摘要：本文由宁波诺丁汉大学的Giampaolo Buticchi教授、诺丁汉大学的Patrick Wheeler教授和弗吉尼亚理工大学的Dushan Boroyevich教授联合撰写，探讨了多电飞机在减少污染、降低维护成本并提升飞行经济性方面的应用。文中介绍了多种电

本文转自：Proceedings of the IEEE, Vol. 111, no. 4, pp. 356-370, April 2023

作者：G. Buticchi, P. Wheeler and D. Boroyevich

本文由宁波诺丁汉大学的Giampaolo Buticchi教授、诺丁汉大学的Patrick Wheeler教授和弗吉尼亚理工大学的Dushan Boroyevich教授联合撰写，探讨了多电飞机在减少污染、降低维护成本并提升飞行经济性方面的应用。文中介绍了多种电气化模式，包括多电飞机、混合电动飞机和全电动飞机。随后，文章讨论了这一过程中需要用到的关键电力电子和电机技术，详细讨论了这些技术如何克服现有系统的局限，并列举了多个案例研究，展示了不同电气化框架在实际应用中的效果。通过全面概述多电飞机的最新进展，本文为实现更加智能、高效和环保的航空运输提供了新的思路和方法。

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引言

航空运输是现代全球化的重要推动力，也是邮件和货物运输的关键。根据EUROSTAT的数据显示，每年航空旅行的乘客数量都在稳步增长。因此，飞机的可靠性和效率至关重要。在全球范围内，航空市场仍在扩大，每年有超过2000架飞机售出。在2016年，飞机销售的总收入超过了200亿美元。在这一市场中，波音787飞机配备了1450kVA的发电机（如图1所示），提供了相当可观的电力供应。

图1：多电飞机历史

在传统飞机中，燃料燃烧不仅用于产生推进动力，还支持机上系统的运行，其中齿轮箱驱动的中央液压泵为作动系统提供动力（见图2）。虽然液压作动器因高功率密度控制而具优势，但其管道设备容易出现泄漏，导致液压作动故障及腐蚀性液体泄漏，影响系统可靠性。

图2：传统飞机的子系统

为了减轻飞机重量、降低燃油消耗并提高可靠性，提出了多电飞机（MEA）的概念，即提高飞机系统的电气化程度。事实上，早在30年前就有人提出移除飞机液压系统的想法。然而，直到最近，随着技术的进步以及对新型飞机投资的增加，这一话题才成为焦点。其核心思路是用机电作动器替代液压作动器，从而取消液压分配系统。为此，需要产生并分配电力以供这些作动器使用。

在此基础上，可以将多电飞机从简单的子系统电气化逐步扩展到推进系统电气化，可分为以下几个多电飞机程度类别：

图3所示的路线图概述了针对不同飞机类别预期的功率/电压水平。短期内，小型电动飞机可能会推动AEA的发展。而对于搭载100-200名乘客的HEA，则需要改用兆瓦级电机，至于采用分布式推进的大型飞机，则预计需要10MW级别的电机。

图3：下一代飞机的电源需求

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多电飞机的概念

多电飞机（MEA）旨在通过电气化飞机的子系统来提升整体效率和性能。其一种主要方式是将作动系统电气化。这样可以直接去除液压分配系统。然而，这只是多电飞机系统中的一个部分。理想的多电飞机需要将所有非推进系统电气化，以提高总体效率，如图4所示。

图4：多电飞机的子系统

在传统飞机中，一些附属系统，例如机舱增压系统和机翼防冰系统都需要从主发动机获取能源。这种方式的缺点是会影响主发动机的效率。为解决这个问题，可以用电力驱动的压缩机来代替。然而，这种改进也需要在飞机上增加更多的电力电子系统，以满足新增的电力需求。因此，虽然使所有子系统全面电气化是多电飞机的最终目标，但实现这个目标仍有挑战。需要找到高效地产生、分配和使用电力的方法。

在多电飞机技术的发展过程中，最初的发电解决方案是通过齿轮箱将发电机连接到主发动机以产生恒频三相电源。然而，由于齿轮箱仅适用于低功率应用场景，这种方法很快被放弃，配电系统转向了三相变频模式。新模式的引入使配电系统变得更为紧凑，同时为同步发电机在多电飞机中的广泛应用奠定了基础。即使主发动机的转速发生变化，通过控制同步电机的励磁也可以保持电压幅值的稳定。随着技术日益发展，民用航空开始考虑使用直流系统，这是在军用飞机上已经实践过的方法。直流系统的采用可以减少电源转换过程，进一步促进电力电子设备的广泛应用。

