英国发布电推进系统路线图

来源：国际航空

作者：张钰栋 苏霓

在绿色航空的大背景下，英国发布“零排放飞行”项目系列研究报告，电推进系统报告与技术路线图推荐了电动机、电力电子、热管理三大类支撑技术。

2022年3月，英国航空航天技术研究所（ATI）发布了“零排放飞行”（FlyZero）项目研究成果，包含多个报告与技术路线图。其中，电推进系统报告与技术路线图推荐了一系列支撑未来航空零排放的技术，包含电动机、电力电子、热管理三大类。

本文对该报告中的系统评估结果、技术指标及技术路线图进行了梳理总结。该机构认为，液氢是飞机实现零排放最可行的能源，同时评估了氢燃料电池驱动的电推进系统，认为功率密度是该系统需要优化的最主要方向。初步研究结论显示，相同推力下，电推进系统的总重量 ( 质量 )远大于航空燃气涡轮发动机，但该电推进系统技术尚未成熟，具有很大的发展潜力。同时，该电推进系统的能量利用效率高于同水平的氢燃料涡轮发动机。截至2022年3月，电推进系统的总效率为55%～60%，而氢燃料燃气涡轮发动机为44%。

项目以ATI设计的一型支线概念客机FZR-1E方案为例，对电推进系统进行了评估。该方案使用6个电动机驱动的螺旋桨，从螺旋桨到燃料电池的结构模块如下所示，该报告主要研究其中的电推进系统部分（下图绿色部分），燃料电池组及热管理系统等则在其他分报告中详细叙述。

质量分布

     

由上图可知，在电推进系统总重量中，热管理系统（TMS）所占比例较高（21%）。TMS的减重很大程度上依赖于电力系统效率的提高，增大燃料电池尺寸可以提高该效率。Flyzero的一项研究表明，如果将燃料电池模块的尺寸增大25%，TMS质量的减少将大于燃料电池质量的增加。

技术指标

     

该路线图以支线客机FZR-1E为参照机型，在电动机、燃料电池等具体技术上提出了严格的目标，并明确了三个阶段性节点。最终目标于2050年达成，电动机的功率密度达到25kW/kg，燃料电池组的功率密度超过16kW/kg，整体电推进系统的功率密度达3-3.5kW/kg。

技术阶梯

     

上图是电推进系统关键技术的发展时间线、特定时间点的潜在应用，以及对电推进系统功率密度的整体影响。最终研究目标是实现高温燃料电池和超导动力总成的应用。然而，这些技术的开发进程存在很大不确定性。此外，由于电推进系统的灵活性，全新的整体设计方案可能会出现，这将影响功率密度的确定。

电动机包含的四类关键技术

     

电动机包含四类关键技术，分别是：电机拓扑结构、线圈绕组和电磁线、磁性材料、相关先进制造技术。

电机拓扑结构

     

使用高速表贴式永磁电机（SPM电机）与变速箱相结合，在0.5~4MW功率范围内将比直接驱动式获得更高的功率密度，但电机与变速箱的集成还需要开展更多研究工作。

双气隙电机由一个外转子和一个内转子组成，形成海尔贝克阵列并安装在钛环上。与传统SPM电机相比，功率密度预计可提高30%以上。

超导电机可减少铜损，并改善热管理条件，因此能够显著提高功率密度。高温超导（HTS）电机的功率密度已经超过23kW/kg，显示了用于直接驱动方案的巨大潜力，但其超导材料还需要进一步研究。

线圈绕组和电磁线

电磁线的隔热性能直接限制了电机的工作温度。工作温度更高，就允许更大的电流和更高效的热管理，进而提高功率密度。例如，在聚酰亚胺基体中加入薄的镀镍层和纳米填料可以使电磁线的额定工作温度达到280℃ ；陶瓷涂层可将温度限制突破至500℃，但由于其脆性，目前还无法应用于紧密布置的电磁线（指的是绕组线）环境。

电磁线发展的另一条路线是改进导线材料本身。铜包铝漆包线结合了铜线、铝线的双重优点，实现了高电导率和低密度共存，但其在电机上的应用还很有限。比起传统的金属材料，碳纳米管（CNT）可以带来导电性能上的阶跃式提升。由CNT制成的电磁线密度很小，却有极高的电导率，但该技术目前的成熟度较低，具有巨大的发展潜力。

此外，电机的线圈绕组布置方式也对性能有很大影响。随机缠绕的线圈对铜的包装密度不及 40%，导致绝缘材料占比较高，降低整体的导热性。预制线圈和换位线圈封装是改善这一问题的两种技术，可将包装密度提升至70%以上，从而提高热导率。

