混動飛機(jī)搭載碳化硅

最近，美國研究人員開發(fā)基于SiC的電動機(jī)驅(qū)動器，并在混合動力飛機(jī)上進(jìn)行了測試。阿肯色大學(xué)的工程研究人員在一架混合動力飛機(jī)上成功試飛了他們的電動機(jī)驅(qū)動裝置。

該項(xiàng)目由美國能源部/高級研究計(jì)劃署-能源電路計(jì)劃（ARPA-E）資助，是國家科學(xué)基金會電熱系統(tǒng)功率優(yōu)化中心的一部分而建立的合作的產(chǎn)物。該中心位于伊利諾伊大學(xué)香檳分校，專注于提高所有移動和運(yùn)輸模式的電氣化。

這種塞斯納337小型飛機(jī)主要用作島嶼地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的空中出租車，它有兩個汽油發(fā)動機(jī)，可以執(zhí)行高要求的空中推進(jìn)和加速任務(wù)，以及滑行、巡航和著陸等較輕的任務(wù)。這些都使用高碳足跡的燃油發(fā)動機(jī)。

在過去的幾年里，由美國大學(xué)國家可靠電力傳輸中心（NCREPT）主任Alan Mantoth領(lǐng)導(dǎo)的研究人員參與了一個雄心勃勃的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)和開發(fā)電池驅(qū)動的電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器可以用來代替燃油發(fā)動機(jī)。

Mantooth and U?of?A?研究人員David Huitink、Yue Zhao和Chris Farnell設(shè)計(jì)了一個250千瓦的電機(jī)驅(qū)動器，在南加州電氣化飛機(jī)公司Ampaire Inc.開發(fā)的混合動力飛機(jī)試驗(yàn)臺上為后部的電動機(jī)提供動力。后部電動機(jī)與飛機(jī)前部的汽油發(fā)動機(jī)相結(jié)合，在滑行、起飛、巡航和著陸過程中推動飛機(jī)。

在機(jī)械科學(xué)與工程教授Nenad Miljkovic的領(lǐng)導(dǎo)下，伊利諾伊大學(xué)的研究人員專注于熱管理設(shè)計(jì)，而美國?屬于?一位研究人員貢獻(xiàn)了電氣、機(jī)械和控制方面的專業(yè)知識。

經(jīng)過大約18個月的地面測試和驗(yàn)證，證明了這項(xiàng)技術(shù)，Ampaire成功駕駛了這架由研究團(tuán)隊(duì)的逆變器技術(shù)提供動力的飛機(jī)。試飛于2月20日在洛杉磯附近的卡馬里洛機(jī)場進(jìn)行。

碳化硅半導(dǎo)體制造商Wolfspeed為電子馬達(dá)驅(qū)動器的開發(fā)貢獻(xiàn)了商業(yè)功率模塊和集成專業(yè)知識。Ampaire指導(dǎo)學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成環(huán)境測試要求，這些要求源自航空航天硬件標(biāo)準(zhǔn)，是鑒定和驗(yàn)證電機(jī)驅(qū)動器在試飛過程中的性能和可靠性所必需的。

Mantoth說：“通過最近的改進(jìn)，我們成功地優(yōu)化了機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——換句話說，電機(jī)驅(qū)動的各個方面現(xiàn)在都得到了同時(shí)優(yōu)化。這對新興的交通工具電氣化時(shí)代有著重大影響，無論是飛機(jī)、火車、汽車、重型設(shè)備、船舶還是無人機(jī)。我們對這項(xiàng)工作感到非常興奮。”

該混合動力飛機(jī)于2022年在丹佛舉行的ARPA-E能源創(chuàng)新峰會上展出。經(jīng)過廣泛的測試和評估，此次試飛于3月22日至24日在華盛頓特區(qū)舉行的2023年ARPA-E能源創(chuàng)新峰會之前進(jìn)行。在研究團(tuán)隊(duì)的幫助下，Ampaire將進(jìn)行額外的試飛，并繼續(xù)收集數(shù)據(jù)以改進(jìn)未來的設(shè)計(jì)。

Ampaire首席技術(shù)官兼工程副總裁Ed Lovelace表示：“ARPA-e支持的飛行試驗(yàn)臺能力為Ampaire提供了一個快速測試工具，用于在相關(guān)環(huán)境中評估新興技術(shù)。成功評估的技術(shù)有機(jī)會成為Ampaire商業(yè)電氣化航空產(chǎn)品路線圖的一部分，提供更大的能力?！?

