欧盟“洁净天空”2计划能量管理及电力电子项目进展

欧盟“洁净天空”2计划（CleanSky2）近期信息频繁更新。2020年1月，该计划发布了项目更新情况。2020年5月11日，欧盟“洁净天空”计划官网又公布了2019年的重点研究成果，对2019年“洁净天空”计划在航空结构、系统和空气动力学等领域取得的技术创新、以及对于未来绿色航空展望等进行了阐述。

“洁净天空”2计划于2014年推出，是欧盟第二个多年的民用航空研究联合倡议。该计划的部分项目目前已经结束，还有不少项目将于2023年左右结束。该计划为多个技术研究领域提供资金支持，包括航空结构、系统、空气动力学、动力、电力电子、材料等，飞行器平台范围涉及大型客机、支线及公务航空、短途运输及旋翼机等，研发产品包括系统、结构、部组件、元器件等等，以及一些新的系统架构方法和理论等，以开发用于2035年代以后服役的新构型航线飞机或为其做充分的技术准备。

鉴于篇幅限制，本文仅对该计划的电力/电子技术项目及能量管理相关的项目做简单汇总。电力/电子技术项目是近期“洁净天空”2计划项目进展的一个主要领域。该领域是“洁净天空”2计划为响应飞行器电气化趋势而专门开展的一个研究领域，其中包括多个子项目。这些项目及其进展、成果的部分细节情况如下所述。

• 二极管芯片疲劳特性测试项目
• 直升机高压电力系统技术项目
• 多电大型飞机创新性能量管理架构项目
• 先进配电和能量管理系统（电力变换器）
• 未来飞机新型能源架构（非推进能量项目）
• 飞机滑行机电系统

DiDi-FaCT项目

 

• 项目名称：二极管芯片疲劳特性测试项目，DiDi-FaCT
• 三年期项目，探讨二极管芯片操作极限和潜在寿命。
• 主要目标是通过分析和测试来加深对二极管芯片材料(硅和/或碳化硅)可靠性的理解。目标之一是建立一个模型，该模型可以预测在机械、热和电负载的不同组合下二极管裸片材料的寿命。该测试结果有助于在提高可靠性方面优化芯片封装设计，从而为发电机和其他设备的重量和效率改善铺平道路，对于在恶劣环境下(例如飞机发电机)的电力电子芯片用户而言非常有价值。在此项目之前，尚未对用于这种要求苛刻的航空发动机应用环境中的二极管的长期可靠性进行最终测试。
• 要确定的问题是，二极管芯片可靠性。功率二极管是飞机发电机中的关键任务组件，必须承受发动机高温环境的极端温度、高旋转速度感应压缩应力，高热感应剪切应力以及发电机停止运转时的较低甚至零下的温度。还必须承受从静止状态到数千转的巨大加速。另一方面，只要发电机运转，这些二极管就必须在低损耗的情况下长时间可靠地工作。现在，使用裸硅芯片封装二极管的新技术以及包括碳化硅在内的新半导体技术正在进入这些恶劣环境的应用中，并且在减小尺寸和重量以及热和电性能方面显示出了潜力。但是这些新的二极管芯片究竟运可以运行多长时间尚待确定。
• 了解二极管的疲劳特性可以使发电机以更高的速度运转，从而提高功率密度并减轻重量。这意味着更少的燃料消耗，因此更少的二氧化碳和氮氧化合物排放，有助于减少航空对环境的影响。
• 该项目的结果提供了有关长期疲劳和磨损参数的新知识，为二极管芯片的耐用性提供了至关重要的保证。该项目的结果是，疲劳效应与人们了解的经典疲劳有所不同。另一个重要的结果是，在测试的压力范围或力范围内，没有发现新型功率二极管存在疲劳问题的迹象。

意大利9eGEN系统项目

• 该项目已成功开发出直升机高压电力系统技术原型产品。据2020年3月13日消息，意大利米兰ASE公司最近成功开发出首款270V直流发电机的原型产品(B1)，并已通过实验室测试，成功验证了大多数关键元件。
• 该系统将用于RACER快速复合直升机演示项目。而RACER项目是“洁净天空”2计划快速旋翼机创新演示平台的一部分。
• 9eGEN系统由两个主要设备组成。首先是安装在直升机主变速箱上的高压九相多边形连接发电机，将主变速箱的机械功率转换为270伏直流电。第二个设备就是发电机控制单元(GCU)，用于调节功率输出。在发生过电压或过电流的情况下，GCU具有内置的保护能力和通信能力，可以控制这种情况。

多电大型飞机创新性能量管理架构项目

• 该项目旨在定义和演示新的电气技术，并促进技术成熟，以实现多电飞机
• 项目将实施至2023年。
• 主要研究在未来飞机上使用电力替代液压和气压的挑战，如何引入高压直流系统和配电设备、电源管理和电子模块、冷却管理和各种相应的支撑电子技术。
• 据欧洲洁净天空计划官网2020年4月2日消息，为了完成新的电气技术的定义、演示和成熟化，空客、赛峰、泰雷兹、利勃海尔和左迪亚克等多家公司联合研究了一种新方法来解决那些技术挑战。每家公司都承担不同的任务，且都要在试验台上进行试验。利勃海尔的试验台可以测试电动环控系统及相关电力电子模块；赛峰的试验台可以测试电网组件、配电中心、发电机和变换器；泰雷兹的试验台可以测试发电机；左迪亚克的试验台可以作为城市电源管理中心。
• 空客公司作为项目牵头公司，正在建设PROVEN试验台。该试验台可以进行新型电源、电源管理中心和配电线的集成和试验，以便对“洁净天空”计划的创新性用电系统(如电动环控系统或者电动机翼结冰保护系统进行仿真)。据空客公司的项目经理介绍，PROVEN试验台还将测试电网的重构功能，例如，测试并行来自发动机或者电池的各种电源，以及测试诸如发动机起动或者故障等不同场景下电气系统性能。

