用的電機主要有永磁電機和交流異步電機等。根據推進電機的種類、額定轉速和冷卻方式的不同，電機的功重比也有很大的差別。目前在理想的電機轉速和冷卻方式的情況下，電機的最大功重比通常小于20kW/kg。在電動飛機中，要想繼續增加電機的功重比，就需要在推進電機的熱設計、磁性能設計、結構冷卻設計等方面要有技術創新，這樣才能提升推進電機功重比。通過研究發現，有許多種拓撲都能提升推進電機的效率和功重比，需要研究確定究竟哪種才是最佳推進電機拓撲。要想推進電機的功重比有數量級的提升，只有顛覆性的技術創新才可能實現，于是出現了超導電機技術。超導電機技術可以提供推進電機最大的功重比，同時，這項技術的風險也是巨大的。不過超導電機技術的應用領域依然在繼續探索和研究中，并將在未來應用于電動飛機中，以實現人類“電動航空”的夢想[3]。高效高功重比電機推進實物圖如圖7所示。

2.2 長壽命高能量密度的電池技術

電池技術的快速發展促進了電動飛機技術的發展，電池的儲存能量的能量密度越來越大，特別是電動汽車技術的發展，使電池的儲能密度每年都有一個快速的提升。能量儲存有許多種形式，如燃油儲存著化學能量，其他能量儲存的方式還包括液態空氣、燃料電池、壓縮H₂和液態H₂、超級電容器和機械飛輪等。上述能源儲存方式有些雖然和電池的能量密度相當或者超過電池，但要應用于飛機上還必須依賴于發動機的功重比（kW/kg），有些能源儲存方式應用于飛機上時，需要強大的隔離系統或熱管路系統，整體對飛機來說不占優勢，因此無法應用于飛機飛行。

目前在電動航空上面臨的最大挑戰是電池和電動系統的儲存能量密度和動力系統的功重比要達到基于燃油的動力系統的水平，這樣才能使電動飛機真正走入人們的生活。同時，要注意燃油飛行器中燃油燃燒與空氣中大量的氧氣結合，從而使飛機的重量不斷減少，而在電動飛機中，飛機重量不會減少，因此，需要在飛機設計中考慮上述因素。

電動飛機中電力推進系統的效率要比燃油發動機的效率高2-3倍;電力推進系統功重比（kW/kg）要比燃油發動機的功重比（kW/kg）高出許多，但電池的能量密度比燃油的能量密度低，就整體而言，電動飛機目前還沒有達到燃油飛機的水平[5]。

采用全新構型和任務剖面的電力混合推進動力架構的飛機是最有可能率先實現成功應用的飛機。預計采用電力混合推進系統的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到800W·h/kg以上，而全采用電力推進的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到1800W·h/kg以上。電池技術要大量應用于航空，還必須證明該技術的安全性能和基礎設施的要求。但按照目前電池技術發展的速度來看，預計未來電動飛機的前途將十分光明。

有一種儲能器件超級電容器很有特點，某國外超級電容器如圖8所示。圖8可以看出超級電容器的結構。該超級電容器能量密度達到銼電池的100倍，能在幾秒鐘內充放電，很適合峰值功率瞬時釋放;100萬次充放電能力、穩定范圍寬和無可燃材料的特點很適合于飛機;其能量密度接近鉛酸電池，與銼電池相比還有不足，可以在混合動力系統中應用。

銼電池和燃料電池未來將會在電動飛機中大量使用，某型銼電池如圖9所示。銼電池和燃料電池的特點是能量儲存密度大、電池電量高、安全可靠、壽命長、適應性強、智能性強、續航持久和充電便捷。這些特點決定了它們未來廣闊的應用前景[7]。

2.3 集成的電力電子控制技術

電動飛機技術的發展主線就是電力電子技術，正是由于電力電子技術的進步才使多電、全電和電動飛機發展成為可能。對一架飛機來說，其本身就是一個獨立電網絡系統，要使它高效、安全和穩定運行還需要做大量的研究工作。因此，集成電力電子控制技術非常重要。它同樣是電動飛機的核心技術。

對電動飛機而言，飛機電力系統功率密度非常重要，系統效率更高就需要功率轉換器的功率密度更大。采用常規空氣冷卻的功率轉換器通常其功率密度被限制在20kW/L，但在電動航空領域，為了滿足推進電機驅動需求，未來理想目標功率密度是50kW/L。為了滿足需求，需要對許多新興技術進行不斷的研究與開發，同時還需要不斷研究并開發新材料、變換器新設計、變換器新拓撲、新的制造技術以及功率半導體器件新封裝方法。這些基礎技術將對電力電子系統的設計和制造產生顯著的影響。

碳化硅高溫電力電子技術是未來實現電力系統高功率密度變換器的關鍵。碳化硅功率半導體器件及其封裝是一個全新技術，它與新興功率轉換器拓撲共同結合使用，能夠實現變換器達到更高的功率密度，而不會降低功率變換器的性能。目前已經掌握許多新技術，如用無線傳感器通過微型計算機進行推進電機的轉速控制技術等，這些技術的進一步研究還可以更大地提升電力電子系統的功率密度[8]。

飛機上的電力電子非線性負載非常多，會在電網絡產生許多諧波和噪聲，造成電網絡的不穩定和效率的降低，因此，電動飛機獨立電網絡穩定運行非常重要，飛機魯棒性電網絡如圖10所示。

魯棒性電網絡也是電力電子集成控制的關鍵，能夠按需要提供飛機可靠功率的能力，可滿足飛機峰值的功率需求并管理再生的負荷，同時為飛機的關鍵系統提供高可靠的功率。對一架大型飛機來說，飛機電力電子設備非常多，布線也非常復雜，電力系統的集成和控制就顯得非常關鍵[9]。

2.4 電動飛機的整體設計技術

電動飛機的整體設計技術也是電動飛機的關鍵，能否把電力系統很好地融入飛機設計中，關系到整個飛機的性能和飛機使用壽命，一架好的飛機不但要有好的動力、外形、結構等系統，更重要的是整個飛機所有系統的協調設計，就像我們人一樣，人身體的各個部分都要健康，才能使我們擁有健康的生活。只有飛機整體協調設計，才能制造出一架性能優良客戶滿意的飛機[1]]。

電動飛機各個系統協調設計，不同的公司都對電動飛機發展做出了貢獻，整體飛機的設計協調統一。

3 電動飛機技術未來技術展望

未來隨著人們對環境保護意識的提升、對清潔藍天的渴望和新鮮的空氣需求，電動飛機一定會迎來更廣闊的發展空間[1]。

未來的電動飛機技術將有先進的電力系統架構、更高的使用電壓、耐高溫的電力電子器件、系統具有智能化和魯棒性、更高能量密度的電池和更集成的電力電子控制技[9，10]。電動飛機的仿真技術的發展也非常重要，基于模型的系統工程應用到電動飛機技術的各個領域，在計算機上實現電動飛機飛行。電動飛機技術涉及到多個學科，是一項跨學科間的新型技術，它可以應用于國民經濟的許多領域，具有劃時代的重要意義。

4 結論

電動飛機技術是未來工業的發展方向，是一種新型清潔能源的飛機技術，實現了高能量密度能量儲存、高功重比高效的功率變換和高度集成的電力電子控制。它以電力電子技術技術發展為主線，在飛機智能化和網絡化應用中起到了推動作用。它降低了飛機的運行成本、飛行噪聲和污染排放，為未來實現航空工業高效、安靜和無污染排放的綠色航空目標奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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