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中国航空研究院发布:2021电动飞行汽车发展白皮书
来源:尖兵之翼 | 作者:高博特 | 发布时间: 2021-10-20 | 8848 次浏览 | 分享到:
聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等重点领域关键技术发展......

电推进技术通过高功率密度电动机带动,为飞车提供部分或全部飞行推力,有效解决传统飞车推进系统带来的噪声和污染排放问题。

 图2 高效高功重比电推进技术发展路线图

▍永磁同步电机

与其他电机相比,永磁同步电机(无刷直流电机)具有高效率、高功重比、高可靠性等优点,成为电动飞车电机的首选。

永磁同步电机研究包括以下内容:高温高速电机、电机电磁场-温度场-流场-应力场多场耦合设计方法、余度/容错控制等。

▍超导电机

超导电机是采用超导体代替常规导电材料来实现电磁能与机械能之间能量转换的装置。具有体积小、效率高、重量轻、同步电抗小等特点,在相同重量和相同能量输入下,可产生远高于普通电机的扭矩,在电动飞车的应用方面具有极高潜力,将会成为代替燃油喷气发动机的新型飞行动力装置的关键部件。

目前研究的超导电机绝大部分为半超导电机,全超导电机是未来超导电机的重要发展方向。超导电机研究包括电机拓扑结构、超导体载流能力、超导永磁体技术、超导交流绕组绕制技术、电机的强度/可靠性/寿命试验等。

▍电机驱动控制器

电机驱动控制器是保证永磁同步电机和超导电机高效可靠运行的必要设备,主要由控制模块和驱动模块两部分组成,控制电机速度、角度和方向。电动飞车电推进系统对电机驱动控制器提出了大功率、高效率、高可靠性和高功重比的要求。

采用新一代碳化硅和氮化镓功率器件的电机驱动控制器是未来的发展方向,主要研究内容包括:高低温极限环境下宽禁带功率器件动态特性变化机理,高温高频下电机损耗变化规律及其内在机理,多电平模块化拓扑结构以及余度/容错驱动控制,基于相变材料驱动器散热等。

▍低噪高效螺旋桨技术

低噪高效螺旋桨是分布式电推进飞车重要动力部件,可在同等输出功率下提高飞车气动性能、降低噪声。主要研究内容包括:先进螺旋桨专用翼型研究、高效率螺旋桨桨叶气动布局设计技术、螺旋桨气动/噪声机理及数值仿真方法、三维桨叶参数化建模与气动/噪声一体化设计与优化技术等。

3、能量综合管理技术

由于将电能作为电动飞车的一次能源,飞车电网容量迅速提升、负载特性日趋复杂,对配电系统的性能提出了更高的要求;电动飞车的电力电子设备、用电设备的热管理问题更加突出,为此需要在能量综合管理方面开展以下研究(见图3)。

▍电网架构

飞车电网架构包含供电体制、配电系统及拓扑结构、配电容错及保护,是影响飞车安全性、可靠性、系统质量、效率的关键因素。同时,电动飞车电力系统面临的多种约束条件(如重量、体积、飞车推进系统工况变化等)是配电系统设计的重要影响因素,需要采用多目标优化思路,满足电动飞车系统要求。

▍电力电子技术

 图3 能量综合管理技术发展路线图

电力电子技术是飞车电能传递、变换、控制的基础,电动飞车的电力系统包含大量整流器、逆变器及控制器件等。电力电子器件的功率密度、效率等指标决定了电力系统的性能,对飞车的安全性、可靠性具有重要影响。

在高压、高功率、高效率电力电子器件方面,主要开展如下研究:电力电子设备拓扑设计技术,功率转换技术,基于碳化硅、氮化镓等新型材料的高功率、耐高温功率器件(如固态功率控制器、超导故障限流器),模块封装设计等。

▍热管理技术

热管理技术用于飞车各部件及系统散热、冷却,是保障电动飞车各部件及系统(特别是电动机、电力电子设备)正常、高效工作的必要条件。此外,超导电机需要低温环境以维持超导状态,采用热管理技术能够保障超导系统的隔热能力,避免外部热量影响超导低温环境。

▍能量智能管理

飞车系统日益复杂且高度耦合,采用传统的各系统独立能量管理方式无法实现飞车能量的高效利用。能量智能管理从飞车整体层面研究能量综合优化设计和控制管理,可有效提高能量利用效率。

4、能源系统技术

能源系统是电动飞车的供能组件,其性能从根本上决定了飞车的续航时间、航程以及运营成本。随着锂电、燃料电池和超级电容等新型能源,以及超导发电和超导电机技术的进步,电推进技术将逐步应用于通用飞车、通勤飞车、干支线飞车。长寿命高可靠的能源系统具有更稳定的供电能力、更低的维修和更换频率,能有效提高电动飞车的使用率。

纯电力能源系统仅由电池为飞车动力和机载系统提供能量。

混合电力能源系统由燃油和电池共同为飞车动力和机载系统提供能量。

5、措施与建议 

在国家层面制定电动飞车发展战略,规划发展路线。电动飞车的设计思想和设计理念不同于传统飞机,其技术研发投入大、风险高。建议成立电动航空委员会,统筹国内优势资源,启动我国电动飞车发展战略与规划研究,组织相关单位研究制定我国电动飞车发展路线,引导电动飞车健康、快速、有序发展

从国家层面高度重视电动飞车发展,加大投入力度。电动飞车具有广阔的市场潜力,欧美都在积极发展电动飞车技术、抢占市场。电动飞车是我国实现与世界航空强国并驾齐驱的重要领域,建议高度重视、提早布局,制订电动飞车专项研究计划,加大研发投入力度,推动我国电动飞车产业快速发展。

加强电动飞车标准规范和适航能力建设。建立以市场为导向、以企业为主体的开放式电动飞车标准规范体系,着力解决电动飞车的核心标准和基础标准问题;突破适航审定和验证关键技术,提高电动飞车适航审定和验证能力。