先进的电力分配系统（EPDS）能够显著提升飞机的效率和安全性，其运作原理类似于地面的发电、传输和配电系统。采用更高电压进行电力传输可以大幅减轻电缆重量。然而，负载常常在较低电压下运行，这导致了大多数配电系统采用了混合交流（AC）的EPDS和被动整流器，以生成所需的直流电压等级。尽管这种解决方案被广泛使用，仍面临诸多挑战需解决：

图5呈现了一个现代电力分配系统的范例。在这个系统中，每台主发动机分别驱动两台发电机，每台发电机都产生一个和主发动机同频率的三相电源。电力电子装置控制同步发电机的励磁，以确保电压幅度不因机械频率的变化而受到影响。这样就构建了四条独立的高压变频恒幅母线。泵、防冰系统等负载分别连接到不同的母线上。交流母线的一个关键特点是它们相互隔离，即使某一条电源因物理原因出现故障，其他电源也不会受到影响。

为了生成直流子系统，使用了由变压器和二极管桥式整流器组成的变压整流器单元（TRUs）。整流之后，可以添加额外的DC-DC变换器，以提供受控的直流输出电压。出于安全考虑，生成的直流轨必须进行电气隔离。此外，系统中还设有一个通常保持断开的开关矩阵。在发电机故障的情况下，这个开关矩阵可以用来将交流母线连接在一起，以确保不间断电源供应。需要特别注意的是，连接不同的交流母线被视作一种紧急程序，开关在正常情况下是断开的。

图5：多电飞机的电力分配系统

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纯电力推进飞机的概念

从多电飞机转向混合电动飞机（HEA）或全电动飞机（AEA）意味着要将推进系统电气化。在这种转变中，虽然多电飞机（MEA）面临的约束依然存在，但出现了两个重要区别：

这些变化对电气系统设计带来了显著影响：首先，由于电力推进的引入，电动机预计将采用全尺寸的电力电子设备。因此，同步电机可通过有限电力电子设备为为负载供电的优势被冲淡了，其他电机类型因此而变得更具吸引力。其次，鉴于电压源变换器技术的成熟，选择直流配电来为变换器的直流链路供电越来越具有可行性。

这些趋势在E-FanX项目中得到验证，该项目设想使用兆瓦级电机、大型电力电子设备和千伏级直流配电系统。同时，一些研究团队已经探讨了在混合电动飞机中采用永磁电机的可能性，并成功开发出了兆瓦级别的演示样机。然而，关于电机的最佳拓扑结构的讨论仍在继续。永磁体在高温下存在退磁问题，引发了对其他类型电机（如开关磁阻电机）的兴趣。不管怎样，未来同步电机为三相电网供电的情况可能会减少。

02

最新技术进展

在第二节的四个部分中，文章介绍了用于机载微电网的各项技术的最新进展。概述了为克服图5所示传统系统局限性而提出的各种解决方案。

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互连电力分配系统

近年来，为了提高电力分配系统的灵活性并增强不同母线线路之间的互连性，提出了多种解决方案。在集成模块化电力电子概念（IMPEC）中（见图6）[19]，通过引入一个用于电源和负载的接触器矩阵，实现了更灵活的配电系统。

图6：集成模块化电力电子概念

具体来说，所有电源（包括发电机和辅助动力装置）都可以连接到模块化的电力电子组件，这些组件随后向直流母线供电。同样地，直流母线可以通过接触器矩阵连接到任何负载。

图7中，Fritz等人[21]提出了一种利用多个电力电子模块来实现EPDS中高功率变换器的方法。这些电力电子接口由多种模块组成，能够连接到不同的母线，从而实现EPDS各部分之间的功率交换。为了支持这种灵活的功率分配结构，他们设想使用单输入-单输出变换器来实现其功能。

图7：蜂窝功率变换器概念

另一种可以减少由于母线分离而导致过度设计的解决方案是采用单一母线线路，正如文献[22]所提出的，并在图8中展示的那样。为了确保在单条母线发生故障时的安全性，必须引入具有极快动态响应和高可靠性的固态功率控制器。不过，确保这种单母线系统在飞机飞行中的可靠性极具挑战性。

图8：单直流母线配电系统

提升EPDS功能性的关键思路是升级现有的多母线配电系统，具体措施包括使用多端口等效变换器替代传统DC-DC变换器，以及采用多三相变换器替换现有的电机系统。这标志着电力电子、电动机和驱动系统走向融合的重要一步，因为这些组件在优化整个电力系统的功率密度和故障容限时都起到了关键作用，同时不牺牲功率密度。图9展示了一个基于前述概念的具体实现方案[23]，其中传统的电动机被多绕组电机取代，而单输入-单输出DC-DC变换器则被多端口电力电子设备所替代。