磁性材料

软磁材料导致了电机的铁损。为了保持电机高频运行的优势，减少铁损至关重要，其中一种途径是在铁芯中增加硅的含量。汽车行业的高性能机器已经开始使用0.2mm的硅铁板作为铁芯，如20号钢，在1kHz的基频下能够减少40%的铁芯损耗。要进一步减小质量，可以使用较高饱和磁通密度的钴铁材料，但由此将带来10倍的成本提升。综合考虑航空零排放需求，这或许是可行的方法。

电机中的硬磁材料也受到温度的限制。常见的硬磁材料工作温度较低，约180℃。随着高温材料发展，现有钐钴材料可承受500℃的工作温度。

另一个有巨大潜力的领域是氮化铁磁体的发展，与钐钴硬磁材料相比，氮化铁磁体可将能量密度提高40%。此外，氮化铁不含稀土元素，这也使其受到广泛关注。

相关先进制造技术

无源元件约占电机质量的50%，这些元件通常采用传统技术制造。若使用增材制造和先进复合材料制造技术，元件将至少减重30%。虽然这两种制造技术已经较为成熟，但它们在电机设计上的应用仍然有限。此外，可进一步利用增材制造技术，制作任意形状和尺寸的磁性材料，减少获取相同磁通密度所需的磁铁质量，但该技术尚未成熟。

电力电子包含的三类关键技术

     

电力电子包含三类关键技术，分别是：拓扑结构和功能集成、半导体器件、高压直流系统。

拓扑结构和功能集成

利用功能集成能够减少整个系统的质量。例如，集成逆变器与电机控制器、燃料电池管理系统与直流斩波器等。为了进一步减重，还可以把某些结构进一步集成，并作为航线可更换单元嵌入飞机。这需要电源和电力机械严格紧密地整合，但能将系统的功率密度提高一个数量级。

利用多电平换流器替代两级换流器，主要有两个优势。一是相同开关频率下，波形质量更高；二是工作电压远低于传输总线，使得可以利用低击穿电压的元件，从而降低了成本，缩短了生产周期。

半导体器件

要实现电动飞机商业化，推进系统需要达到兆瓦级功率，因此需要1-3kV级的电压。为了在短期内达到这一目标，需要开发高压碳化硅晶体管。

氮化镓和氧化镓晶体管在高频运行方面有巨大潜力，当氮化镓被冷却到75K时效率和散热能力有明显提高。此外，现有镓器件受工作电压限制，可以通过使用多电平换流器来突破。

高功率模块的封装设计水平制约着功率密度提升，而碳化硅、氮化镓晶体管的封装技术还需优化，并且其批量制造尚未实现。

高压直流系统（1-3kV）

高压电力系统在克服电弧放电和局部放电等方面还存在挑战。解决这些问题的手段之一是检测技术，其中行波检测、检测阻抗测量技术等将是实现高压直流电推进系统的关键。

电磁干扰也是高频开关和高功率水平下需要解决的问题，因此，开发其仿真工具十分必要，评估结果有助于合理更新高压系统配电标准。

热管理包含的两类关键技术

     

热管理包含两类关键技术，分别是：冷却方案、结构与材料。

冷却方案

使用滑油进行喷油冷却，利用喷流直接冲击物体表面，能够显著提高电机的换热效果，就能够容许更大的电流密度。油雾冷却是另一项极具前景的技术，通过将细小油滴喷在物体表面进行冷却，其表现出的潜力甚至高于冲击冷却。

低温冷却对于超导电机至关重要，此种技术需要与高温超导技术同步发展。要缩小低温系统的尺寸，还有许多工作要做。同时需要开发新技术，如使用金属隔热和直接冷却技术等。

结构与材料

新型导热复合材料将在短期内出现。如铝碳化硅、电子材料、铜钨合金和Dymalloy（铜-金刚石复合材料）等。这些材料提高了导热性能，降低了对整体冷却系统的要求。

此外，更多先进的材料制造技术将会产生更精细的冷却系统结构。例如，可以通过在不同结构内设计微通道或微翅片的方法进一步提高换热效果。

结束语

FlyZero电推进系统路线图覆盖了电动机、电力电子及热管理3个方面，提出了10余种关键技术以帮助实现 “零碳飞行”。虽然目前各项技术成熟度较低，但极具研究前景，对2050年前分阶段达到既定目标具有较强意义。

另外，混合电推进系统是近年的热门研究领域，可以在短期内达到降低排放，也将从以上技术的发展中直接受益。

最后，2022年3月，国家发改委发布《“十四五”现代能源体系规划》，提出大力改善电力系统结构，优化能源布局。以此为背景，大力发展以电推进、氢动力为代表的清洁航空有助于提早布局，争夺未来技术高地。