ASPIRE项目

• 项目始于2016年9月，2020年2月29日结束。
• 该项目聚焦先进配电和能量管理系统的特定领域，研制飞机新型电力变换器。
• 项目重点为电源系统和电力电子技术，目标是设计、开发和制造具有自动变换功能的创新性DC/DC模块化变换器，使未来的机载配电系统“智能化”。这种变换器是具备电能管理能力的先进配电系统的关键组件。
• 项目团队由诺丁汉大学(项目协调者)、动力那不勒斯原型实验室、路易吉万维泰利大学及莱昂纳多飞机分部(主题管理者)组成。
• 据欧洲洁净天空计划官网2020年4月2日消息，项目团队已经针对未来飞机设计和开发了更高效的电源系统，使之更具环境兼容性。由于诺丁汉大在国际航空航天标准委员会中的特殊角色，ASPIRE的研究成果可能被融入到未来飞机电气系统架构和概念开发工作中，这将增强该项目的国际影响力。该项目还通过“智能电网”概念的开发和实现，来为“洁净天空”计划的支线客机创新验证平台提供支持。
• 变换器装置的设计采用宽禁带器件的尖端技术，能够实现非常高的效率和可控性，并使其重量和体积最小化。该变换器经过密集的测试测试之后，于2020年2月底，由诺丁汉大学交付给莱昂纳多飞机分部，作为其创新的“铁鸟”设施(一个物理测试台，可以对其电气系统进行评估功能和性能)的一部分进行进一步的集成和测试。
• ASPIRE概念将使得需要安装在飞机上的功率变换器数量显著减少。此外，与现有的解决方案相比，所需的每个变换器重量都将大大减轻，从而大大减轻电源系统整体重量。这意味着对环境的影响较小，同时也是“洁净天空”技术砖组合中的一个重要研究案例，这将促进下一代多电化航空的发展。

非推进能量项目（NPE）

• 该项目研究未来飞机新型能源架构
• 该项目是为了满足未来航线飞机和公务机向电气化转变而引起的飞机上电气架构更加综合的需求，以提高能量利用效率。项目旨在通过设计、研究、试验和验证不同飞机电气能量架构，使公务机和大型客机发动机油耗更少。
• 该项目面向2030年之后航空的需求，而不适用于当前飞机。
• 该项目由赛峰公司牵头，将实施到2023年。
• 该项目关注一种新架构，使得辅助动力装置(APU)可以在飞行中，而非仅仅在地面生产电力，以满足下一代多电飞机的需求。通过发动机与APU在整个飞行包线的共生关系，可以节省很多能量，进而实现更加环保的欧洲空运。
• 据欧洲洁净天空计划官网2020年4月2日消息，该项目关注点是用APU(也可能是2台APU)来承担未来飞机上大部分动力需求。项目涉及的APU功率在200至300千瓦。该项目正在确定采用什么样的架构，涉及的系统包括发电、电力变换和配电系统。此外，项目还考虑各种安全因素，例如在发生故障的时候，需要快速断开某些装置以防损伤APU。还需要对不同飞行阶段不同元素进行仿真以确定其能量需求。这些工作将确定功率需求，处理不同元素的高压、快速断开功能、配电、热管理、缓冲能力等。项目目标是根据所研究技术的不同，使TRL达到4/5级。目前，项目正在对各种架构进行评估，其中一个架构在公务机上评估，三个架构在大型客机上评估。评估中分别关注主发和APU的功率共享、永磁发电机和出口导向叶片。
• 该项目还有2-3年的时间，未来还有大量的工作需要完成，包括主发和APU之间功率共享的复杂电气架构以及考虑如何将这些架构应用到下一代航线飞机和公务机上。

“洁净天空”ACHIEVE项目

• 开发用于飞机滑行的机电系统
• 项目名称：“为新型涡桨电动发电机和健康监测系统开发先进机电设备”项目，ACHIEVE
• 欧洲洁净天空计划官网2020年4月27日发布消息称，项目团队利用先进的发电系统、综合电子设备、先进的控制系统和智能热管理，开发出一种新型的先进机电一体化系统(电起动机/发电机系统)，可用于涡桨飞机的电源管理。
• 项目团队：诺丁汉大学从2017年1月到2020年1月协助开展ACHIEVE项目，该项目还获得了NEMA有限公司以及电力系统技术公司(PST)的大力支持。
• 这种设备的设计原理是，当飞机在飞行前后或在机场和跑道之间滑行时，利用新型机电设备为螺旋桨输送电力，以实现驱动，而不是直接使用主涡轮发动机。这样不仅节省了燃油，还减少了噪音和排放，旨在为在机场工作或居住在机场附近的居民创造一个更清洁、更安全、更安静、更符合生态的环境。
• 该机电一体化系统由电机、功率转换器和控制器三部分组成，具有多功能、高效、可靠、结构紧凑、重量轻等特点，有助于改善和提高涡桨飞机的性能。
• 该项目还支持赛峰集团牵头开展“公务航空/短程支线涡桨演示机”项目（发动机），旨在开发用于公务航空和短程支线应用的1800-2000 轴马力级的高性能涡桨发动机新技术。
• 该项目目前正处于关键设计评审阶段，在诺丁汉大学完成测试后，ACHIEVE新系统将于12月前交付赛峰集团，实现与发动机的集成。该系统将集成在飞机发动机变速箱中，使飞机能够完全关闭发动机，仅使用电池和电机驱动螺旋桨，推动飞机沿着跑道和机场航站楼之间的滑行道前进。