图9：采用多端口电力电子技术的升级版配电系统

这种EPDS配置将几乎所有电力电子设备和电机通过变压器或电机的气隙（后者本质上也起到变压器的作用）连接起来。从功能角度来看，只要功率流不超过设备或电机绕组的额定值，这种配置就能兼具单母线架构的优势（即所有组件相互连接），同时保持EPDS不同部分之间的电气隔离。

2

飞机系统DC-DC变换器的优化

隔离型DC-DC变换器在需要电气隔离的应用中非常常见。它们通过变压器实现功率传输和电气隔离，常见的拓扑结构包括双有源桥变换器和谐振变换器等。尽管这些拓扑已经经过充分的发展，但仍需要进行针对性的优化以适应飞机系统的具体需求。因此，针对不同拓扑在飞机应用中的研究仍然十分活跃。

在智能电网系统等应用中，当需要互连多个源和载时，通常采用多个DC-DC变换器。然而，为了简化系统，避免多个变换器以及它们之间的通信和同步需求，可以考虑使用基于多端口变换器的集中式方案。图10(a)展示了一个多端口变换器的基本框图，该变换器可以连接到不同的电源和负载。这种结构是双有源桥变换器的扩展版本，拥有三个与同一高频多绕组变压器相连的有源桥，因此被称为三重有源桥（TAB）变换器[35]。进一步的扩展设计，具有四个有源桥的版本被称为四重有源桥（QAB），如图10所示，这种设计已在文献[36]中被提出。

图10：隔离式多端口DC-DC变换器 [37]： (a) 多端口变换器的框图；(b) QAB变换器的拓扑结构。

在使用了大量DC-DC变换器的架构中，四重有源桥（QAB）的关键优势之一是能够减少变换器和变换器的级数，这一点优于传统的单输入-单输出解决方案。如图11所示，图中展示了使用多个单输入-单输出变换器的四端口系统。这一配置包括两条高压线与两条低压线相互连接的典型场景。

图11：实现四端口模块的不同方案：(a) 两个单输入-单输出功率变换器；(b) 四端口功率变换器； (c) 三个单输入-单输出功率变换器 [40]。

在不需要各母线之间进行功率交换的情况下，图11(a)展示的方案是最简单的解决方案，可以通过两个传统变换器实现。同样的目标可以借助四端口功率变换器实现，如图11(b)所示。尽管使用的器件数量与前一种解决方案相当，但由于采用了更高效的控制逻辑，所需的磁性元件的数量有所减少。与前一种情况不同，这种配置方案允许功率在所有母线之间实现灵活流动。

另一种实现功率流动的方法是使用变换器连接各个输入和输出，然而这种方法的明显缺点是其功率密度较低。图11(c) 显示了一种可能的改进方案，即仅使用一个额外的DAB来减少功率密度的降低。

考虑到现有电力分配系统中仍然包含大量交流负载，且未来电动飞机中传统交流电源的使用仍被期望保留，研究者们正在探索一种用于替代老旧变压整流器单元（TRUs）的方法。其中，多端口双向DC-AC变换器成为了关注的焦点。作为更多电动飞机中直流和交流母线之间的功率接口，其具备小型化设计和故障容错能力，能够确保供电的安全性并实现电气隔离。在文献[41]中提出了一种拓扑结构，其基本设计如图12所示。该变换器结合了四重有源桥和级联H桥两种变换器技术。四重有源桥负责节点间的功率传输，而H桥则确保输出低失真的正弦电压。

图12：两端口模块化智能变压整流器。

3

多电飞机的变速驱动器

变速驱动器（VSDs）在全球电力消耗中占有重要比例。在多电飞机中，电力通过与主发动机耦合的发电机产生，并供压缩机、泵和执行器使用。其中，起动/发电机是关键技术，因为它能实现主发动机的全电气启动。主发动机起动时，通常使用同步发电机与主发动机耦合来加速发动机转子至启动速度，当发动机达到适当速度后，即可以进行自维持燃烧。随着转速增加，电力电子器件在启动模式和发电模式之间切换，如图13所示。

图13：多电飞机启动/发电系统的转矩-速度特性 [50]。

发电系统的一个主要趋势是采用三电平变换器（见图14），以提高有效开关频率并改善电动机的电流波形[51]。随着直流电压的提升和多电平变换器在高功率航空航天应用中的普及，这些系统更容易受到高海拔地区宇宙射线引起的随机故障的影响[52]。这一情况凸显了采用模块化系统的必要性。可以说，当前技术下更高的模块化程度为容错系统的发展及电力电子和电机的应用开辟了新的机会。

