碳化硅也要上天！飛機的電氣化進展，從混合動力開始

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）在汽車電氣化的發展中，碳化硅的應用已經成為行業共識，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。在系統設計中可以簡化散熱系統，降低熱預算，同時減小電容電感體積，從而降低系統綜合成本。

當然不止電動汽車，在大功率應用中SiC能夠發揮的空間很大，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合作協議，合作內容將會集中在開發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？空客發展混合動力

空客在官方有介紹到公司的電氣化發展，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。

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，賽峰集團提供了緊湊型的機載100kW渦輪發電機（由燃氣輪機驅動），這一套系統共同為機翼上的6個智能電機供電。

當然，在飛機前端，還是有一臺由傳統渦輪發動機驅動主螺旋槳。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，將會主要由傳統渦輪發動機驅動，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。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高壓電池系統來看，由于在高壓系統中碳化硅相比硅的優勢更大，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，渦軸發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化，可以降低旋翼機10%-15%的碳排放量；渦輪發動機的熱力循環改進，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。

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和先進的健康監控系統。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，配合電池系統可以在2分鐘內持續提供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電池系統電壓降低至28V，為直升機內的電動設備以及發動機等提供所需電力。

電動飛機發展如何了？

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發展，2017年起，全球大量電動飛機研發項目開始上馬，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，羅羅公司推出的創新精神號全電動飛機，由6000個電池組成的電池系統，飛行速度超過550km/h； 2022年9月，Eviation的純電飛機也成功首飛；隨后包括渦輪發電機、電池系統等電動飛機的幾大核心部件，都有不同程度的進展，電動飛機的產業鏈進入快速發展期。

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年開始踏入商業化進程，到2030年實現規?；瘧?，在載人、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展方向，但核心依然是電池技術的發展。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。