ARPA-E技術(shù)副總監(jiān)Isik Kizilyali表示：“阿肯色大學(xué)的電動機(jī)驅(qū)動是第一項(xiàng)在ARPA-E混合電動飛機(jī)試驗(yàn)臺上成功進(jìn)行飛行測試的ARPA-E科技，也是ARPA-E和CIRCUITS項(xiàng)目的一大成就。”

據(jù)介紹，在實(shí)際飛行環(huán)境中，在航空平臺上測試變革性的電動航空技術(shù)，可以在現(xiàn)實(shí)世界條件下驗(yàn)證該技術(shù)，這將大大加快該技術(shù)的采用。美國航空航天局的電機(jī)驅(qū)動是許多ARPA-E資助的電動航空技術(shù)中的第一個，如斷路器、逆變器、電機(jī)、配電系統(tǒng)、電池、燃料電池，甚至高效內(nèi)燃機(jī)，這些都將在飛行中進(jìn)行測試，因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)正在解決飛機(jī)的電氣化問題，以便走向一個更加電氣化的未來。

輸出密度超汽車電動機(jī)三倍

無獨(dú)有偶，2021年5月，日本電裝與美國霍尼韋爾稱，雙方簽署了一項(xiàng)長期協(xié)議，將聯(lián)合開發(fā)和制造用于飛機(jī)的電動推進(jìn)系統(tǒng)，以滿足城市空中交通（UAM）等需求。

電裝公司表示，UAM電動飛機(jī)是較小型的飛機(jī)之一，比較容易利用汽車的電氣化技術(shù)，電裝公司將使用碳化硅等技術(shù)開發(fā)逆變器和大功率電動機(jī)。此前，電裝發(fā)布了一款用于電動飛機(jī)的原型電動機(jī)，該電動機(jī)的輸出密度超過了汽車三倍。

2020年6月，霍尼韋爾發(fā)布了一種專為城市空中交通（UAM）和電動飛機(jī)設(shè)計(jì)的微蒸氣循環(huán)系統(tǒng)（MicroVCS）冷卻解決方案，其中搭載了碳化硅開關(guān)器件，相比其他傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)的重量減輕了35％，效率提高了20％。

另外，豐田汽車已經(jīng)投資研發(fā)eVTOL技術(shù)，豐田是電裝的最大股東，其電動飛機(jī)大概率采用電裝的碳化硅。

2023年1月，為滿足航空應(yīng)用對集成和可配置電源解決方案的需求，Microchip Technology也推出一款全新的綜合性混合動力驅(qū)動模塊。該系列產(chǎn)品將有12種不同型號，采用碳化硅（SiC）MOSFET或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

這些混合動力驅(qū)動模塊是高度集成的電源半導(dǎo)體器件，減少了元件數(shù)量，簡化了整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這款可配置的系列器件包括一個三橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可采用SiC或Si半導(dǎo)體技術(shù)。新系列器件可靠性高，設(shè)計(jì)緊湊而且重量輕，有助于減少多電飛機(jī)的尺寸和重量。

航空航天碳化硅應(yīng)用前景廣闊

由于碳化硅MOSFET產(chǎn)品具有高溫性能和高電壓能力，因此可以在航空航天電子系統(tǒng)中的高溫、高壓和高頻率環(huán)境下使用，SIC MOSFET產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大，在高溫發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，碳化硅MOS可以用于控制電動風(fēng)扇和氣壓控制系統(tǒng)。

在航空航天領(lǐng)域，碳化硅MOSFET具有廣闊應(yīng)用前景，可以提高系統(tǒng)的性能和可靠性，同時(shí)也可以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷?、高壓、高功率等特殊環(huán)境的要求。碳化硅MOS也可以用于航空電子設(shè)備中的DC-DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)等。雖然碳化硅在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級階段，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本降低，未來有望在這一領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。