图14：发电系统的中性点主动整流器 [50]。

电液静压执行器（HEA）是电动机应用的一个重要领域。与需要传统集中式液压泵分配系统的纯静压执行器不同，HEA（见图15）由变速驱动器（VSD）、带有本地油箱的静压泵以及静压执行器组成。这种方法无需复杂的管道或集中式分配系统，只需为VSD提供电力即可使执行器工作。研究表明，HEA能达到传统液压执行器40%的功率密度[53]。鉴于其功率等级通常低于起动/发电系统，电液静压执行器（HEAs）可以利用宽禁带半导体技术来优化性能[53]。

图15：电液静压执行器概念示意图。

4

宽禁带和高度集成的电力电子技术

为了满足下一代电动飞机对极端功率密度的要求，研究人员已经深入研究了先进的集成、封装、冷却及电力电子技术[56], [57]，其主要趋势包括：

上述特性显著提升了电力电子器件在相同重量和体积条件下的功率处理能力。在这一领域，宽禁带半导体的应用尤为值得关注。这些半导体器件可以提高工作频率，从而缩减被动元件的尺寸。相较于传统硅器件，宽禁带半导体降低了能耗，并能够在更高的温度下运行，进而在最大结温限制下实现更大的电流流动。

在图16所示的案例中，描述了一种专为航空航天应用设计的集成式全碳化硅AC-DC-AC电力电子系统[65]。该变换器的拓扑基于维也纳整流器，如图16(a)所示。在冷却系统的设计上，采用了模块化的分离设计方案，其中每个半桥模块均配备独立的散热器和强制风冷系统[见图16(b)]，并将直流链路和门极驱动电路集成在一个模块内。为了优化冷却策略和组件布局，研究中使用了有限元方法进行模拟[见图16(c)]。通过在更高温度下运行设备，10kW的原型机在250°C和175°C版本之间实现了25%的重量减轻。这不仅提升了系统的性能，同时也减少了系统的整体重量，体现了设计的有效性。

图16：集成高温AC-DC-AC变换器： (a) 集成高温AC-DC-AC变换器的拓扑结构；(b) 变换器模型的布局；(c) 组装好的变换器的实物照片。

03

混合推进系统的高功率电动驱动方案

为了展示基于高性能永磁同步电机和先进电力电子拓扑的混合推进系统的可行性，研究者在文献[11]和[12]中开发了一个包括发电机和整流系统的4MW演示器。该系统的结构如图17所示，其中核心部分是一个具备高功率密度的高速多相永磁发电机。该发电机为两个独立的电力电子变换器BRAVO和ECHO供电，这两个变换器分别负责调节两条3kV直流母线，以支持整个配电系统和电动推进系统。这一高速机械运行需要相关的高频操作，因此对电力电子器件的选择进行了详细的权衡分析，以确定最优方案。为达到相对较高的开关频率（15 kHz）并确保足够的电流承载能力，系统采用了串联中点钳位（NPC）变换器拓扑（如图18所示），利用市场上可用的1.2kV器件来实现基础变换器。系统需要具备功率共享和容错功能，因此每个整流器（BRAVO或ECHO）由两个串联的NPC变换器并联组成，总共应对机器的24个相。

图17：用作测试案例的混合推进系统框图[11]。

图18：电力电子系统框图[11]。

图19展示了实现的电力电子变换器和开发的发电机的实物。在1MW循环功率水平下进行的测试显示，整个系统的效率达到了92.5%，这与理论分析结果完全一致。该演示器不仅验证了设计的可行性，还展示了电力电子和电机控制技术在预测复杂系统性能方面的潜力。

图19：混合动力飞机的电力电子和电动机样机： (a) 单个串联中点钳位变换器；(b) 四个串联中点钳位变换器的照片；(c) 开发中的发电机及其定子组件。

04

结语

多电飞机是一个已经被探讨了几十年的概念，并且为了响应不断增长的航空运输需求，已经付出了巨大的努力来提升飞机性能。要实现航空领域所需的极端功率密度和可靠性，需要结合多个工程领域的知识：包括电力电子、电机设计、控制系统、热管理、制造工程，以及新型磁性材料和半导体材料的应用。单靠对单个组件的优化已无法满足现代需求，这要求一种创新的系统设计理念，需要在设计初期就考虑制造和集成问题。目前，多电飞机已成为长途航班的成熟产品，全电动飞机也逐渐得到市场认证。业界和学术界正积极开发满足区域飞机需求的高功率驱动解决方案。总之，多电飞机从简单的子系统电气化起步，正逐步拓展升级，迈向广泛应用的新阶段。

来自：电力电子实验室

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