欧盟混合电力推进架构项目中的模块化方法|混合动力_新浪财经

钟怡菲　纪宇晗

　　随着人们环境保护意识的不断提升，脱碳已成为航空业面临的一大挑战。2009年国际航空运输协会（IATA）为行业设定了一个艰巨的减排目标，即在2050年航空运输业碳排放量减少50%。新燃料逐渐成为行业脱碳的重要手段，氢燃料飞机也随之进入公众视野。

　　2017年，欧盟启动了研发模块化串联混合电推进系统的项目——MAHEPA，该项目由轻型电动飞机制造商斯洛文尼亚的蝙蝠飞机公司牵头，旨在使用轻型飞机作为测试平台开发和测试模块化混合动力推进技术，以弥合低排放推进技术的研究和产品层级之间的差距。

　　MAHEPA项目搭建了2种架构，第一种使用碳氢化合物燃料内燃机（ICE）和发电机作为主要动力源，第二种使用氢燃料电池（FC）发电。这2种架构的共同点是使用了相同的功率控制模块以及新的功率电子设备。通过在不同的小型飞机上对每种架构进行飞行测试，进一步证明了模块化方法可以使动力系统变得更加灵活，并具备可扩展能力。

　　在项目推进的第一阶段，研究人员开发了一个理论框架，用于对通用串联混合动力电力推进系统的基本部件进行建模。这些部件被称为模块，其连接类型称为接口，可以通过组合调整开发不同类型的推进系统。这种串联混合动力架构具有很大的灵活性，可以实现不同的运行策略。比如，当电力需求很高时（如起飞期间），内燃机和电池共同向电动机提供电力。相反，当电力需求较低时，电动机可以由电池或内燃机发电机系统单独供电。串联架构可以实现分布式电力推进配置，并且架构非常简单，然而其主要的缺点也非常明显，即必须有一个发电机将来自内燃机的机械动力转化为电能，对体积、重量和效率都有负面影响。

　　第二种混合动力系统架构是并联的，在这种结构中，既可以由电动机驱动，也可以由内燃机驱动，或者2种同时驱动，结构较之第一种更为复杂。

　　第三种混合动力系统架构是串并联体系，在汽车领域应用广泛，但由于其复杂性和所带来的重量损失，并不适合于航空应用。

　　通过对3种不同混合动力系统架构的全面比较，MAHEPA项目采用了第一种串联混合动力架构，并采用分布式电力推进方法。混合动力飞机常见的模块有：推力产生系统、电动机、逆变器系统、发电系统、储能系统、功率管理控制系统（PMCD）、人机界面（HMI）。

　　为了最终确定基于所述模块的动力集成架构，需要定义模块之间需要什么接口，以及数据类型和电源连接。这阐明了要实现的物理连接是什么。

　　项目开发了一个用于混合动力飞机分析和概念初步设计的总体框架，包括确定飞机初步尺寸的程序和配置，实现准确的性能预测。这个过程是在一个名为Hyperion（混合性能模拟）的计算工具中实现的。

　　在第二阶段，项目团队完成所有系统的设计、部件制造及测试。2款混合动力飞机分别为，基于内燃机混动飞机Panthera和氢燃料电池飞机HY4，分别在2021年和2020年成功进行了飞行测试。

　　Panthera是一架4座飞机，采用混合动力驱动，其中内燃机ICE为电动机提供动力，结合小型电池，因此它可以依靠电力起飞。其中螺旋桨由电动机驱动，由传统涡轮增压内燃机提供动力，并与发电机和电池系统相结合，电池系统由两个并联电池组组成。此外，为了提高整个系统的可靠性，还开发了冗余双逆变器和电动机设计。来自ICE（Rotax 915）的机械能通过发电机转化为交流电，经过双逆变器系统将交流电转换成直流电，再通过直流链路与电池连接，然后通过两个冗余逆变器将直流电再次转换为交流电，为两个不同的电动机供电。这样，即使一个直流—交流逆变器或电机发生故障，系统仍然能够提供一半的功率，使飞机继续保持安全飞行。

　　Panthera动力系统的最大起飞功率为300kW，最大巡航功率为150kW。包括电池系统在内的动力总成总重量预计在370千克左右。

　　氢燃料电池混合动力的开发始于Antares H3项目，燃料电池/电池混合动力的性能和可靠性在长期飞行测试中得到了验证。该研究在MAHEPA项目中继续进行，将现有组件转换为不同的排列，使其具备冗余和飞行电池充电的能力。

　　HY4是世界上第一座完全由氢燃料电池系统和电力推进系统提供动力的4座客机。Hy4的动力传动系统由一个储氢装置、一个低温氢燃料电池和一个高性能电池组成。燃料电池将氢燃料的能量直接转化为电能。如果燃料电池所需的氢是利用可再生能源的电力通过电解产生的，那么Hy4就可以在不产生任何排放的情况下飞行。

　　Hy4发动机输出功率为80kW，最大速度200千米/时，巡航速度145千米/时。飞机在巡航时需要大约30kW的功率，起飞或推进时需要62～85kW的功率。Hy4 最引人注目的特点是它的双机身，每个机身可容纳２名乘客。其机身有足够的体积来容纳大型燃料电池系统和压力罐，中央机舱将燃料电池和动力传动系统紧密联系在一起，提高效率。在不考虑冷却和航空电子设备的情况下，燃料电池的效率相对较高可以达到50%，总传动系统的整体效率约为44%。

　　此外，MAHEPA项目还将评估飞机的监管影响、机场基础设施需求和运行安全性，并考虑航空工业的运营成本以及长期的环境优势。项目结合实际测试数据，推断出不同未来场景下的环境效益，从而为混合电动飞机队提供模型支持，为商业化、新型、低排放、高效的飞机类别推开发展的大门。